DE102015104800A1

DE102015104800A1 - Lithium-Ionen-Batterie, integrierte Schaltung und Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Batterie

Info

Publication number: DE102015104800A1
Application number: DE102015104800.0A
Authority: DE
Inventors: Vijaye Kumar Rajaraman; Kamil Karlovsky; Thomas Neidhart; Karl Mayer; Rainer Leuschner; Christine Moser; Ravi Keshav Joshi; Alexander Breymesser; Bernhard Goller; Francisco Javier Santos Rodriguez; Peter Zorn
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2015-10-01
Also published as: US20150280288A1; CN104953166B; CN104953166A; US9917333B2

Abstract

Eine Lithium-Ionen-Batterie (2) umfasst ein erstes Substrat (100), das eine erste Hauptoberfläche (120) hat, und einen Deckel (200), der ein isolierendes Material umfasst. Der Deckel (200) ist an der ersten Hauptoberfläche (120) des ersten Substrates (100) angebracht, und ein Hohlraum (252) ist zwischen dem ersten Substrat (100) und dem Deckel (200) gebildet. Die Lithium-Ionen-Batterie (2) umfasst weiterhin ein elektrisches Zwischenverbindungselement (230) in dem Deckel (200), wobei das elektrische Zwischenverbindungselement (230) eine elektrische Verbindung zwischen einer ersten Hauptoberfläche (210) und einer zweiten Hauptoberfläche (220) des Deckels (200) vorsieht. Die Lithium-Ionen-Batterie umfasst weiterhin einen Elektrolyten (130) in dem Hohlraum (252), eine Anode (11) an dem ersten Substrat (100), wobei die Anode eine Komponente umfasst, die aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, und eine Kathode (12) an dem Deckel (200).

Description

HINTERGRUND
Mit dem zunehmenden Gebrauch von tragbaren elektronischen Vorrichtungen, wie Notebooks, tragbaren bzw. Mobiltelefonen, Kameras und anderen Geräten und mit dem anwachsenden Einsatz von stromgetriebenen Automobilen haben Lithium-Ionen-Sekundärbatterien mit hoher Energiedichte eine anwachsende Aufmerksamkeit als Energiequelle auf sich gezogen.
Weiterhin werden Anstrengungen unternommen, um Halbleitervorrichtungen oder auf Halbleiter beruhende Vorrichtungen vorzusehen, die eine integrierte Energiequelle haben.
Lithium-Ionen-Sekundärbatterien umfassen typischerweise eine Kathode mit einem Lithium enthaltenden Übergangsmetalloxid oder dergleichen, einer typischerweise aus einem Kohlenstoffmaterial hergestellten Anode und einen ein Lithiumsalz enthaltenden nicht-wässrigen Elektrolyten, sowie einen Separator bzw. einer Trenneinheit, der bzw. die zwischen der Anode und der Kathode gelegen ist.
Um den zunehmenden Anforderungen an Kapazität und Betriebsverhalten bzw. Performance zu genügen, sind neue Konzepte für Lithiumbatterien wünschenswert, die in einer einfachen Weise hergestellt werden können.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lithium-Ionen-Batterie, eine integrierte Schaltung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Batterie anzugeben, die jeweils den obigen Forderungen genügen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Lithium-Ionen-Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. eine integrierte Schaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Lithium-Ionen-Batterie ein erstes Substrat, das eine erste Hauptoberfläche und einen Deckel hat, welcher ein isolierendes Material umfasst. Der Deckel ist an der ersten Hauptoberfläche des ersten Substrates angebracht bzw. befestigt, und ein Hohlraum bzw. eine Kavität ist zwischen dem ersten Substrat und dem Deckel definiert. Die Lithium-Ionen-Batterie umfasst weiterhin ein elektrisches Zwischenverbindungselement in dem Deckel, wobei das elektrische Zwischenverbindungselement eine elektrische Verbindung zwischen einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche des Deckels vorsieht. Zusätzlich umfasst die Lithium-Ionen-Batterie einen Elektrolyten in dem Hohlraum, eine Anode an dem ersten Substrat, wobei die Anode eine Komponente aufweist, die aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, und eine Kathode an dem Deckel.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst eine integrierte Schaltung eine Lithium-Ionen-Batterie und integrierte Schaltungselemente. Die Lithium-Ionen-Batterie umfasst ein erstes Substrat, das eine erste Hauptoberfläche hat, einen Deckel, der ein isolierendes Material aufweist, wobei der Deckel an der ersten Hauptoberfläche des ersten Substrates angebracht bzw. befestigt ist, und ein Hohlraum bzw. eine Kavität ist zwischen dem ersten Substrat und dem Deckel definiert. Die Lithium-Ionen-Batterie umfasst weiterhin ein elektrisches Zwischenverbindungselement in dem Deckel, wobei das elektrische Zwischenverbindungselement eine elektrische Verbindung zwischen einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche des Deckels vorsieht. Die Lithium-Ionen-Batterie umfasst weiterhin einen Elektrolyten in dem Hohlraum, eine Anode an dem ersten Substrat, wobei die Anode eine Komponente umfasst, die aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, und eine Kathode an dem Deckel.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Batterie ein Bilden eines elektrischen Zwischenverbindungselementes in einem Deckel, der ein isolierendes Material aufweist, wobei das elektrische Zwischenverbindungselement eine elektrische Verbindung zwischen einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche des Deckels vorsieht. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Bilden einer Kathode an dem Deckel, ein Bilden einer Anode an einer ersten Hauptoberfläche eines ersten Substrates, wobei die Anode eine Komponente umfasst, die aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist. Ein Bilden der Kathode oder ein Bilden der Anode umfasst ein Definieren eines Hohlraums. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Füllen eines Elektrolyten in dem Hohlraum und ein Anbringen bzw. Befestigen des Deckels an der ersten Hauptoberfläche des ersten Substrates.
Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung zu liefern, und sie sind in die Offenbarung der Erfindung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von den Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander. Gleiche Bezugszeichen geben entsprechend ähnliche Teile an.
1 veranschaulicht eine Schnittdarstellung einer integrierten Schaltung einschließlich einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2A bis 2C veranschaulichen Elemente eines Verfahrens zum Herstellen einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2D und 2E veranschaulichen allgemeine Modifikationen bzw. Abwandlungen der Batterie.
3A bis 3C veranschaulichen Schritte eines Verfahrens zum Herstellen einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel.
4 zeigt eine Schnittdarstellung einer integrierten Schaltung einschließlich einer Batterie gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
5A bis 5F veranschaulichen Schritte zum Herstellen einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel.
6 zeigt eine Schnittdarstellung einer integrierten Schaltung einschließlich einer Batterie gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
7A bis 7F veranschaulichen ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
8 veranschaulicht ein allgemeines Verfahren zum Herstellen einer Batterie.
DETAILBESCHREIBUNG
In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgebildet werden kann. In dieser Hinsicht wird eine Richtungsterminologie, wie "Oberseite", "Boden", "Vorderseite", "Rückseite", "vorne", "hinten" und so weiter im Hinblick auf die Orientierung der gerade beschriebenen Figuren verwendet. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen der Erfindung in einer Anzahl von verschiedenen Orientierungen positioniert werden können, wird die Richtungsterminologie für Zwecke der Darstellung benutzt und ist in keiner Weise begrenzend. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem durch die Patentansprüche definierten Bereich abzuweichen.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht begrenzend. Insbesondere können Elemente von im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von verschiedenen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
Die Begriffe "Wafer", "Substrat" oder "Halbleitersubstrat", die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können irgendeine auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie Silizium, Silizium-auf-Isolator (SOI), Silizium-auf-Saphir (SOS), dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Schichten von durch eine Basishalbleiterunterlage gelagertem bzw. getragenem Silizium und andere Halbleiterstrukturen umfassen. Der Halbleiter braucht nicht auf Silizium zu beruhen. Der Halbleiter kann ebenso Silizium-Germanium, Germanium oder Galliumarsenid sein. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) das Halbleitersubstratmaterial bilden.
Die in dieser Beschreibung verwendeten Begriffe "gekoppelt" und/oder "elektrisch gekoppelt" sollen nicht bedeuten, dass die Elemente direkt zusammen gekoppelt sein müssen – vielmehr können dazwischenliegende Elemente zwischen den "gekoppelten" oder "elektrisch gekoppelten" Elementen vorgesehen sein. Der Begriff "elektrisch verbunden" soll eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den elektrisch miteinander verbundenen Elementen beschreiben.
Die Begriffe "lateral" und "horizontal", wie diese in der vorliegenden Beschreibung verwendet sind, sollen eine Orientierung parallel zu einer ersten Oberfläche eines Halbleitersubstrates oder eines Halbleiterkörpers beschreiben. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder einer Die bzw. eines Chips sein.
Der Begriff "vertikal", wie dieser in der vorliegenden Beschreibung verwendet ist, soll eine Orientierung beschreiben, die senkrecht zu der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrates oder Halbleiterkörpers angeordnet ist.
1 zeigt eine Schnittdarstellung einer integrierten Schaltung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die integrierte Schaltung 1 umfasst eine Batterie 2 und integrierte Schaltungselemente 140. Die in 1 gezeigte Lithium-Ionen-Batterie 2 umfasst eine Anode 11, eine Kathode 12, einen Elektrolyten 130 und ein Gehäuse, das ein erstes Substrat 100, einen Deckel 200 und ein Verbindungs- bzw. Bondglied 225 aufweist.
Die Anode 11 umfasst ein Halbleitermaterial. Beispielsweise kann die Anode 11 ein Siliziummaterial aufweisen das monokristallin, polykristallin oder amorph sein kann. Das Siliziummaterial kann mit irgendeinem Dotierstoff dotiert sein, der gewöhnlich verwendet werden, wie beispielweise Bor (B), Arsen (As), Phosphor (P), Antimon (Sb), Gallium (Ga), Indium (In) oder Selen (Se). Die aktive Siliziumoberfläche der Anode 11 kann planar oder gemustert bzw. strukturiert sein. Beispielsweise können dreidimensionale Strukturen, wie Trenches bzw. Gräben, Pyramiden und Säulen in der Oberfläche der Anode gebildet sein. Eine dünne Metallschicht (nicht gezeigt) kann über der Oberfläche der Anode 11 gebildet sein, wobei die dünne Metallschicht den Elektrolyten 130 kontaktiert. Beispielsweise kann die Metallschicht Silber (Ag), Aluminium (Al), Gold (Au), Palladium (Pd) oder Platin (Pt) umfassen. Metalle, die eine Legierung mit Lithium bilden, können verwendet werden. Weitere Beispiele umfassen Zn Cd, B, Ga, In, Th, C, Si, Ge, Sn, Pd, As, Sb, Bi, Se und Te. Eine Dicke der Metallschicht kann kleiner sein als 100 nm und mehr betragen als 1 nm. Wenn eine Ag-Metallschicht angewandt wird, wird daher eine Ag-Li-Legierung an der Oberfläche der Anode 11 gebildet, bevor das Si-Material mit Lithium geladen wird, so dass sich die Li-Ionen zu der Si-Anode in einer homogenen Weise bewegen. Weiterhin wird aufgrund der Legierungsschicht die Bildung der nativen SiO₂-Schicht auf der Anodenoberfläche verhindert, so dass der Transport von Ionen weiter gesteigert wird. Zusätzlich wird der Einbau bzw. die Aufnahme von Li-Atomen in die Si-Anode in einer homogeneren Weise erreicht, so dass das Betriebsverhalten bzw. die Performance einer Lithium-Ionen-Batterie verbessert ist. Aufgrund des Vorhandenseins der dünnen Metallschicht wird die mechanische Stabilität der Elektrode während eines Ladens und eines Entladens gesteigert. Wie klar zu verstehen ist, kann die Anode aus Silizium ohne das Vorhandensein der dünnen Metallschicht hergestellt werden.
Die Kathode 12 kann aus einem oder mehreren Kathodenmaterialien 215 bestehen. Hinsichtlich eines Kathodenmaterials 215 können allgemein bekannte Materialien verwendet werden, die in Lithium-Ionen-Batterien benutzt werden, wie beispielsweise LiCoO₂, LiNiO₂, LiNi_1-xCo_xO₂, Li(NiO_0,85Co_0,1Al_0,05)O₂, Li(Ni_0,33Co_0,33Mn_0,33)O₂, LiMn₂O₄-Spinell und LiFePO₄. Die Materialien, die die Kathode bilden, können als eine Schicht ausgestaltet sein, die über einem geeigneten Substrat oder einem isolierenden Träger gebildet ist.
Der Elektrolyt 130 kann Elektrolyten umfassen, die allgemein für Lithiumbatterien verwendet sind, wie beispielsweise LiPF₆, LiBF₄ oder Salze, die nicht Fluor umfassen, wie beisielweise LiPCl₆, LiCl₄, in wasserfreien aprotischen bzw. protonenfreien Lösungsmitteln, wie Propylen-Carbonat, Dimethyl-Carbonat oder 1,2-Dimethoxymethan, Ethylen-Carbonat, Diethyl-Carbonat und andere, Polymere, beispielsweise Polyvinyliden-Fluorid (PVDF) oder andere Polymere, feste Elektrolyte, wie Li₃PO₄N und andere. Beispielsweise können flüssige Elektrolyten verwendet werden, z.B. Elektrolyten, die nicht hohen Temperaturen, die höher sind als 80°C, widerstehen. Wie klar zu verstehen ist, können auch feste oder flüssige Elektrolyten, die Temperaturen höher als 80°C aushalten bzw. diesen widerstehen, verwendet werden. Wie aus der folgenden Beschreibung offenbar wird, können, falls fluorfreie Salze und fluorfreie Lösungsmittel als Elektrolyten verwendet werden, Probleme vermieden werden, wenn das Gehäuse der Lithium-Ionen-Batterie Komponenten umfasst, die aus Glas hergestellt sind.
Das Separator- bzw. Trennelement 135 trennt räumlich und elektrisch die Anode 11 und die Kathode 12 voneinander.
Das Separatorelement 135 sollte für die Ionen durchlässig bzw. permeabel sein, so dass eine Umwandlung der gespeicherten chemischen Energie in elektrische Energie vorgenommen werden kann. Beispiele des Materials des Separatorelementes 135 umfassen Vliesstoff, der aus Materialien wie beispielsweise Fiberglas, Polyethylen oder mikroporöse Materialien hergestellt ist. Weiterhin können Membrane verwendet werden, die aus einer mikroporösen Schicht hergestellt sind, welche mehrere Lagen aufweisen kann. Weitere Beispiele umfassen Vliesstoff, der mit einem keramischen Material beschichtet ist. Wie klar zu verstehen ist, kann auf das Separatorelement 135 verzichtet werden.
Die Batterie 2 kann eine wiederaufladbare oder Sekundär-Lithium-Ionen-Batterie sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Batterie eine Primärbatterie sein, die nicht wiederaufladbar ist. Die in 1 gezeigte Batterie 2 hat eine verbesserte Kapazität für eine Energiespeicherung, da Silizium eine große Kapazität für den Einbau bzw. Aufnahme oder Einfügung von Lithium hat. Mit anderen Worten, die Menge an Lithiumatomen, die in Silizium gespeichert oder eingebaut bzw. eingeführt werden kann, ist viel größer als in herkömmlichen Fällen. Da, wie weiter unten näher erläutert werden wird, das erste Substrat ein Halbleitermaterial umfassen kann, können allgemeine Halbleiterverarbeitungsmethoden verwendet werden. Insbesondere können Methoden bzw. Verfahren zum Herstellen von miniaturisierten Abmessungen bzw. Größen wirksam zum Herstellen einer Batterie angewandt werden, die im Vergleich mit herkömmlichen Batterien eine kleine Abmessung bzw. Größe hat. Weiterhin können Komponenten von integrierten Schaltungen einfach mit der Batterie 2 integriert werden.
Die in 1 gezeigte Batterie 2 umfasst ein erstes Substrat 100 mit einer ersten Hauptoberfläche 120. Die Batterie umfasst weiterhin einen Deckel 200, der ein isolierendes Material aufweist. Der Deckel 200 ist an der ersten Hauptoberfläche 120 des ersten Substrates 100 angebracht bzw. befestigt. Ein Hohlraum bzw. eine Kavität 252 ist zwischen dem ersten Substrat 100 und dem Deckel 200 definiert. Die Batterie umfasst weiterhin ein elektrisches Zwischenverbindungselement 230 in dem Deckel 200. Das elektrische Zwischenverbindungselement 230 sieht eine elektrische Verbindung zwischen einer ersten Hauptoberfläche 210 und einer zweiten Hauptoberfläche 220 des Deckels 200 vor. Die Batterie umfasst weiterhin einen Elektrolyten, der in dem Hohlraum 252 angeordnet ist. Die Anode 11 der Batterie ist an dem ersten Substrat 100 gebildet, und die Kathode 12 ist an dem Deckel 200 gebildet. Beispielsweise kann der Hohlraum 252 eine Aussparung 253 aufweisen, die in dem Deckel gebildet ist.
Beispielsweise kann das elektrische Zwischenverbindungselement durch ein oder mehrere Durchgangs- bzw. Vialöcher gestaltet werden, die in dem Deckel 200 angeordnet sind. Beispielsweise kann sich das Vialoch von der ersten Hauptoberfläche 210 zu der zweiten Hauptoberfläche 220 des Deckels 200 erstrecken. Das Vialoch kann mit einem leitenden Material, beispielsweise einem Metall, z.B. Wolfram, oder einem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Polysilizium, gefüllt sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann irgendeine Art einer leitenden Struktur in den Deckel 200 eingebettet sein. Beispielsweise kann ein Teil eines weiteren Substrates, das aus einem leitenden Material oder einem Halbleitermaterial hergestellt ist, in dem Deckel eingebettet sein. Aufgrund des Merkmales, dass das elektrische Zwischenverbindungselement in dem Deckel angeordnet ist oder einen Teil des Deckels bildet, kann ein vertikaler Kontakt in einer einfachen und kompakten Weise gestaltet werden.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst das elektrische Zwischenverbindungselement 230 ein zentrales Vialoch 230a und weitere Vialöcher 230b, 230c, die an entgegengesetzten Seiten des zentralen Vialoches 230a angeordnet sind. Weiterhin kann in einer Ebene vor und hinter der Zeichenebene der Figur eine Vielzahl von Vialöchern vorhanden sein. Das elektrische Zwischenverbindungselement 230 ist an einer Position vorgesehen, um sicherzustellen, dass die Kathode 12 elektrisch von der Anode 11 isoliert ist. Aufgrund des Vorhandenseins des elektrischen Zwischenverbindungselementes können elektrische Kontakte zu der Batterie einfach erzielt werden. Beispielsweise kann das elektrische Zwischenverbindungselement durch Ätzen von Vialöchern in dem Deckel, gefolgt durch Methoden wie Siebdrucken oder Tintenstrahldrucken, gebildet werden. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das elektrische Zwischenverbindungselement durch Einprägen bzw. Prägen eines leitenden Materials im Glas gebildet werden, indem beispielsweise eine Halbleiterpräge- oder Metallprägemethode verwendet wird. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das elektrische Zwischenverbindungselement gebildet werden, indem ein Rückfluss- bzw. Reflowprozess von Glas auf einem leitenden Material durchgeführt wird. Dadurch kann die vertikale Zwischenverbindung der Batterie vorgesehen werden. Gemäß einer weiteren Abwandlung bzw. Modifikation kann der Deckel aus einem leitenden Material oder einem Halbleitermaterial sein. In diesem Fall kann das elektrische Zwischenverbindungselement von dem Deckel isoliert sein, indem beispielsweise ein geeignetes isolierendes Material verwendet wird.
Der Deckel 200 ist an dem ersten Substrat mittels Verbindungsglieder bzw. Bondglieder 225 angebracht bzw. befestigt. Die Verbindungsglieder 225, die durch einen UV-härtbaren oder thermisch härtbaren Klebstoff ausgeführt sein können, liefern eine Abdichtung der Batterie. Im Allgemeinen kann die Zuverlässigkeit dieser Abdichtung gesteigert werden, indem beispielsweise die Breite des Verbindungsgliedes 225 in einer Richtung parallel zu der ersten Hauptoberfläche 120 des Substrates 100 vergrößert wird. Die in 1 gezeigte integrierte Schaltung umfasst weiterhin einen Dünnfilmüberzug bzw. -mantel 240, der isolierend oder leitend sein kann und der einen Verbindungsteil zwischen dem ersten Substrat 100 und dem Deckel 200 abdichtet. Beispielsweise kann der Dünnfilmüberzug aus Al, Cu, Ni oder einer dielektrischen Schicht hergestellt sein oder diese umfassen. Die Dicke des Dünnfilmüberzuges hängt von dem Material ab. Beispielsweise kann der Dünnfilmüberzug eine Dicke von 10 bis 500 nm haben. Gemäß weiteren Gestaltungen kann der Dünnfilmüberzug ein Dichtband oder ein anderes geeignetes Polymer umfassen. Aufgrund des Vorhandenseins des Dünnfilmüberzuges 240 kann die Zuverlässigkeit der Abdichtung des Verbindungsteiles gesteigert werden, ohne die Breite des Verbindungsgliedes 225 zu erhöhen, was in einer reduzierten Größe bzw. Abmessung der Batterie resultiert. Weiterhin kann ein UV-härtbarer oder thermisch härtbarer Klebstoff, der geringere Abdichtungseigenschaften hat, verwendet werden, wenn ein Dünnfilmüberzug 240 über der Batterie gebildet wird, während die geforderte Abdichtungseigenschaft gewährleistet ist.
Komponenten 140 der integrierten Schaltung, wie beispielsweise leitende Leitungen, Transistoren, Widerstände, Schalter und andere Bauteile können benachbart zu bzw. angrenzend an die zweite Hauptoberfläche 110 des Substrates 100 angeordnet sein. Gemäß weiteren Gestaltungen können diese Komponenten an den beliebigen Positionen gelegen sein. Somit kann eine integrierte Schaltung 1 die Batterie und Komponenten 140 einer integrierten Schaltung umfassen.
Ein Verfahren zum Herstellen der in 1 gezeigten Batterie wird im Folgenden erläutert, wobei auf die 2A bis 2C Bezug genommen wird.
Elektrische Zwischenverbindungselemente 230a, b, c sind in einem Träger gebildet, um einen Deckel 200 zu bilden. Der Träger kann aus einem isolierenden Material, wie Glas oder Polymer, hergestellt sein, das für UV-Licht transparent sein kann. Dennoch kann der Träger aus irgendeinem anderen geeigneten Material hergestellt sein.
Beispielsweise kann ein Bilden der elektrischem Zwischenverbindungselemente durch Bilden von Vialöchern in dem Träger, z.B. durch Ätzen, und Füllen der Vialöcher mit einem leitenden Material vorgenommen werden. Beispielsweise kann dies mittels Siebdrucken, Tintenstrahldrucken, einem CVD-("chemisches Dampfabscheidungs"-)Verfahren, Galvanisieren, chemische Abscheidung bzw. stromloses Galvanisieren oder irgendein anderes geeignetes Verfahren, das von einem Halbleiterprozessieren bekannt ist, vorgenommen werden. Gemäß einer weiteren Gestaltung kann ein leitendes Material, das aus einem Metall oder einem Halbleitermaterial hergestellt sein kann, in Glas geprägt werden. Gemäß diesem Verfahren werden die leitenden Elemente in dem Träger gepresst, der auf einer Temperatur oberhalb des Glasübergangspunktes gehalten ist, so dass die leitenden Elemente in den Träger inkorporiert bzw. aufgenommen werden können. Gemäß einer weiteren Gestaltung kann das Trägermaterial auf ein leitendes Material rückgeflossen werden.
Dann wird zum Bilden der Kathode 12 ein Teil einer Kathodenmaterialschicht 215 auf der ersten Hauptoberfläche 210 des Trägers, der ein isolierendes Material umfasst, gebildet. Die Kathodenmaterialschicht 215 ist aus einem Material hergestellt, das geeignet ist, um eine Kathode einer Batterie zu bilden. Beispiele des Metalls umfassen irgendeines der oben erwähnten Materialien. Die Kathodenmaterialschicht 215 wird gemustert bzw. strukturiert, indem gewöhnlich bekannte Techniken verwendet werden, wie beispielsweise fotolithographische Methoden und anderes. Beispielsweise kann die Dicke der Kathodenmaterialschicht 215 100 bis 300 µm sein. Gemäß einer weiteren Gestaltung kann die Kathode 12 durch Anwenden einer leitenden Paste oder Tintenstrahldrucken gebildet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine dünne leitende oder Metallschicht 214 zwischen der Kathodenmaterialschicht 215 und dem elektrischen Zwischenverbindungselement 230 gebildet werden. Beispielsweise kann diese dünne leitende oder Metallschicht 214 durch allgemein verwendete Prozesse gebildet werden. Die Metallschicht 214 kann eine Dicke von 100 bis 1000 nm haben. Der Träger kann den Deckel 200 der prozessierten Batterie oder integrierten Schaltung bilden.
Danach wird eine Rückseitenmetallisierung 240 auf der zweiten Hauptoberfläche 220 des Deckels 200 gebildet. 2A zeigt ein Beispiel einer sich ergebenden Struktur.
Verbindungsglieder 225 werden auf der ersten Hauptoberfläche 210 des Deckels 200 verbunden bzw. gebondet. Beispielsweise kann das Verbindungsglied 225 einen UV-härtbaren Klebstoff oder einen thermisch härtbaren Klebstoff umfassen, der z.B. ein Polymer, das bei erhöhten Temperaturen, wie beispielsweise 60°C, gehärtet werden kann. Beispielsweise kann das Verbindungsglied 225 mittels einer lithographischen Methode, einer Tintenstrahldruck- oder Siebdruckmethode oder durch Dosieren bzw. Dispensieren gebildet werden. Gemäß einer Gestaltung kann ein thermisch härtbarer Klebstoff durch eine lithographische Methode angewandt werden. Weiterhin kann ein Tintenstrahldrucken oder Siebdrucken verwendet werden, um einen UV-härtbaren Klebstoff oder einen thermisch härtbaren Klebstoff anzuwenden. Gemäß einer weiteren Gestaltung kann das Verbindungsglied 225 aus einem Polymer-Haftstoff hergestellt sein. 2B zeigt ein Beispiel einer sich ergebenden Struktur.
Ein erstes Substrat 100, das aus einem Halbleitermaterial, wie Silizium, hergestellt sein kann, wird prozessiert, um einen Hohlraum bzw. eine Kavität 252 zu bilden. Darüber hinaus wird die erste Hauptoberfläche 120 des Halbleitersubstrates strukturiert bzw. gemustert, um Gräben bzw. Rillen 125 zu bilden. Der flüssige Elektrolyt 130 wird in den Hohlraum 252 gefüllt. Weiterhin wird ein Separator- bzw. Trennelement 235 in dem Hohlraum 252 angeordnet. Gemäß Ausführungsbeispielen kann ein fester Elektrolyt verwendet werden. Weiterhin kann auf das Separatorelement 235 verzichtet werden. Dann wird ein Härtungsprozess durchgeführt, indem beispielsweise ein UV-Licht verwendet oder ein thermischer Prozess eingesetzt wird. Als ein Ergebnis kann die in 2C gezeigte Batterie gebildet werden.
2D zeigt eine Modifikation bzw. Abwandlung der in 2C dargestellten Struktur. Wie dargestellt ist, kann die Lithium-Ionen-Batterie weiterhin eine Barriereschicht (Barriereschichtstapel) umfassen, die über Teilen der Anode gebildet sein kann. Die Barriereschicht kann eine Metallschicht 112, wie beispielsweise TiW, umfassen. Optional kann der Barriereschichtstapel weiterhin eine Oxidschicht 113, wie z.B. Siliziumoxid, umfassen. Beispielsweise kann eine derartige Oxidschicht durch ein PECVD-(plasmaverstärktes chemisches Dampfabscheidungs-)Verfahren gebildet werden. Die Barriereschicht (Barriereschichtstapel) kann die Diffusion von Lithium in das Silizium an bestimmten Positionen verhindern. Die Barriereschicht (Barriereschichtstapel) kann eine metallische Schicht allein oder in Kombination mit einer anderen metallischen oder Oxidschicht umfassen. Wie in 2D veranschaulicht ist, kann die Barriereschicht (Barriereschichtstapel) in den Trenches 125 angeordnet sein. Gemäß der in 2E gezeigten Modifikation bzw. Abwandlung kann die Barriereschicht (Barriereschichtstapel) in den Trenches 125 und in den Siliziumpfeilern zwischen benachbarten Trenches 125 angeordnet sein. Mit anderen Worten, gemäß der in 2E gezeigten Modifikation bzw. Abwandlung ist die Barriereschicht (Barriereschichtstapel) über horizontalen Teilen der Anode 11 angeordnet. Wie klar zu verstehen ist, kann die Barriereschicht (Barriereschichtstapel) mit irgendeinem der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden.
Gemäß einer Ausführung kann die Batterie oder die integrierte Schaltung weiterhin einen Dünnfilmüberzug aufweisen, der aus einem leitenden oder einem isolierenden Material hergestellt sein kann. Beispielsweise kann dieser Dünnfilmüberzug mittels gewöhnlich bekannter Methoden gebildet werden. Gemäß einer Gestaltung liefert, wenn ein nicht-hermetisches Haftmaterial, wie ein Dichtband als ein Verbindungsglied 225 verwendet wird, ein derartiger Dünnfilmüberzug 240 eine hermetische Abdichtung um das Verbindungsglied 225. Dieser Dünnfilmüberzug 240 sieht auch eine hermetische Abdichtung um das Verbindungsglied vor, wenn ein Haftmaterial, wie UV-härtbarer Kelbstoff oder thermisch härtbarer Klebstoff, verwendet wird.
Die 3A bis 3C veranschaulichen ein weiteres Verfahren zum Herstellen der in 1 dargestellten integrierten Schaltung. Ein isolierender Träger 400 kann in einer ähnlichen Weise verarbeitet bzw. prozessiert werden, wie dies anhand von 2A beschrieben wurde, um ein oder mehrere elektrische Verbindungselemente 430 vorzusehen. Dann wird ein Teil der ersten Hauptoberfläche 410 des Trägers geätzt, um eine Aussparung zu bilden. Weiterhin wird ein Auftragungs- bzw. Abscheidungsprozess vorgenommen, um eine Kathodenschicht 415 in dem geätzten Bereich zu bilden. Beispielsweise kann die Kathodenschicht 415 durch Auftragen einer Metallschicht oder durch Siebdrucken einer Metallschicht als Beispiel gebildet werden. Gemäß einer alternativen Gestaltung kann die Kathodenschicht 415 mit dem isolierenden Träger 400 mittels eines Heißprägeverfahrens verbunden werden.
Die weiteren Elemente, wie eine Rückseitenmetallisierung 440 und Verbindungsglieder 425, werden in einer ähnlichen Weise gebildet, wie dies anhand von 2B beschrieben wurde. 3B zeigt ein Beispiel einer sicher ergebenden Struktur.
Dann wird das erste Substrat 300 in einer ähnlichen Weise prozessiert, wie dies anhand von 2C beschrieben wurde. Der Deckel wird an dem ersten Substrat 300 in einer ähnlichen Weise angebracht bzw. befestigt, wie dies anhand von 2C beschrieben wurde. 3C zeigt ein Beispiel einer sich ergebenden Struktur. Wie dargestellt ist, ist die Kathodenschicht 415 teilweise innerhalb des Deckels 400 vergraben. Dadurch kann eine kompaktere Batterie gebildet werden. Weiterhin wird ein Hohlraum bzw. eine Kavität 452 zwischen dem ersten Substrat 300 und dem Deckel 400 definiert. Wie klar zu verstehen ist, kann die Batterie gemäß dem Ausführungsbeispiel auch die dünne leitende oder Metallschicht 214 umfassen, welche in den 2A bis 2C dargestellt ist.
4 zeig ein weiteres Ausführungsbeispiel, gemäß welchem das elektrische Zwischenverbindungselement ein Teil eines zweiten Substrates 355 ist, das in einen Träger 350 eingebettet ist. Die in 4 gezeigte Batterie 2 umfasst ein erstes Substrat 100, das eine erste Hauptoberfläche 120 und eine zweite Hauptoberfläche 110 hat. Eine Senke bzw. eine Depression wird in der ersten Hauptoberfläche 120 gebildet, gefolgt durch eine gemusterte Struktur 125, die beispielsweise Trenches bzw. Gräben umfasst. Das erste Substrat 100 kann ein Halbleitermaterial aufweisen. Ein zweites Substrat 355 wird mit einem Träger 350 verbunden. Eine Aussparung 352 wird in der zweiten Oberfläche des Trägers 350 gebildet, um einen Teil der zweiten Hauptoberfläche des zweiten Substrates 355 freizulegen. Die zweite Hauptoberfläche 353 des Trägers 350 ist an der ersten Hauptoberfläche 120 des ersten Substrates 100 angebracht bzw. befestigt. Dadurch wird ein Hohlraum bzw. eine Kavität 364 zwischen dem ersten Substrat, das die Senke aufweist, dem Träger 350 einschließlich der Aussparung 352 und dem zweiten Substrat 355, das mit dem Träger 350 verbunden ist, gebildet.
Der Träger 350 kann aus einem isolierenden Material, wie beispielsweise Glas, hergestellt sein. Das zweite Substrat 355 kann ein leitendes oder Halbleitermaterial umfassen. Gemäß dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel bildet der Träger 350 den Deckel aus, der ein isolierendes Material umfasst. Weiterhin bildet das zweite Substrat 355 das elektrische Zwischenverbindungselement aus. In dem in 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel können die integrierten Schaltungselemente 140, 144 benachbart zu bzw. angrenzend an die zweite Hauptoberfläche 110 des ersten Halbleitersubstrates 100 oder an der ersten Hauptoberfläche 351 des zweiten Substrates 355 angeordnet sein. Das erste Substrat 100 kann ausgebildet sein, wie dies oben anhand von 1 beschrieben ist. Die Batterie 2 von 4 umfasst weiterhin eine schützende leitende Schicht 357, die die Aussparung 352 auskleidet, die in den Schichtstapel gebildet ist, der den Träger 350 und das zweite Substrat 355 umfasst. Die schützende Schicht 357 verhindert einen Kontakt zwischen dem Kathodenmaterial 259 und dem Material des zweiten Substrates 355.
Die Kathode 12 der Batterie 2 wird durch NCA (Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid mit eingefügtem bzw. aufgenommenem Lithium) oder irgendein anderes geeignetes Kathodenmaterial ausgeführt.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Batterie anhand der 5A bis 5F erläutert. Ein erstes Substrat 100, das ein Halbleitermaterial umfassen kann, wird vorbereitet, um eine Anode einer Lithium-Ionen-Batterie vorzusehen. Insbesondere wird eine Senke bzw. Depression gebildet, gefolgt durch Trenches bzw. Gräben 125, um eine gemusterte bzw. strukturierte Oberfläche zu bilden. Eine Rückseitenmetallisierung (bzw. ein Rückseitenmetallisierungselement) 145 kann auf der zweiten Hauptoberfläche 110 des ersten Substrates gebildet werden.
Eine zweite Hauptoberfläche 356 eines zweiten Substrates 355, das ein leitendes Material, wie beispielsweise ein Metall oder ein beliebiges Halbleitermaterial, wie Silizium, umfassen kann, wird gemustert bzw. strukturiert, um einen vorspringenden Teil zu bilden (5A).
Die gemusterte bzw. strukturierte zweite Hauptoberfläche des zweiten Substrates 355 wird mit einem Träger 350 verbunden. Beispielsweise kann der Träger eine isolierende Schicht, wie z.B. ein Glasträger, sein. Der Träger 350 kann irgendein anderes transparentes Material, wie z.B. ein Polymer, umfassen. Das zweite Substrat 355 ist mit einem Träger 350 beispielsweise durch Heißprägen verbunden. Wie allgemein bekannt ist, werden gemäß dem Heißprägeverfahren das zweite Substrat 355 und der Träger 350 auf eine Temperatur über dem Glasübergangspunkt erwärmt. Als ein Ergebnis passt der Träger seine Form bzw. Gestalt an die Oberfläche des zweiten Substrates 355 an. Als ein Ergebnis bilden die verbundenen Substrate planare Hauptoberflächen (5B).
Allgemein ist als ein Ergebnis dieser Verarbeitungssequenz, gemäß welcher das zweite Substrat 355, das einen vorspringenden Teil hat, mit dem Träger mittels eines Heißprägeverfahrens verbunden wird, das zweite Substrat 355 in den Träger 350 eingebettet. Eine sich ergebende Oberfläche der verbundenen Schichten umfasst Material des zweiten Substrates 355 sowie Material des Trägers 350. Ein Verbinden bzw. Bonden des zweiten Substrates 355 mit dem Träger 350 mittels eines Heißprägeverfahrens resultiert in einem kompakten Gehäuse, da das zweite Substrat 355 in den Träger 350 eingebettet ist. Das Heißprägeverfahren wird zu einem früheren Verarbeitungsschritt als ein Füllen des flüssigen Elektrolyten in den Hohlraum durchgeführt, so dass die einwirkende bzw. angelegte hohe Temperatur nicht den flüssigen Elektrolyten beeinträchtigt. Danach wird ein Schleifschritt oder ein CMP-(chemischmechanischer Polier-)Schritt vorgenommen, um Teile des zweiten Substrates 355 zu entfernen, die über einem vorspringenden Teil der ersten Hauptoberfläche 351 des Trägers 350 angeordnet sind. Als ein Ergebnis wird ein Randteil der ersten Hauptoberfläche 351 des Trägers 350 freigelegt (5C). Dann wird eine Aussparung 352 in der zweiten Hauptoberfläche 353 des Trägers 350 gebildet, um einen Teil der zweiten Hauptoberfläche 356 des zweiten Substrates 355 freizulegen. Eine Schnittdarstellung der sich ergebenden Struktur ist in 5D gezeigt.
Danach wird eine schützende leitende Schicht 357 über der Oberfläche der sich ergebenden Aussparung 352 gebildet. Beispielsweise kann die schützende leitende Schicht 357 aus Aluminium (Al) hergestellt sein. 5E zeigt eine Schnittdarstellung einer sich ergebenden Struktur.
Dann kann das die Kathode bildende Material, wie beispielsweise NCA (NiCoAl-Oxid einschließlich eingefügtem bzw. eingebautem Lithium) in die Aussparung 352 gefüllt werden. Weiterhin kann ein Oberseiten-Metallisierungskontakt 358 über und in Kontakt mit dem verbleibenden Teil des zweiten Substrates 355 gebildet werden.
Ein Elektrolyt 130 kann in die in dem ersten Substrat 100 gebildete Senke gefüllt werden, gefolgt durch ein Separator- bzw. Trennelement 135. Dann kann die mit dem Elektrolyten 130 gefüllte Zelle mittels eines UV-härtbaren Haftstoffes 160 versiegelt bzw. abgedichtet werden, der zwischen den horizontalen Teilen des ersten Substrates 100 und den Randteilen des Trägers 350 angeordnet ist. Aufgrund des Merkmales, dass der Träger 350 aus einem transparenten Material hergestellt ist, kann UV-Licht durch den Randteil des Trägers 350 eingestrahlt werden. Als ein Ergebnis wird ein Hohlraum bzw. eine Kavität zwischen dem ersten Substrat 100, dem Träger 350 und dem zweiten Substrat 355 gebildet.
5F zeigt eine Schnittdarstellung der Substrate 100, 355 und des Trägers 350, wenn diese zusammengebaut werden. Wie dargestellt ist, umfasst die Batterie ein erstes Substrat 100, das eine erste Hauptoberfläche 120 hat, und ein zweites Substrat 355, das aus einem leitenden Material oder einem Halbleitermaterial hergestellt ist. Die Batterie umfasst weiterhin einen Träger 350 aus einem isolierenden Material mit einer ersten Hauptoberfläche 351 und einer zweiten Hauptoberfläche 353. Das zweite Substrat 355 ist an der ersten Hauptoberfläche 351 des Trägers angebracht bzw. befestigt, und eine Öffnung ist in der zweiten Hauptoberfläche 353 des Trägers 350 gebildet, um einen Teil der zweiten Hauptoberfläche 356 des zweiten Substrates 355 freizulegen. Die zweite Hauptoberfläche 353 des Trägers 350 ist an der ersten Hauptoberfläche 120 des ersten Substrates 100 angebracht bzw. befestigt, um dadurch einen Hohlraum bzw. eine Kavität 364 zu bilden. Ein Elektrolyt 130 ist in dem Hohlraum 364 angeordnet.
6 veranschaulicht eine integrierte Schaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der Deckel 350 umfasst ein isolierendes Material. Weiterhin umfasst der Deckel 350 ein elektrisches Zwischenverbindungselement, das einen elektrischen Kontakt von der ersten Hauptoberfläche 356 zu der zweiten Hauptoberfläche 353 des Trägers 350 vorsieht. Das Zwischenverbindungselement umfasst ein zweites Substrat 355, das als eine planare Schicht über Teilen des Trägers 350 ausgebildet ist. Das Zwischenverbindungselement umfasst weiterhin eine leitende schützende Schicht bzw. eine leitende Schutzschicht 357, die benachbart zu bzw. angrenzend an die zweite Hauptoberfläche 356 des zweiten Substrates 355 angeordnet ist, und ein weitere leitende Schicht 358, die benachbart zu bzw. angrenzend an die erste Hauptoberfläche 354 des zweiten Substrates 355 angeordnet ist. Die in 6 gezeigte integrierte Schaltung 1 umfasst weiterhin integrierte Schaltungselemente 340.
Die 7A bis 7F veranschaulichen ein Verfahren zum Herstellen der Batterie gemäß diesem Ausführungsbeispiel.
Nach Vorbereiten eines ersten Substrates 300 in einer ähnlichen Weise, wie diese anhand von 2A oder 5A erläutert ist, wird ein planarer Halbleiterwafer 355 mit einem aus einem isolierenden Material hergestellten Träger 355 verbunden. Beispielsweise kann der Halbleiterwafer 355 mit dem Träger 350 mittels eines anodischen Verbindens oder eines anderen Verbindungsverfahrens, geeignet zum Verbinden von planaren Oberflächen, verbunden werden. Beispielsweise kann der Träger 350 ein Glaswafer oder irgendein anderer Wafer sein, der aus einem isolierenden Material hergestellt ist (7A).
Dann wird eine Hartmaskenschicht 362 angrenzend an die zweite Hauptoberfläche 353 des Trägers 350 gebildet. Die Hartmaskenschicht 362 wird gemustert bzw. strukturiert, um eine Öffnung zum Ätzen einer Öffnung in dem Glasträger zu bilden (7B).
Danach wird ein Ätzschritt, beispielsweise unter Verwendung von HF (Flusssäure) als ein Ätzmittel vorgenommen, um eine Öffnung oder eine Aussparung 352 in dem Träger 350 zu definieren. Die Aussparung 352 wird gebildet, um den Halbleiterwafer 355 zu kontaktieren (7C).
Danach wird eine weitere Hartmaskenschicht 363 auf der oberen Oberfläche 356 des zweiten Substrates 355 gebildet. Die Hartmaskenschicht 363 wird gemustert bzw. strukturiert, um eine Hartmaske zu bilden, wobei die Randteile des zweiten Substrates 356 unbedeckt belassen werden. Dann wird ein Ätzschritt zum Ätzen des zweiten Substrates vorgenommen, um Teile der ersten Hauptoberfläche 351 des Trägers 350 freizulegen. Aufgrund dieses Strukturierungsschrittes werden die Randteile der kombinierten Substrate für UV-Licht transparent, was ein späteres Prozessieren unter Verwendung eines UV-härtbaren Haftmittels ermöglicht. 7D gezeigt eine Schnittdarstellung einer sich ergebenden Struktur.
Danach wird eine schützende leitende Schicht 357, wie beispielsweise eine Aluminiumschicht, auf der Oberfläche der sich ergebenden Aussparung 352 gebildet. Irgendein Material, das einen Kontakt der Lithiumquelle und des Halbleitermaterials 355 verhindern kann, kann als das Material der schützenden leitenden Schicht 357 verwendet werden. Aufgrund des Vorhandenseins der schützenden leitenden Schicht 357 kann eine Diffusion der Lithiumatome in das Halbleitermaterial 355 verhindert werden. Die Schnittdarstellung einer sich ergebenden Struktur ist in 7E gezeigt. Eine leitende Schicht 358 wird auf der oberen Oberfläche des Halbleiterwafers 355 gebildet, um einen elektrischen Kontakt vorzusehen. Weiterhin wird die Lithiumquelle 359 in den Hohlraum 364 gefüllt. Der flüssige Elektrolyt 330 und das Separator- bzw. Trennelement 335 werden in die gemusterte Struktur 325 gefüllt, die in der ersten Hauptoberfläche 310 des ersten Substrates 300 gebildet ist. Dann wird die zweite Hauptoberfläche 353 des Trägers 350 mit der ersten Hauptoberfläche 310 des ersten Substrates 300 verbunden, wie dies durch nach unten weisende Pfeile in 7F angezeigt ist. Dies kann beispielsweise mittels eines UV-härtbaren Haftmittels vorgenommen werden.
8 fasst ein Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Batterie zusammen. Wie dargestellt ist, umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Batterie ein Bilden eines elektrischen Zwischenverbindungselementes (S10) in einem Deckel, der ein isolierendes Material aufweist, wobei das elektrische Zwischenverbindungselement eine elektrische Verbindung zwischen einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche des Deckels vorsieht. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Bilden einer Kathode an dem Deckel (S20), ein Bilden einer Anode an einer ersten Hauptoberfläche eines ersten Substrates (S30), wobei die Anode eine aus Silizium hergestellte Komponente umfasst und wobei ein Bilden der Kathode oder ein Bilden der Anode ein Definieren eines Hohlraumes bzw. einer Kavität aufweist. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Füllen eines Elektrolyten in den Hohlraum (S40) und ein Befestigen bzw. Anbringen des Deckels an der ersten Hauptoberfläche des ersten Substrates (S50). Wie klar zu verstehen ist, kann die Sequenz bzw. Reihenfolge der Prozesse geändert werden. Insbesondere kann die Kathode vor Bilden der Anode oder umgekehrt gebildet werden.
Gemäß den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen umfasst die integrierte Schaltung 1 eine Batterie 2 und integrierte Schaltungselemente 140, 144, 340. Komponenten der Batterie und die integrierten Schaltungselemente können auf dem gleichen Halbleitersubstrat oder Halbleiterchip angeordnet sein. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können die Batterie und Elemente einer elektrischen Schaltung auf getrennten Halbleitersubstraten oder Chips vorgesehen sein. Wenn die Batterie und die elektrische Schaltung auf getrennten Chips vorgesehen sind, kann die Batterie elektrisch mit der elektrischen Schaltung über eine Zwischenverbindung gekoppelt sein.
Allgemein kann im Zusammenhang der vorliegenden Beschreibung die elektrische Schaltung oder die integrierte Schaltung eine Verarbeitungsvorrichtung zum Verarbeiten von Daten umfassen. Die elektrische Schaltung oder die integrierte Schaltung kann weiterhin ein oder mehrere Display- bzw. Anzeigevorrichtungen umfassen, um Daten anzuzeigen. Die elektrische Schaltung oder die integrierte Schaltung kann weiterhin einen Sender zum Übertragen von Daten umfassen. Die elektrische Vorrichtung oder die elektrische Schaltung kann weiterhin Komponenten umfassen, die gestaltet sind, um ein spezifisches elektronisches System auszubilden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die elektrische Vorrichtung oder die integrierte Schaltung weiterhin eine Energieernte- bzw. -harvestervorrichtung umfassen, die elektrische Energie zu der Batterie 2 liefern kann, wobei die Energie aus Solarenergie, thermischer Energie, kinetischer Energie, mechanischer Energie, elektrochemischer Energie oder anderen Arten von Energie gebildet ist. Beispielsweise kann die elektrische Vorrichtung oder die integrierte Schaltung ein Sensor, wie z.B. ein Reifendrucksensor, sein, wobei die elektrische Schaltung oder die integrierte Schaltung weiterhin eine Sensorschaltungsanordnung und optional einen Sender umfasst, der erfasste Daten zu einem externen Empfänger überträgt. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die elektrische Vorrichtung oder die integrierte Schaltung ein Aktuator bzw. ein Stellglied, ein RFID-Tag oder eine Smartcard bzw. eine Chipkarte sein. Beispielsweise kann eine Chipkarte zusätzlich einen Fingerdrucksensor umfassen, der betrieben werden kann, indem Energie verwendet wird, die durch die Batterie 2 geliefert ist. Die elektrische Schaltung oder die integrierte Schaltung kann ein mikroelektromechanisches System (MEMS) bilden oder eine Komponente hiervon sein.
Während Ausführungsbeispiele der Erfindung oben beschrieben sind, ist es offensichtlich, dass weitere Ausführungsbeispiele gestaltet werden können. Beispielsweise können weitere Ausführungsbeispiele irgendeine Unterkombination von in den Patentansprüchen angegebenen Merkmalen oder irgendeine Unterkombination von in den oben gegebenen Beispielen beschriebenen Elementen sein. Demgemäß sollen der Kern und der Bereich der beigefügten Patenansprüche nicht auf die Beschreibung der hier enthaltenen Ausführungsbeispiele begrenzt sein.

Claims

Lithium-Ionen-Batterie, umfassend: ein erstes Substrat (100), das eine erste Hauptoberfläche (120) hat, einen Deckel (200), der ein isolierender Material umfasst, wobei der Deckel (200) an der ersten Hauptoberfläche (120) des ersten Substrates (100) angebracht ist und ein Hohlraum (252) zwischen dem ersten Substrat (100) und dem Deckel (200) definiert ist, ein elektrisches Zwischenverbindungselement (230) in dem Deckel (200), wobei das elektrische Zwischenverbindungselement (230) eine elektrische Verbindung zwischen einer ersten Hauptoberfläche (210) und einer zweiten Hauptoberfläche (220) des Deckels (200) vorsieht, einen Elektrolyten (130) in dem Hohlraum (252), eine Anode (11) an dem ersten Substrat (100), wobei die Anode eine Komponente umfasst, die aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, und eine Kathode (12) an dem Deckel (200).
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, bei der der Hohlraum (252) eine Aussparung (352) in dem Deckel (200) umfasst, wobei die Kathode (12) in der Aussparung (352) angeordnet ist.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1 oder 2, bei der das erste Substrat (100) eine gemusterte Struktur umfasst.
Lithium-Ionen-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das elektrische Zwischenverbindungselement (230) ein Durchgangsloch (230a bis 230c) umfasst, das sich von der ersten Hauptoberfläche (210) zu der zweiten Hauptoberfläche (220) erstreckt, wobei das Durchgangsloch (230a bis 230c) mit einem leitenden Material gefüllt ist.
Lithium-Ionen-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das erste Substrat (100) ein Halbleitersubstrat ist und der Deckel (200) ein Glassubstrat umfasst.
Lithium-Ionen-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin umfassend einen über dem ersten Substrat (100) angeordneten Dünnfilm (240), der einen Verbindungsteil zwischen dem ersten Substrat (100) und dem Deckel (200) abdichtet.
Lithium-Ionen-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das elektrische Zwischenverbindungselement (230) einen in den Deckel (200) eingebetteten leitenden Substratteil umfasst.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 7, bei der der Hohlraum (252) eine Aussparung (352) in der ersten Hauptoberfläche (210) des Deckels (200) umfasst, wobei die Aussparung (352) eine Oberfläche des leitenden Substratteiles gegenüber zu dem ersten Substrat (100) kontaktiert.
Lithium-Ionen-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Halbleitermaterial Silizium ist.
Integrierte Schaltung mit einer Lithium-Ionen-Batterie (2) und integrierten Schaltungselementen (340), wobei die Lithium-Ionen-Batterie (2) umfasst: ein erstes Substrat (100), das eine erste Hauptoberfläche (120) hat, einen Deckel (200), der ein isolierendes Material umfasst, wobei der Deckel (200) an der ersten Hauptoberfläche (120) des ersten Substrates (100) angebracht ist und ein Hohlraum (252) zwischen dem ersten Substrat (100) und dem Deckel (200) definiert ist, ein elektrisches Zwischenverbindungselement (230) in dem Deckel (200), wobei das elektrische Zwischenverbindungselement (200) eine elektrische Verbindung zwischen einer ersten Hauptoberfläche (210) und einer zweiten Hauptoberfläche (220) des Deckels (200) vorsieht, einen Elektrolyten (130) in dem Hohlraum (252), eine Anode (11) an dem ersten Substrat (100), wobei die Anode (11) eine Komponente umfasst, die aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, und eine Kathode (12) an dem Deckel (200).
Integrierte Schaltung nach Anspruch 10, bei der die integrierten Schaltungselemente (340) in dem ersten Substrat (100) gebildet sind.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 10, bei der die integrierten Schaltungselemente (340) in einem weiteren Halbleitersubstrat gebildet sind.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der die integrierten Schaltungselemente aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus einem Widerstand, einem Kondensator, einem Transistor, einem Sensor, einer Energieerzeugungsvorrichtung, einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Anzeigevorrichtung, einem Aktuator und einem Sender besteht.
Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Batterie (2), wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines elektrischen Zwischenverbindungselementes (230) in einem ein isolierendes Material umfassenden Deckel (200), wobei das elektrische Zwischenverbindungselement (230) eine elektrische Verbindung zwischen einer ersten Hauptoberfläche (210) und einer zweiten Hauptoberfläche (220) des Deckels (200) vorsieht, Bilden einer Kathode (12) an dem Deckel (200), Bilden einer Anode (11) an einer ersten Hauptoberfläche (120) eines ersten Substrates (100), wobei die Anode (11) eine aus einem Halbleitermaterial hergestellte Komponente umfasst und wobei ein Bilden der Kathode (12) oder ein Bilden der Anode (11) ein Definieren eines Hohlraumes (252) umfasst, Füllen eines Elektrolyten (130) in den Hohlraum (252), und Befestigen des Deckels (200) an der ersten Hauptoberfläche (120) des ersten Substrates (100).
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem ein Befestigen des Deckels (200) an der ersten Hauptoberfläche (120) des ersten Substrates (100) ein Bilden eines Verbindungsgliedes auf dem ersten Substrat (100) oder auf dem Deckel (200) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Verbindungsglied aus einem UV-härtbaren Klebstoff hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Verbindungsglied aus einem thermisch härtbaren Klebstoff hergestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem ein Bilden des elektrischen Zwischenverbindungselementes (230) ein Bilden eines Durchgangsloches (230a, 230b, 230c) in einem Träger und ein Füllen des Durchgangsloches mit einem leitenden Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das Durchgangsloch (230a, 230b, 230c) mit einem leitenden Material mittels eines Siebdruckverfahrens, eines Tintenstrahldruckverfahrens, eines Halbleiterprägeverfahrens oder eines Metallprägeverfahrens gefüllt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, weiterhin umfassend ein Bilden eines Dünnfilmes über dem ersten Substrat (100), wobei der Dünnfilm einen Verbindungsteil zwischen dem ersten Substrat (100) und dem Deckel (200) abdichtet.