CN112290073A - 用于制造包括多个微电子部件的三维器件的组装模具 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造三维器件的可重复使用的组装模具(500)，该三维器件包括竖直堆叠的多个微电子部件(300)，该组装模具包括主腔(501)，主腔由底部和侧壁形成并且被配置为容纳至少两个堆叠的基本结构，每个基本结构包括脆性衬底(200)，该脆性衬底由微电子部件(300)和布置在衬底边缘上的电触点(210)覆盖，组装模具(500)由可变形材料组成，其能够经受相对于其初始形状的10％‑1000％的非永久变形，优选地能够经受相对于其初始形状的50％‑200％的非永久变形，组装模具(500)还包括沿着主腔(501)的侧壁定位的间隙(510)，以有利于处理第一基本结构和/或第二基本结构和/或有利于沿着主腔(501)注入成分。

Description

用于制造包括多个微电子部件的三维器件的组装模具
技术领域
本发明总体上涉及微电子部件，尤其是锂微电池的竖直组装、封装和电互连领域。
本发明涉及用于制造包括竖直堆叠的多个微电子部件的三维器件的模具。
本发明还涉及用于制造这样的三维器件的方法。
本发明特别有益之处在于，其提供了一种用于竖直并且精确地组装布置在超薄衬底上的多个微电子部件的方法。除了所制成的组件具有良好的电化学性能之外，还实现了对微电子部件的完整封装，同时还提供了这些电子部件的简单电互连。此外，本发明可兼容与外部微电子电路相集成的步骤。
本发明可应用于许多工业领域，尤其是能源和多功能自含式系统领域。
背景技术
近年来，连接对象(或“物联网”，也称为IoT)正蓬勃发展。有时需要将这些对象与用于能量回收和储存的微电子器件相关联。为了能够与这些连接对象一起使用，这样的器件必须满足许多技术要求，诸如良好的电性能、非常合适的尺寸和减小的总体尺寸。特别地，在微电池的情况下，需要具有良好的电化学性能和非常大的容量的微电池，即，部件的表面容量与其体积比为高比率。
存在多种手段以便优化微电池的电化学性能：有源层的形状和尺寸(设计)、所使用的电极材料的性质、制造方法和包装技术。
相对于所谓的有源层(比如电极)，可以通过减小所谓的无源层的总体尺寸，尤其是减小封装层和互联层的总体尺寸来实现微电池的容量的优化。
现有技术的解决方案之一在于堆叠多个单元部件以便有利地解决这些问题，比如文件US 2017/0111994 A1和US 2009/0136839 A1中所描述的内容。单元微电池之间的电互连是通过穿过主衬底的每个角处所形成的通孔填充导电粘结剂来实现的。这些解决方案的主要缺点在于，在部件(角)的末端会产生脆性区域。对于所谓的超薄衬底(具有小于100μm，甚至小于50μm的厚度)而言，其表面积的尺寸小至毫米，这一缺点则是非常明显的。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于制造三维器件的方法，该三维器件包括竖直堆叠的多个微电子部件，即便对于超薄衬底，也具有强大的体积容量和良好的机械强度，用于容易且准确地堆叠微电子部件并且容易地执行这些部件的电互连。
为此，本发明提供了一种可重复使用的组装模具，以制造包括竖直堆叠的多个微电子部件的三维器件，该组装模具包括主腔，主腔由底部和侧壁形成并且被配置为容纳至少两个堆叠的基本结构(即，堆叠的至少第一基本结构和第二基本结构)，每个基本结构均包括脆性衬底，该脆性衬底覆盖有微电子部件和布置在衬底的边缘上的电触点，组装模具由可变形材料组成，其能够经受相对于其初始形状的10％-1000％的非永久变形，优选地能够经受相对于其初始形状的50％-200％的非永久变形。
组装模具还包括沿着侧壁定位的间隙，以有利于处理第一基本结构和/或第二基本结构，和/或有利于沿着腔注入成分(element)。这对于沿着基本结构形成电触点是特别有利的。
关于脆性指的是薄或超薄的衬底，即，具有小于100μm并且优选小于50μm的厚度的衬底。
组装模具是分隔的支撑件。模具的主腔用于定位和构架待堆叠的基本结构。模具底部具有与基本结构的衬底相同的形状和相同的尺寸，以便能够准确地堆叠基本结构并且竖直对齐它们的电触点。
利用这样的模具，微电子部件易于彼此堆叠，而不必求助于现有技术的定位和对准技术。
布置在模具的主腔中的基本结构可以容易地在衬底的边缘上并联或串联电连接，而不必在基本结构的衬底中形成通孔。两个以上的基本结构(例如4至7个基本结构)可以被定位在主腔中。
模具包括可拉伸材料，能够变形，其有利于定位基本结构和/或移除最终组件。它是可重复使用的。
有利地，模具由聚合材料组成，优选地是聚硅氧烷。这样的模具制造简单、快捷并且价格低廉。优选地选择聚二甲基硅氧烷(PDMS)。固化后，PDMS材料的聚合物链的柔性和活动性导致优异的弹性以及良好的撕裂强度，允许多次压缩和伸展运动。PDMS组装模具可以具有伸长率为120％且抗拉强度为约7.1Mpa的可变形性。利用该弹性特性有利于脱模步骤。
有利地，主腔底部具有方形的形状。
有利地，组装模具包括与主腔流体连通的额外的腔，其形成槽(tank)，特别地用于注入电绝缘胶粘剂。
本发明还涉及一种用于制造三维器件的方法，该三维器件包括竖直堆叠的多个微电子部件，该方法包括以下步骤：
a)提供第一基本结构和第二基本结构，每个基本结构包括衬底，该衬底具有第一主面和第二主面，衬底的第一主面覆盖有微电子部件和电触点，电触电布置在衬底的边缘上并且电连接至微电子部件，
b)提供比如先前所定义的组装模具，其包括主腔，主腔由底部和侧壁形成，并且被配置为容纳至少两个基本结构，该组装模具由可变形材料制成，能够经受相对于其初始形状的10％-1000％的非永久变形，优选地，能够经受相对于其初始形状的50％-200％的非永久变形，
c)将第一基本结构布置在组装模具的主腔内；
d)在第一基本结构和第二基本结构之间形成电绝缘粘结剂层；
e)将第二基本结构布置在组装模具的主腔内；
f)电连接第一基本结构和第二基本结构的电触点；
由此形成三维器件，其具有良好的机械强度，并且其微电子部件在基本结构的衬底的边缘处被电连接。
通过实施前述组装模具，该方法从根本上不同于现有技术的方法。与该组装模具相关联的优点与该方法的优点相同。
有利地，步骤d)、e)和f)按以下顺序执行：e)、d)然后执行f)，或者e)、f)然后执行d)。特别地，如果沿着腔存在两个间隙(一个用于形成电触点，并且一个用于注入绝缘胶粘剂)，那么实施步骤e)、f)和d)是有益的。
有利地，组装模具包括与主腔流体连通的额外的腔，形成槽，并且电绝缘粘结剂层是通过从该额外的腔在基本结构之间注入电绝缘粘结剂而形成的。
借助于电绝缘粘结剂将基本结构彼此机械地固定。
有利地，组装模具包括沿着主腔的侧壁定位、处于基本结构的电触点处的至少一个间隙，并且通过用导电成分填充间隙来执行步骤f)，由此电连接两个基本结构的电触点。
利用这样的方法，不需要在基本结构的衬底中制造通孔。所有基本结构的电触点例如通过分配导电粘结剂的技术来链接。有利地，基本结构的电互连是沿着基本结构的衬底的侧壁来进行的，而不是像现有技术的方法中的电互连那样穿过基本结构的衬底的侧壁来进行的。
在两个不同的步骤中执行电互连和机械固定的步骤防止了粘结剂之间在液态下的化学不相容性问题，该问题会恶化导电胶粘剂的导电性能。实际上，在含有金属夹杂物的导电粘结剂的情况下，它们可以被埋在更大的电绝缘基质中，其会影响通过渗入金属夹杂物而获得的导电性能。
布置隔间(间隙和槽)使得能够更好地引导流动的和多余的胶粘剂。
组装方法易于实施。基本结构的微电子部件，以及特别是微电池的含锂层借助于这种集成方法被有效地封装。
有利地，模具由聚硅氧烷组成，并且优选地是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。由于聚合物链与亲水性表面或产物的不相容性，这些材料对电绝缘和导电胶粘剂具有厌恶特性。最终组件易于从组装模具中移除。
相对于需要相对复杂和/或昂贵的设备用于处理部件以形成竖直堆叠的根据现有技术的方法而言，本方法易于实现。
实施根据本发明的方法所需的组装模具是便宜的元件，易于制造及使用。
通过前述方法获得的三维器件包括形成竖直堆叠的第一基本结构和第二基本结构，每个基本结构包括覆盖有微电子部件和电连至微电子部件的电触点的衬底，电绝缘粘结剂层布置在第一基本结构和第二基本结构之间，并且导电层沿着竖直堆叠来电连接第一基本结构和第二基本结构的电触点。
这样的器件可以包括4至7个竖直堆叠的基本结构。
所获得的器件具有良好的机械强度。
在该器件中，通过每个基本结构的不同级别的电触点之间的导电粘结剂点的连续性确保了不同阶段(stage)之间的电互连。因此，电连接位于组装的模块的侧面(flank)上，而非穿过衬底。然后，可以在模块的侧面上或者在组成堆叠的第一个或最后一个部件的表面上形成重新接触。
在这一器件中，减小了所谓的无源层的总体尺寸，特别是减小了封装层和互连层的总体尺寸：改进了容量(由微电子部件的表面容量与其体积之比来限定)。
借助于包含微电子部件的器件的小型化和紧凑化，此器件对于能量回收领域的应用特别有益。该器件可以包括多个相同或不同的微电子部件，例如与其他微电子器件(比如，电致变色系统或光伏电池)互连的微电池，以构成多功能自含式系统。
通过下面的附加描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。
当然，该额外的描述仅是为了说明本发明的目的而给出的，绝不应被解释为是对本发明目的的限制。
附图说明
参照附图，通过阅读对实施方式的示例的描述将会更好地理解本发明，实施方式的示例以纯粹指示性而非限制性目的的方式给出，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的具体实施例的微电池的剖面图，
图2示意性地示出了根据本发明的具体实施例的微电池的衬底的正面以及阴极和阳极触点的仰视图，
图3示意性地示出了根据本发明的具体实施例的刚性微结构化支撑件的剖面图，
图4示意性地示出了根据本发明的具体实施例的刚性微结构化支撑件的俯视图，
图5示意性地示出了根据本发明的具体实施例的组装模具的俯视图，
图6是根据本发明的具体实施例的聚合物材料的组装模具的照片图片，
图7a、图7b、图8、图9、图10和图11示意性地示出了根据本发明的不同实施例的用于制造竖直堆叠的微电子部件的组件的方法的不同步骤，
图12示出了通过根据本发明的具体实施例获得的竖直组件的由断层摄影显微镜拍摄的照片。
为了使附图更清晰，图中所示的不同部分不一定按统一比例绘制。
应当理解，不同的可能性(替代方案和实施例)不相互排斥并可以相互结合。
此外，在下文的说明书中，考虑到结构按照图中所示的方式来定向，因此，应用的是诸如“上方”、“下方”等取决于结构的方向的术语。
具体实施方式
在下文中，尽管描述的是微电池，而且更具体地是锂微电池，但是，该方法可以应用于封装和竖直组装其他微电子部件。
尽管绝不是限制性的，但是，本发明特别地适用于能源领域并且用于制造具有大容量的多功能自含式系统。
一种用于制造包括竖直堆叠的微电池的三维器件的方法，该方法包括以下步骤：
-制造微电池300，
-由刚性结构化支撑件400制造组装模具500，
-将微电池300定位在组装模具500中，
-形成再接触元件(element)320，
-封装微电池并且利用电绝缘层330机械地增强微电池模块，
-从组装模具500分离微电池模块。
步骤1：在衬底200上制造微电池300：
衬底200：
衬底200，也称为主衬底或支撑衬底，其是薄或超薄的，即，其具有小于100μm，并且优选地小于50μm的厚度。这样的厚度是为了满足容量增加的需求。
如图1中所示，衬底200包括第一主面201，其称为有源面(或正面)，其与第二主面202(称为背面)相对。衬底200还包括从第一主面201到第二主面的侧面。
衬底200可以具有不同的几何形状。例如，可以使用晶片型的圆形形状或片状形状(即，矩形形状)。
衬底有利地具有用于封装锂微电池所需的性能。它由具有水蒸气透过率(WVTR)和氧气透过率(OTR)阻隔水平分别最高为10-4g/m2/天和10-4cm3/m2/天的材料制成，以确保对空气和水蒸气具有足够的密封性能。
衬底200可以包括选自玻璃、(单晶或多晶)硅、陶瓷、云母和石英的材料。
优选地，衬底由玻璃组成。尽管存在由于堆叠微电池的有源层而引起的鲜明形貌，但是，这样的衬底仍与通过磨削减薄的方法相兼容。
玻璃可以是硼硅酸盐(诸如由
Figure BDA0002598995550000071
公司销售的
Figure BDA0002598995550000072
或
Figure BDA0002598995550000073
)、诸如无碱硼硅酸盐玻璃(
Figure BDA0002598995550000074
AF45、
Figure BDA0002598995550000075
Willow等)之类的硼硅酸盐衍生物或者例如由CorningLotusTM、
Figure BDA0002598995550000076
公司销售的硼铝硅酸盐玻璃(碱土硼铝硅酸盐)。这样的衬底完全适合于用于制造锂微电池的方法。
优选地，衬底200对于常规用于切割步骤的激光波长而言是透明的。关于透明指的是，衬底200允许由激光发射的光的至少50％通过。
微电子器件300：
至少一个微电子器件300布置在衬底200的第一主面201(有源面)上。微电子器件具有范围为5μm至30μm，并且优选地为10μm至15μm的厚度。
例如，微电子器件的外部尺寸为4mm×4mm。
衬底200的第一面201可以按顺序包括多个微电子器件300，例如通过微电子器件的串联或并联连接来提升电化学性能。微电子器件300可以是相同或不同的。
关于微电子器件，涉及的是微电子部件300，诸如微机电系统(MEMS)、微光机电系统MOEMS(MOEMS)、红外微传感器、晶体管、微电池、电容器、超电容器、光伏元件、天线或被认为用于制造连接对象所需的任何其他器件。
在下文中，虽然说明书涉及的是基本结构——微电池，而且更具体地是锂微电池，但是，本发明可转用于可以对空气(氧气和水蒸气)敏感的任何微电子器件300。例如，它可以是电容堆叠或者电致变色部件。
通过基本结构，本发明也可转用于微电子器件组。
如图1中所示，微电池300包括布置在衬底200上的阴极集流体301和阳极集流体302。
集流体301、302有利地是金属的。作为说明，它们可以是钛、金、铝、铂或钨。它们具有例如300nm的厚度。
集流体301、302电连接到电接触元件210，电接触元件210布置在衬底200上，并且更具体地在衬底的边缘上(图2)。因此，可以从衬底的侧面直接接近再接触元件。
存在所谓的阳极再接触元件和所谓的阴极再接触元件。
再接触元件可以在衬底200的第一面201上或第二面202上。再接触元件210的最大尺寸可以是几百微米。
根据另一替代实施例，集流体301、302形成再接触元件210。
两个有源层由电解质层305分隔开，这两个有源层一个形成负极303，另一个形成正极304。每个有源层303、304与集流体301、302中的一个相接触。
正极304(阴极)由具有良好的电子和离子导电性的材料(例如，硫氧化钛(TiOS)、二硫化钛(TiS2)、硫氧钛锂(LiTiOS)、二硫钛锂(LiTiS2)、二氧化钴锂(LiCoO2)、五氧化二钒V2O5等)组成。优选地选择氧化钴正极。这种类型的阴极被认为是微电池性能最好的层之一，同时又是在制造步骤期间受应力最大的层。实际上，一旦刚性衬底减薄，形成阴极层(热膨胀系数在10x10-6/℃至15x10-6/℃之间并且杨氏模量在100至500GPa之间)之后所产生的机械应力就可能影响刚性衬底的性能。
电解质305是具有高离子导电性的电绝缘体(例如，锂磷氧氮(LiPON)、锂磷氧氮硼(LiPONB)、锂硅碳氧氮(LiSiCON)等)。
负极303(阳极)是可以是金属锂或含锂材料的层。
可选地并且根据配置，有源层可以由主封装系统来保护，主封装系统由一个或多个基本阻挡层组成，该主封装系统的主要作用是在方法的不同阶段(phase)中保证微电池器件的完整性。
微电池将通过本领域技术人员已知的技术来制造。
步骤2：制造用于制造组装模具500的刚性结构化支撑件400：
此步骤独立于制造微电池的步骤(步骤1)。它可以在步骤1之前或之后进行。
图3和图4中所示的结构化支撑件400由刚性塑料材料组成。
支撑件400包括其熔化温度高于模具的熔化温度的材料。换句话说，支撑材料必须与用于固化模具的聚合材料的方法相兼容。例如，将选择具有耐受高于200℃的温度的耐热性的材料。
该材料优选地将选自金属、陶瓷、聚合物、介电材料或它们的混合物之一。通常，可以使用用于形成分隔区域的任何材料或材料的混合物。
举例而言，其可以选自聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、硅、石英、玻璃等的材料。
优选地，支撑件400由参考物为
Figure BDA0002598995550000091
所销售的聚四氟乙烯(PTFE)组成。
支撑件400具有覆盖有突出部403的平坦部401，突出部403形成从平坦部401突出的一个或多个区域。支撑件包括在外围上的突出边缘402。突出值根据待堆叠的基本结构的数量来设置，突出值在下文中限定模具的深度。举例而言，400μm的突起使得能够堆叠5个基本结构。
支撑件400可以例如通过机械加工、激光加工、物理加工或化学蚀刻技术来制造。
根据另一替代方案，它可以被热成形。
根据另一替代方案，通过将不同的元件402、403固定到平坦支撑件401以形成浮雕区域可以获得支撑件400。根据这一实施例，支撑件400的平坦基底401和浮雕元件402、403可以由相同或不同的材料组成。
支撑件400可以具有3mm至10mm的厚度，例如5mm。
根据图4中所示的特别有利的实施例，分隔区域410、420、421可以被引入支撑件的设计中。分隔区域尤其是支撑件中的凝固区域，因此将是模具中的凹陷区域。例如，分隔区域可以限定间隙、微腔，其用作连接到流动通道的微米尺寸槽(微型槽)，用于注入液体成分或诸如粘结剂之类的粘性成分，或者用于回收由组装方法产生的过量粘结剂。
将选择用于容易地制造模具400，特别是用于使液态的聚合物流动的支撑件400的结构化和/或纹理化。
取决于支撑件400的机械加工技术，尺寸误差可以被限制在几微米内。
步骤3：制造组装模具：
制造组装模具500是通过产生支撑件400的所谓的“阴性”复制品获得的(图5)。
模具500优选地由弹性材料组成。有利地，将选择有机聚合物。
用于制造组装模具500的方法优选地包括以下步骤：
-用液态聚合物填充刚性结构化支撑件400，
-使聚合物凝固，从而形成聚合物模具500。
根据特别有利的实施例，在将液态聚合物浇注到结构化支撑件400上之前，将其与交联剂相混合。然后，在热交联之后对整体进行加热以形成模具500。然后，将整体冷却至室温(通常为20至25℃)。
凝固步骤(也称为固化步骤)用于使包含容纳单元部件的隔室的聚合物材料的坚固模具500成形。
替代地，可以通过选择足以导致聚合物模具凝固的等待时间，在室温下执行凝固步骤。
然后，将模具从支撑件脱模。
有利地，将选择满足以下标准中的一个或多个标准的聚合物：对粘结剂的厌恶性、柔性、优选至多150℃并且优选至多200℃的耐热性。
聚合材料的模具一旦凝固和/或交联就可变形(图6)。关于可变形材料，其指的是能够经受相对于其初始形状的10％至1000％的非永久性变形，优选地能够经受相对于其初始形状的50％至200％的非永久性变形的材料。关于非永久性变形，其指的是在变形之后，它恢复到其初始形状。
有利地，聚合物是聚硅氧烷。例如，它在液态下具有低于20Pa.s的粘度。在此及下文中，粘度值是在25℃下给定的。这种材料是柔性的、可变形的并且对温度变化几乎不敏感。断裂伸长率可以超过100％，或者甚至可以达到约1000％的值，而拉伸强度可以在0.1MPa至20MPa的范围内。
举例而言，在聚硅氧烷家族中，可以选择作为有机矿物聚合物(即含有碳和硅的结构)的聚二甲基硅氧烷(称为PDMS，有时称为二甲基硅油)。一般地，液体状态下的聚二甲基硅氧烷由处于液体状态下的约5Pa.s的粘度来限定。交联后，PDMS模具的伸长率为120％，拉伸强度为约7.1MPa，耐热性高达200℃。有利地，PDMS紧密地贴合支撑件的掩模，而不会不可逆地结合至支撑件。
为了说明性而非限制性的目的，分隔模具400由道康宁(Dow Corning)公司销售的参考物为Sylgard184的产品来制造。
模具400也可以由Smooth-On公司销售的参考物为
Figure BDA0002598995550000111
的产品来制造。这些聚合物具有非常良好的弹性(断裂前的伸长率接近1000％并且拉伸强度低于2MPa)，并且在-53℃至232℃的温度范围内非常稳定。举例而言，可以提及参考物为
Figure BDA0002598995550000112
00-30的具有3Pa.s粘度的产品。有利地，成形这一弹性体之后，将在23℃下进行4小时的第一次退火操作并且在80℃下进行2小时的第二次退火操作。获得的模具具有900％的伸长率和高达232℃的耐温性，这使得可以使用绝缘和导电粘结剂来组装单元微电池，工作温度大于200℃并且小于232℃。
根据有利地替代方案，模具500也可以由聚酰亚胺组成，例如卡普顿
Figure BDA0002598995550000113
模具500包括一个或多个主腔501，取决于待堆叠的基本结构的尺寸和数量，主腔501可以具有相同的或不同的形状和尺寸(图5)。模具500中的主腔501的尺寸有利地对应于待组装的基本结构的外部尺寸。
每个腔501包括底部和侧壁。
有利地，一个或多个主腔501包括一个或多个间隙510。这些间隙510用于在组装期间控制粘结剂的流动。这是特别有利的，因为在组装的部件外部形成额外的非期望的粘结剂层会降低期间的电化学性能和/或产生短路。此外，间隙510还有利于处理基本结构。
特别地，在其底部为方形形状的主腔501的情况下，在方形形状的主腔501的四个角的每一个角处存在间隙510会有助于将基本结构的衬底200定位在组装模具500中。特别地，这些孔510有利于处理和定位非常薄的(通常具有小于100μm的厚度)方形形状的衬底200，这些衬底在角处具有脆性。
步骤4：将微电池300定位在组装模具500中：
模具的主腔501与待堆叠的基本结构的衬底之间的总体几何匹配有利于微电池300的对准(图7A)。一般地，取决于支撑件的机械加工技术(机械、激光、化学)，组件300在模具中的定位精度基本上可以在20至200μm之间变化。有利地，它小于50μm。
这一步骤使得能够获得微电池300的三维组件。关于三维组件，其指的是竖直叠加的多个单元微电池的堆叠。
在下文中，将描述五个相同的方形形状的单元微电池的并联连接。通过调节组装模具的几何尺寸，组装其他数量的具有方形形状或其他形状的单元元件是相当可行的。
为此，将包括微电池的基本结构定位到主腔501中(图7A和图7B)，即，使衬底200的正面201朝上，从而使衬底200的背面202朝向腔的底部，并且有利地，使电触点210可接近。
将不同的元件定位到模具500的主腔501中并且使其以很高的精度彼此对准(图8)。
可以通过手动或使用机器来处理单元元件。
通过简单的几何调整，单元元件紧密地配合主腔501的形状，而无需借助于复杂和/或昂贵的技术。
优选地，以所谓的从头至脚的配置来定位第五个也是最后一个基本结构，用于使微电池的金属集流体面向下面的基本结构微电池的金属集流体，同时实现并联连接(图9)。这样的配置通过在微电池模块的任一侧上存在两个耐水蒸气和抗氧化剂的衬底200而提供了对组装的微电池的模块的完全封装。因此，不同的有源层被封闭在堆叠层的第一基本结构的衬底和最后基本结构的衬底之间。
在替代实施方式中，微电池串联电连接。这些串联连接可以通过阴极集流体和阳极集流体之间的直接接触来进行。与并联连接不同，这一实施例使得能够调节微电池模块的输出电压。
根据预期的应用，互连多个单元电池是用于调节通过增加输出电压(其因此是串联连接)和/或放电容量(其因此是并联连接)而获得的系统的电力。也可以考虑在同一模具内的多种配置(串联和并联)。
步骤5：电连接微电池：
特别地，在这一组装步骤期间，将一侧上的不同的阳极触点与另一侧上的不同的阴极触点电连接，以实现并联模式的布置。
在基本结构的定位/对准操作之后，在电触点210处分配导电粘结剂或糊剂320(图7B和图8)。
替代地，可以在定位基本结构之前分配导电粘结剂320。
对于组装的四个单元元件，重复该定位基本结构以及分配导电粘结剂320的操作(图8)。
可以例如通过丝网印刷来沉积粘结剂。
有利地，在间隙510处积聚了可能过量的导电粘结剂320，其有利于对衬底的处理。
在定位了所有的单元微电池之后，对导电粘结剂320进行固化。例如，可以通过优选地在空气中将组件加热到80℃至180℃的温度来制造。
可选地，在导电粘结剂320的热退火期间施加机械抵接以更好地散布粘结剂点。一般地，交联步骤之后的导电粘结剂的厚度为20μm，并且粘结剂点具有0.0004Ω.cm的体积电阻率。
如此形成的在微电池的四个角处的导电粘结剂320的垫(图9)形成用于重新接触所制造的微电池的模块的区域，使得能够与外部电路集成。粘合垫的形状可以是规则的(方形、圆形、椭圆形、三角形)或随机的。
粘结剂例如是包含比如金属颗粒之类的导电颗粒的环氧粘结剂。例如，它是由Epoxy Technology公司销售的参考物为Epo-Tek H20E的粘结剂。这样的粘结剂具有低于4×10-4ohm.cm的体积电阻率。
还可以提及由汉高(Henkel)公司销售的参考物为Ablebond 84-1LMISR4、HysolQMI516E或由奇普奎克(Chipquik)公司销售的参考物为SMDLTLFP15T4。
可以使用单组分或双组分类型的粘结剂。
根据具体实施例，电触点的鲁棒性和质量通过导电元件来加强。例如，可以在电触点处添加金属棒。金属棒例如是由铜制成的。金属棒的直径可以为50μm。为了形成这样的加强件，可以在组装方法上游，将棒在间隙510处嵌入组装模具500中。这些金属棒因此与模具是一体的。当定位单元微电池时，它们被固定在导电粘结剂中。在组装方法结束时，可以降低金属棒的高度以与微电池模块的高度对齐。有利地，这些金属棒的存在允许使用通过焊接技术集成微电子器件的标准技术。
步骤6：机械加固微电池模块：
在这一步骤期间，加强了微电池模块的机械强度。
为此，优选地从储槽520并通过通道521将电绝缘粘结剂330插入电池间空间中(图10)。
电池的不同级别之间的间隔填充有绝缘粘结剂330，因此可以在确保物理分离的同时增强电池模块的机械鲁棒性。
将选择能够通过毛细作用填充每个电池级之间的空荡空隙的电绝缘粘结剂。它可以是环氧粘结剂。作为非限制性示例，可以提及由Epoxy Technology公司销售的参考物Epo-Tek 301-2和353ND的双组分粘结剂。按100比35的比例，这一参考物的两种组分的大量混合物产生粘度为0.3Pa.s的产品。也可以使用汉高公司销售的Loctite Eccobond E1216M粘结剂。还可以选择由汉高公司销售的粘结剂，比如Ablebond 8387BM或Hysol QMI536。
然后有利地执行空气退火。
根据另一替代实施例，进行通过热退火的单个固化步骤以同时交联导电粘结剂和电绝缘粘结剂。举例而言，将选择由汉高公司销售的成对导电粘结剂或绝缘粘结剂：Ablebond 84-1LMISR4/Ablebond 8387BM(在175℃下退火1小时)或Hysol QMI516E/HysolQMI536(在150℃下退火1小时)。
通常，可以在80℃至180℃的温度范围内监控电绝缘和/或导电粘结剂的固化条件，持续时间1分钟至1小时。
有利地，根据占据由微电池堆叠留下的电池间空间所必需的量对储存在槽520中的绝缘粘结剂的体积进行校准(图10)。例如，为确保20μm的层在4mm×4mm尺寸的电池之间均匀分布而估算的绝缘粘结剂的体积约为0.0013ml。
可以根据需要将单元电池之间的空荡空隙的填充操作重复多次。可以在用于再生绝缘粘结剂330的储存的方法期间填充专用槽520。
除了它们的主要作用(粘合和导电或绝缘)之外，粘结剂还有助于加强所获得的模块的密封性，尤其是含锂微电池对诸如氧气、氮气和水蒸气等大气元素的密封性。
电绝缘粘结剂的存在有利地使得能够实现水蒸气透过率率(WVTR)在10-4至10- 6g.m-2.d-1之间以及氧气透过率(OTR)在10-4和10-6cm-3.m-2.d-1之间的密封水平。
步骤5和6可以根据以下步骤连续地执行：形成电触点320并退火，然后沉积电绝缘粘结剂330并退火。
根据替代实施方式，可以切换步骤5和6的顺序：沉积电绝缘粘结剂330并退火，然后形成电触点320并退火。
有利地，将施加导电粘结剂320和绝缘粘结剂330的步骤分开旨在消除这两种粘结剂之间可能存在的化学不相容性。将根据其毛细作用来特别选择绝缘粘结剂(也称为“底部粘结剂”)。
根据另一替代实施例，步骤5和6根据以下步骤同时进行：沉积电绝缘粘结剂330并形成电触点320，然后退火。在这种情况下，在选择导电和绝缘粘结剂时必须特别小心，以防止可能导致导电性能下降的任何不相容现象。
根据另一替代实施例，在沉积电绝缘层330并对其进行退火之后，并且一旦器件脱离组装模具，就进行电互连。电绝缘粘结剂使组件固定，并使其在电互连期间更易于操作。
然而，可以根据模具、导电触点和电绝缘粘结剂的性质来修改退火轮廓。任选地，在热处理的上游施加机械力，以便绝缘和导电粘结剂在构成微电池模块的不同阶段之间的扩散均匀。在机械压力的作用下，这可能导致一部分粘结剂溢出。过量的粘结剂有利地在容纳微电池的主腔501的外围朝向组装模具500的(一个或多个)微槽520排放。
步骤7：分离组装模具500的组装的微电池300：
脱模步骤用于使微电池模块从组装模具隔离。
借助于组装模具500的厌恶性和可变形特性使得这一分离步骤成为可能。微电池模块的脱模优选通过剥离来完成。在这一步骤结束时，微电池模块已从其组装模具500中分离出来(图1)。
脱模可以通过手工或特定工具来执行。例如，可以通过收缩和松弛模具的一种或多种重复的机械操作来执行脱模。借助于弹性体材料在压缩和拉伸中的弹性和变形特性可以实现脱模方法的特征运动。因此，使用这些特性允许在保持模具完整性的同时轻松脱模。
在该方法结束时获得的组件可以被用于薄层具有简单封装(通常地厚度小于10μm的封装层)的器件中，这是因为不同的粘结剂允许确保非常高的密封水平。
有利地，模具500在该方法结束时不会劣化，并且可以被回收以用于新的用途，从而降低了组装操作的成本。
说明而非限制实施例的示例：
在这一示例中，微电子部件300是微电池。正极为20μm厚的二氧化钴锂(LiCoO2)层，在600℃退火10小时使LiCoO2材料正确结晶。电解质305是3μm厚的锂磷氧氮(LiPON)。负极303是50nm的硅层。
阴极和阳极集流体呈等腰三角形形状，其等边长为200μm。
支撑件400由聚四氟乙烯(PTFE)组成。它具有5毫米的厚度。通过铣削从支撑件400凹陷的材料，已经获得了相对于支撑件的底部深度为400μm的凹陷区域。固体区域403具有表面积为4.05mm×4.05mm的方形形状。
组装模具500由道康宁公司销售的具有粘度为3.5Pa.s的聚二甲基硅氧烷(PDMS)(Sylgard 184)组成。以液态的形式将PDMS弹性体浇注在支撑件400上，以填充空的区域。一旦将PDMS材料在150℃的温度下固化10分钟，就可以很容易地将其从支撑件400剥离。PDMS模具500对应于支撑件400的形貌复制品。这样制造的模具500(图6)是可变形的，其相对于它的初始值没有高达120％的拉伸和收缩破坏。它还可承受接近200℃的温度约十小时。
在这一示例实施例中，单元元件的定位的不精确度约为50μm。这一误差仅与通过机械铣削制造的支撑件400的制造技术有关。通过使用化学蚀刻技术或激光磨蚀技术制造裕度为约10μm的组装模具500，可以提高这一对准精度。
然后并行执行包括锂微电池的基本结构的三维组装，其外部几何尺寸为4mm×4mm。
举例而言，通过使用带有校准注射器的分配技术将1ml体积的Epo-Tek H20E粘结剂(环氧技术)分散在电触点210上。这一粘结剂具有3.2Pa.s的粘度。它是基于环氧树脂的，并且包含平均直径小于45μm银金属夹杂物。它是一种双组分粘结剂，其混合物质量比为1:1。
在分配粘结剂后，在空气中以150℃的温度进行10分钟的热处理。在导电粘结剂的热退火过程中应用机械基台(10g质量)，以便更好地分散粘合点。
用于填充电池间空间的电绝缘粘结剂是由环氧树脂技术公司(EpoxyTechnology)销售的Epo-Tek 301-2粘结剂。按100比35的比例，这一参考物的两种组分的大量混合物产生具有0.3Pa.S的粘度的产物。这一参考物的热交联轮廓需要在空气中在80℃的温度保持3小时时间。
脱模后，组件包括通过断层扫描显微镜观察的5个微电池(图12)。在5个单元微电池之间的不同界面清晰可见。

Claims (9)

1.一种能重复使用的组装模具(500)，其用于制造包括竖直堆叠的多个微电子部件(300)的三维器件，所述组装模具(500)包括由底部和侧壁形成的主腔(501)；
所述主腔(501)被构造成至少容纳第一基本结构和第二基本结构，所述第一基本结构和所述第二基本结构被堆叠；
每个基本结构包括脆性衬底(200)，所述脆性衬底覆盖有微电子部件(300)并且覆盖有布置在所述衬底(200)的边缘上的电触点(210)；
所述组装模具(500)由可变形材料组成，其能够经受相对于其初始形状的10％-1000％的非永久变形，优选地能够经受相对于其初始形状的50％-200％的非永久变形；
所述组装模具(500)还包括沿着所述主腔(501)的所述侧壁定位的间隙(510)，以有利于处理所述第一基本结构和/或所述第二基本结构，和/或有利于沿着所述主腔(501)注入成分。
2.根据权利要求1所述的组装模具，其中所述组装模具由聚合材料组成，优选地是聚硅氧烷。
3.根据前述权利要求中的一项所述的组装模具，其中所述主腔(501)的底部具有方形的形状。
4.根据前述权利要求中的一项所述的组装模具，其中所述组装模具(500)包括额外的腔(520)，所述额外的腔(520)形成槽，所述槽与所述主腔(501)流体连通(521)。
5.一种用于制造三维器件的方法，包括竖直堆叠的多个微电子部件(300)，所述方法包括以下步骤：
a)提供第一基本结构和第二基本结构，每个基本结构包括脆性衬底(200)，所述衬底具有第一主面(201)和第二主面(202)，所述衬底(200)的所述第一主面(201)覆盖有微电子部件(300)并且覆盖有电触点(210)，所述电触点布置在所述衬底(200)的边缘上并且电连接到所述微电子部件，
b)提供如权利要求1至4中的一项所限定的组装模具(500)，所述组装模具包括主腔(501)，所述主腔由底部和侧壁形成并且被配置为容纳至少两个基本结构，所述组装模具(500)由可变形材料组成以能够经受相对于其初始形状的10％至1000％的非永久性变形，优选地能够经受相对于其初始形状的50％至200％的非永久性变形，
c)将所述第一基本结构布置在所述组装模具(500)的所述主腔(501)内，
d)在所述第一基本结构上形成电绝缘粘结剂层(330)，
e)将所述第二基本结构布置在所述组装模具(500)的所述主腔(501)内，
f)电连接所述第一基本结构的电触点(210)和所述第二基本结构的电触点(210)，
由此形成三维器件，所述三维器件包括竖直堆叠的多个微电子部件(300)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中步骤d)、步骤e)和步骤f)按照以下顺序执行：步骤e)、步骤d)、然后步骤f)。
7.根据权利要求5所述的方法，其中步骤d)、步骤e)和f)按照以下顺序执行：步骤e)、步骤f)、然后步骤d)。
8.根据权利要求5至7中的一项所述的方法，其中所述组装模具(500)包括额外的腔(520)，所述额外的腔形成槽，所述槽与所述主腔(501)流体连通(521)，并且其中所述电绝缘粘结剂层(330)通过从所述额外的腔(520)在所述基本结构之间注入电绝缘粘结剂来形成。
9.根据权利要求5至8中的一项所述的方法，其中，所述组装模具(500)包括间隙(510)，所述间隙沿着所述主腔(501)的侧壁定位、处于所述基本结构的所述电触点(210)处，并且其中通过用导电元件(320)填充所述间隙来执行步骤f)，由此连接两个基本结构的所述电触点(210)。
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