CN108028435A - 具有用于电子设备和电池的公共衬底的可安装在身上的装置 - Google Patents

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Abstract

示例装置包括具有第一衬底表面和第二衬底表面的硅衬底；与集成电路(IC)的一个或多个电子部件相关的多个层，其中多个层沉积在第二衬底表面上；锂基电池，具有沉积在硅衬底的第一衬底表面上的多个电池层，其中锂基电池包括阳极集流体和阴极集流体；第一硅通孔(TSV)，穿过硅衬底并在阳极集流体和与IC的一个或多个电子部件相关的多个层之间提供电连接；以及第二TSV，穿过硅衬底并在阴极集流体和与IC的一个或多个电子部件相关的多个层之间提供电连接。

Description

具有用于电子设备和电池的公共衬底的可安装在身上的装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年9月24日提交的美国专利申请第14/863510号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
微电子部件广泛用于各种电子设备(例如可佩戴计算设备、便携式计算机、移动设备等)的生产。这种微电子设备的发展带来了电池作为微型电源的进展。这种电池可以是例如锂基电池。
发明内容
本公开描述了涉及与用于电子设备和电池的公共衬底相关的方法、装置和系统的实施例。在一方面，本公开描述了一种装置。该装置包括具有第一衬底表面和与第一衬底表面相对的第二衬底表面的硅衬底。该装置还包括与集成电路的一个或多个电子部件相关的多个层，其中多个层沉积在第二衬底表面上。该装置还包括锂基电池，其具有沉积在硅衬底的第一衬底表面上的多个电池层。锂基电池包括限定在多个电池层内并且接触第一衬底表面的阳极集流体和阴极集流体。该装置还包括穿过硅衬底并在阳极集流体和与集成电路的一个或多个电子部件相关的多个层之间提供电连接的第一硅通孔(TSV)。第一TSV包括通过围绕第一导电沟道的第一绝缘层与硅衬底绝缘的第一导电沟道。该装置还包括穿过硅衬底并在阴极集流体和与集成电路的一个或多个电子部件相关的多个层之间提供电连接的第二TSV。第二TSV包括通过围绕第二导电沟道的第二绝缘层与硅衬底绝缘的第二导电沟道。
另一方面，本公开描述了一种方法。该方法包括提供具有第一衬底表面和与第一衬底表面相对的第二衬底表面的硅衬底。该方法还包括在第二衬底表面上沉积与集成电路的一个或多个电子部件相关的多个层。该方法还包括在硅衬底的第一衬底表面上沉积锂基电池的多个电池层。锂基电池包括限定在多个电池层内并且接触第一衬底表面的阳极集流体和阴极集流体。该方法还包括在硅衬底中形成第一TSV以在阳极集流体和与集成电路的一个或多个电子部件相关的多个层之间提供电连接。第一TSV包括通过围绕第一导电沟道的第一绝缘层与硅衬底绝缘的第一导电沟道。该方法还包括在硅衬底中形成第二TSV以在阴极集流体和与集成电路的一个或多个电子部件相关的多个层之间提供电连接。第二TSV包括通过围绕第二导电沟道的第二绝缘层与硅衬底绝缘的第二导电沟道。
在另一方面，本公开描述了一种系统。该系统包括具有第一衬底表面和与第一衬底表面相对的第二衬底表面的硅衬底。该系统还包括耦合到第二衬底表面的一个或多个电子部件。该系统还包括锂基电池，具有沉积在硅衬底的第一衬底表面上的多个电池层，使得硅衬底配置为用于一个或多个电子部件和锂基电池的公共衬底。锂基电池包括限定在多个电池层内并且接触第一衬底表面的阳极集流体和阴极集流体。该系统还包括穿过硅衬底并在阳极集流体和与一个或多个电子部件相关的多个层之间提供电连接的第一TSV，以及穿过硅衬底并在在阴极集流体和与一个或多个电子部件相关的多个层之间提供电连接的第二TSV。该系统还包括具有一个或多个导电迹线的附加衬底，所述导电迹线通过导电粘合剂与一个或多个电子部件电连通。
前面的发明内容仅是说明性的，并不旨在以任何方式进行限制。除了以上描述的说明性方面、实施例和特征之外，通过参考附图和以下详细描述，本发明的其他方面、实施例和特征将变得显而易见。
附图说明
图1示出了根据示例实施方式的锂基电池。
图2示出了根据示例实施方式的共享具有集成电路层的公共衬底的锂基电池。
图3示出了根据示例实施方式的在充电期间锂基电池的膨胀。
图4示出了根据示例实施方式的集成电路层到附加衬底的电耦合。
图5示出了根据示例实施方式的可戴在眼上的设备。
图6示出了根据示例实施方式的可安装在身体上的设备。
图7是根据示例实施方式的用于制造具有用于电池和电子设备的公共衬底的装置的方法的流程图。
具体实施方式
以下详细描述参照附图描述了所公开的系统和方法的各种特征和功能。这里描述的说明性系统和方法实施例并不意味着是限制性的。可以容易地理解，所公开的系统和方法的某些方面可以以各种各样的不同配置进行布置和组合，所有这些都在本文中考虑。
此外，除非上下文另有说明，否则每个附图中示出的特征可以彼此组合使用。因此，应该将附图大致视为一个或多个总体实施方式的组成部分，并且理解并非所有示出的特征对于每个实施方式都是必需的。
另外，本说明书或权利要求书中的元素、框或步骤的任何列举是为了清楚的目的。因此，这种列举不应该被解释为要求或暗示这些元素、块或步骤遵循特定的安排或者以特定的顺序执行。
一、概述
可安装在身体上的电子设备的复杂性增加并且可以包括多个电子部件、传感器、收发器和一个或多个电池。本文公开的是涉及将电池与硅衬底的有源区域电连接和机械连接同时背向衬底的方法、装置和系统。这些方法、装置和系统进一步涉及共享公共衬底的电池和其他电子部件，以便降低装置制造的复杂性并减轻充电期间电池膨胀的影响。
特别地，电池可被制造在集成电路(IC)的背面上或者结合至其。因此电池可以共享IC的衬底而不是具有其自己的衬底。作为说明的示例，可以在硅衬底上制造互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片，该硅衬底也是可以用于制造固态锂电池的衬底。在该示例中，CMOS芯片和电池可以共享相同的衬底。然后电池的阳极和阴极集流体可以通过设置在衬底内的硅通孔(TSV)连接到芯片的电子部件。通常，TSV是穿过硅晶片或管芯的垂直电连接(通孔)。TSV提供了一种互连技术，用于替代引线键合和倒装芯片技术。
因此，电池可以与IC的其他部件共享公共衬底，并且可以使用TSV向部件供电。这种结构更高效，并且可以降低装置制造的复杂性和制造装置的组装步骤的数量，从而降低成本并提高制造良率。
二、示例装置
图1示出了根据示例实施方式的锂基电池100。更具体地，图1示出了锂基电池100的示例电池层。如图1所示，锂基电池100可以包括以下层：(1)衬底102(例如硅衬底)；(2)阴极集流体104；(3)阳极集流体106；(4)阴极108；(5)电解质110；(6)阳极112；和(7)包装(或保护涂层)114。这些材料和层仅是用于说明的示例。其他配置的电池层可用于锂基电池。
如上所述，为了降低装置的复杂性，锂基电池100可以与其他电子部件共享衬底102。例如，衬底102也可以是IC的衬底，其中电池层沉积在衬底102的表面116上，并且IC的电子部件的层沉积在相对的表面118上。这样的构造如图2所示。
图2示出了根据示例实施方式的与IC的层200共享衬底102的锂基电池100。如图2所示，IC的层200沉积在衬底102的表面118上。作为示例，层200可以与诸如传感器、天线、存储芯片等的电子部件相关。
如图1和2两者所示，阴极集流体104和阳极集流体106均被限定在锂基电池100的层内，并且配置为接触衬底102的表面116。第一TSV202穿过衬底102并配置为将阴极集流体104电连接到IC的层200。
TSV202包括由导电材料(例如金、镍等)制成的导电沟道204。导电沟道204通过围绕导电沟道204的绝缘层206(例如电介质材料)与衬底102绝缘。
类似地，第二TSV208穿过衬底102并配置为将阳极集流体106电连接到IC的层200。TSV208包括由导电材料制成的导电沟道210。例如，导电沟道210的导电材料可以类似于导电沟道204的导电材料。导电沟道210通过围绕导电沟道210的绝缘层212与衬底102绝缘。因此，锂基电池100和IC的层200共享相同的衬底102，并且锂基电池100通过使用TSV202和208向IC的电子部件供电。这种结构消除了具有用于锂基电池100的一个衬底和用于IC的另一衬底的冗余性，因此降低了制造电子设备的复杂性和成本。
此外，图2所示的配置可以减轻充电期间电池膨胀的影响。固态锂离子电池比如锂基电池100可被制造成使得当电池未充电时在电池中存在很少或没有元素锂。这在电池将被集成到进行进一步处理的另一设备中的情况下可能很有用。特别地，在包括暴露于氧气、湿气和/或热条件的进一步处理步骤中，锂的存在可能是不期望的。
然而，在充电期间，产生锂并且可以在电池的阳极和电解质之间电镀。此外，对锂基电池充电可能会在锂基电池内部产生压力和热量。锂的产生和/或压力和热量的产生或者其他因素可能会导致电池在充电过程中肿胀或膨胀。该膨胀会在锂基电池的结构中导致相当大的应力和应变。
图3示出了根据示例实施方式的在充电期间的锂基电池100的膨胀。如图3所示，将锂基电池100的层沉积在表面116上，使得由锂基电池100的膨胀引起的向外鼓起远离衬底102。因此，充电期间锂基电池100的膨胀可能不会影响或干扰锂基电池100或IC的操作，并且锂基电池100的结构可能不会受到应力。
三、示例系统
在示例中，图1-3中所示的装置可被集成到其他系统中。例如，IC和锂基电池100可以耦合到具有其他电子部件的其他装置。这些其他装置可以具有它们自己的衬底，并且IC的层200可以电耦合到另一装置的衬底。这样，锂基电池100和IC的电子部件可以与另一装置的电子部件电耦合。
图4示出了根据示例实施方式的将IC的层200耦合到附加衬底400。附加衬底400可以与具有诸如专用IC(ASIC)、传感器、其他电池、天线、芯片等的电子部件的其他结构或装置相关。附加衬底400例如可以由聚合材料(例如聚对二甲苯)制成。
附加衬底400可以具有一个或多个导电迹线，比如导电迹线402和404。导电迹线402和404可以配置为将电信号携带到与附加衬底400相关的电子部件(未示出)和从其携带。为了实现与IC的层200的电接触，导电迹线402和404可以经由导电粘合剂406耦合到层200。
粘合剂406可以采取多种形式。例如，粘合剂406可以采取施加到导电迹线402和404的膜的形式。在另一示例中，粘合剂406可以作为液滴施加到导电迹线402和404和/或耦合到层200的相应迹线(未示出)。在示例中，粘合剂406可以是柔性的以允许层200和附加衬底400之间的相对运动。然而，在其他示例中，粘合剂406可以是刚性的。
在一示例中，粘合剂406可以包括各向异性导电浆料(ACP)。ACP可以包括含有金属颗粒的基于环氧树脂的粘合剂。然而，在其他示例中，粘合剂406可以包括各向同性导电粘合剂材料，比如含有金属颗粒(例如银薄片)的聚合物材料。也可以使用其他粘合剂。
在具体示例中，附加衬底400可以嵌入可安装在身体上的装置中，比如眼镜可佩戴装置(即隐形眼镜)或任何其他可安装在身体上的传感平台。在这种情况下，附加衬底400可以代表可嵌入可安装在身体上的装置内的生物兼容衬底。
图5示出了根据示例实施方式的眼镜可佩戴装置500。如图5所示，层200、衬底102和锂基电池100耦合到的附加衬底400嵌入在眼镜可佩戴装置500内。虽然附加衬底400描绘为安装在眼镜可佩戴装置500的中心部分，但附加衬底400还可以安装在其他部分。另外，图5中的描绘并不意味着要按比例绘制。附加衬底400和附接到其上的其他部件可以具有比图5中所示的相对于眼镜可佩戴装置500的尺寸更小的尺寸。例如，尺寸可以足够小并且附加衬底400可以朝向眼镜可佩戴装置500的周边部分嵌入，以便不阻挡眼镜可佩戴装置500的佩戴者的视线。
在示例中，眼镜可佩戴装置500可以由聚合材料制成。例如，附加衬底400、层200、衬底102和锂基电池100可以由适于隐形眼镜环境的生物兼容材料制成。如图6所示，附加衬底400可以安装到身体的其他部分。
图6示出了根据示例实施方式的可安装在身体上的装置600。可安装在身体上的装置600可以例如安装在臂602或佩戴者身体的其他部分上。如图6所示，附加衬底400可被制成柔性衬底，并且可以安装到臂602的皮肤表面。传感器和相关的传感器探头可以安装到或设置在附加衬底400上或其内来检测皮肤的一种或多种生理特性。示例性生理特性包括皮肤内间质液中分析物的浓度。然后将传感器测量结果通过导电迹线402和404传送至与同锂基电池100(图6中未示出)共享衬底200的IC相关联的层200以进一步处理。
四、示例方法
图7是根据示例实施方式的用于制造具有用于电池和电子设备的公共衬底的装置的方法700的流程图。方法700可以包括如框702-710中的一个或多个所示的一个或多个操作或动作。虽然这些框以有序的顺序示出，但是这些框在一些情况下可以并行执行，和/或以与这里描述的顺序不同的顺序执行。此外，各个块可被组合成更少的块，被分成附加的块，和/或基于期望的实施方式被移除。
在框702处，方法700包括提供具有第一衬底表面和与第一衬底表面相对的第二衬底表面的硅衬底。如本文中关于硅衬底所使用的术语“提供”包括使硅衬底可供使用的任何动作，比如将硅衬底带到装置或工作环境以进一步处理硅衬底(例如用于在硅衬底上沉积层，将硅衬底耦合到另一部件等)。
根据与图1-6相关的讨论，硅衬底(比如衬底102)可以配置成具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。硅衬底可以配置为用于IC的电池和其他电子部件的公共衬底。在示例中，硅衬底可以包括玻璃陶瓷，以使硅衬底能够在方法700的进一步处理或操作期间承受热量。
在框704处，方法700包括在第二衬底表面上沉积与IC的一个或多个电子部件相关的多个层。与IC的电子部件相关的层(比如层200)可以沉积在硅衬底的第二表面上。电子部件可以包括传感器、收发器、天线等。电子部件的层可以使用微加工和/或制造技术来沉积，例如比如电镀、光刻、沉积和/或蒸发制造工艺等。可以根据使用光致抗蚀剂和/或掩模的图案来形成这些层，以特定布置图案化材料，从而形成导线、电极、电触点等。
在方法700的框706处，该方法包括在硅衬底的第一衬底表面上沉积锂基电池的多个电池层。锂基电池比如电池100可以包括多个层。示例性层包括阴极集流体、阳极集流体、阴极、电解质、阳极以及保护性封装或涂层。如关于图2所述，阳极集流体和阴极集流体可被限定在锂基电池的多个电池层内，并且可以配置为接触硅衬底的第一衬底表面(与电子部件的层相对)。
锂基电池可以是在充电期间经历肿胀或膨胀的类型。例如，在充电期间，产生锂并将其电镀在锂基电池的阳极和电解质之间。锂的产生或其他因素导致锂基电池肿胀或膨胀。该膨胀会在锂基电池的结构中导致相当大的应力和应变。将锂基电池的层沉积在硅衬底的第一表面上，使得由锂基电池的膨胀引起的向外鼓起远离硅衬底。以这种方式，在充电期间锂基电池的膨胀可能不会影响锂基电池或IC的操作或应力。
在方法700的框708处，包括在硅衬底中形成第一TSV，以提供阳极集流体和与IC的一个或多个电子部件相关的多个层之间的电连接，其中第一TSV包括通过围绕第一导电沟道的第一绝缘层与硅衬底绝缘的第一导电沟道。如上所述，TSV是穿过硅晶片或管芯的垂直电连接。
形成第一TSV可包括加工具有接近垂直侧壁的通道或中空管穿过硅衬底的厚度。可以将电介质膜施加到沟道的侧壁以形成第一绝缘层。电介质膜可以覆盖有导电金属和/或导电金属可以填充通道。导电金属因此可以形成第一导电通道，其在阳极集流体与IC的一个或多个电子部件的多个层之间建立电通路。其他制造技术也可用于形成第一TSV。
在方法700的框710处，包括在硅衬底中形成第二TSV，以提供阴极集流体和与IC的一个或多个电子部件相关的多个层之间的电连接，其中第二TSV包括通过围绕第二导电沟道的第二绝缘层与硅衬底绝缘的第二导电沟道。
在框708中描述的用于形成第一TSV的技术也可用于形成第二TSV，以在锂基电池的阴极集流体和与集成电路的电子部件相关的层之间建立电通路。
在示例中，方法700可以进一步包括将与IC的一个或多个电子部件相关的多个层耦合到可安装在身体上的装置的附加衬底。如关于图5和6所述，耦合可以包括将设置在附加衬底上的导电迹线电连接到IC的电子部件。例如，ACP可被施加到设置在附加衬底上的导电迹线和/或施加到IC的电子部件的相应导电迹线。当附加衬底耦合到电子部件时，ACP在其间提供导电通路。在示例中，ACP可以是含有金属颗粒的基于环氧树脂的粘合剂。然而，还可以使用其他各向同性或各向异性的粘合剂。
此外，如图5所示，可安装在身体上的装置可以是眼镜可佩戴的隐形眼镜。在其它实施方式中，例如如图6所示，可安装在身体上的装置可以采取其他形式，比如贴附皮肤的贴片。
五、结论
应该理解，这里描述的布置仅用于示例的目的。这样，本领域技术人员将会理解，可以替代地使用其它布置和其他元素(例如机器、接口、顺序和操作分组等)，并且根据期望的结果可以完全省略一些元素。
虽然本文已经公开了各个方面和实施方式，但对于本领域技术人员而言，其他方面和实施方式将是显而易见的。本文公开的各个方面和实施方式是用于说明的目的，并非旨在是限制性的，真正的范围由所附权利要求书指出，连同这些权利要求书授权的等同物的全部范围。还应该理解的是，这里使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而不旨在是限制性的。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
硅衬底，具有第一衬底表面和与所述第一衬底表面相对的第二衬底表面；
与集成电路的一个或多个电子部件相关的多个层，其中，所述多个层沉积在所述第二衬底表面上；
锂基电池，具有沉积在所述硅衬底的第一衬底表面上的多个电池层，其中，所述锂基电池包括限定在所述多个电池层内并接触所述第一衬底表面的阳极集流体和阴极集流体；
第一硅通孔(TSV)，穿过所述硅衬底并在所述阳极集流体和与所述集成电路的一个或多个电子部件相关的多个层之间提供电连接，其中，所述第一TSV包括第一导电沟道，其通过围绕所述第一导电沟道的第一绝缘层与所述硅衬底绝缘；以及
第二TSV，穿过所述硅衬底并在所述阴极集流体和与所述集成电路的一个或多个电子部件相关的多个层之间提供电连接，其中，所述第二TSV包括第二导电沟道，其通过围绕所述第二导电沟道的第二绝缘层与所述硅衬底绝缘。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述锂基电池是在充电期间经历膨胀的类型，其中，所述锂基电池的膨胀引起向外鼓起，并且其中，所述多个电池层沉积在所述第一衬底表面上，使得向外鼓起远离所述硅衬底。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述锂基电池包括至少一个阳极层和电解质层，并且其中，充电期间的膨胀至少部分是通过充电期间在所述阳极层和电解质层之间产生锂来引起的。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括：
附加衬底，具有经由导电粘合剂耦合到与集成电路的一个或多个电子部件相关的多个层的一个或多个导电迹线。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述导电粘合剂包括各向异性导电浆料(ACP)。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述ACP是包含金属颗粒的基于环氧树脂的粘合剂。
7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述附加衬底与眼镜可佩戴的隐形眼镜相关。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述集成电路包括互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片。
9.一种方法，包括：
提供具有第一衬底表面和与所述第一衬底表面相对的第二衬底表面的硅衬底；
在所述第二衬底表面上沉积与集成电路的一个或多个电子部件相关的多个层；
将锂基电池的多个电池层沉积在所述硅衬底的第一衬底表面上，其中，所述锂基电池包括限定在所述多个电池层内并接触所述第一衬底表面的阳极集流体和阴极集流体；
在所述硅衬底中形成第一硅通孔(TSV)，以在所述阳极集流体和与所述集成电路的一个或多个电子部件相关的多个层之间提供电连接，其中，所述第一TSV包括第一导电沟道，其通过围绕所述第一导电沟道的第一绝缘层与所述硅衬底绝缘；以及
在所述硅衬底中形成第二TSV，以在所述阴极集流体和与所述集成电路的一个或多个电子部件相关的多个层之间提供电连接，其中，所述第二TSV包括第二导电沟道，其通过围绕所述第二导电沟道的第二绝缘层与所述硅衬底绝缘。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述锂基电池是在充电期间经历膨胀的类型，其中，所述锂基电池的膨胀引起向外鼓起，并且其中，在所述第一衬底表面上沉积所述多个电池层使得向外鼓起远离所述硅衬底。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述锂基电池包括至少一个阳极层和电解质层，并且其中，充电期间的膨胀至少部分是通过充电期间在所述阳极层和电解质层之间产生锂来引起的。
12.根据权利要求9所述的方法，还包括：
将与所述集成电路的一个或多个电子部件相关的多个层耦合到可安装在身体上的装置的附加衬底。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述附加衬底包括一个或多个导电迹线，并且其中，所述耦合包括经由各向异性导电浆料(ACP)将所述一个或多个导电迹线耦合到所述多个层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述ACP是包含金属颗粒的基于环氧树脂的粘合剂。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述可安装在身体上的装置是眼镜可佩戴的隐形眼镜。
16.一种系统，包括：
硅衬底，具有第一衬底表面和与所述第一衬底表面相对的第二衬底表面；
耦合到所述第二衬底表面的一个或多个电子部件；
锂基电池，具有沉积在所述硅衬底的第一衬底表面上的多个电池层，使得所述硅衬底配置为用于所述一个或多个电子部件和锂基电池的公共衬底，其中，所述锂基电池包括限定在所述多个电池层内并接触所述第一衬底表面的阳极集流体和阴极集流体；
第一硅通孔(TSV)，穿过所述硅衬底并在所述阳极集流体和与所述一个或多个电子部件相关的多个层之间提供电连接，和第二TSV，穿过所述硅衬底并在所述阴极集流体和与一个或多个电子部件相关的多个层之间提供电连接；以及
具有一个或多个导电迹线的附加衬底，所述导电迹线通过导电粘合剂与所述一个或多个电子部件电连通。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述导电粘合剂包括含有金属颗粒的各向异性导电浆料(ACP)。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述第一TSV包括第一导电沟道，其通过围绕所述第一导电沟道的第一绝缘层与所述硅衬底绝缘，并且其中，所述第二TSV包括第二导电沟道，其通过围绕所述第二导电沟道的第二绝缘层与所述硅衬底绝缘。
19.根据权利要求16所述的系统，其中，所述附加衬底与眼镜可佩戴的隐形眼镜相关。
20.根据权利要求16所述的系统，其中，所述一个或多个电子部件包括集成电路。
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