DE102021130633A1

DE102021130633A1 - Hermetische verkapselung einer mikrobatterieeinheit

Info

Publication number: DE102021130633A1
Application number: DE102021130633.7A
Authority: DE
Inventors: Qianwen Chen; Jae-Woong Nah; Bing Dang; Leanna Pancoast; John Knickerbocker
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2021-11-23
Publication date: 2022-06-23
Also published as: US20220200086A1; GB202117435D0; GB2603839B; CN114649615A; GB2603839A; US11522243B2; JP2022098452A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrobatterie bereitgestellt. Das Verfahren umfasst Bilden einer Mikrobatterieeinheit durch Bilden einer ersten Metallanodendurchkontaktierung und einer ersten Metallkathodendurchkontaktierung in einem ersten Substrat, Bilden einer ersten Metallschicht auf einer Unterseite des ersten Substrats, Bilden eines ersten Batterieelements auf einer Oberseite des Substrats, Bilden einer Verkapselungsschicht um das erste Batterieelement herum, Bilden von Gräben durch die Verkapselungsschicht und das erste Substrat auf verschiedenen Seiten des ersten Batterieelements und Bilden einer Metallversiegelungsschicht in den Gräben, um zumindest eine Mehrzahl von Seitenwandflächen des ersten Batterieelements zu bedecken. Die Metallversiegelungsschicht ist durch die erste Metallschicht und die erste Metallkathodendurchkontaktierung elektrisch mit dem Batterieelement verbunden.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Mikrobatterie und betrifft insbesondere eine hermetische Versiegelungsstruktur (d.h. Verkapselung) für eine Mikrobatterie unter Verwendung einer Metallversiegelung.
Die hermetische Versiegelung einer Mikrobatterieeinheit kann wünschenswert sein, um die Möglichkeit des Austretens von Batteriematerialien auf die Außenseite der Batterieverkapselung zu verhindern oder auf ein Mindestmaß zu beschränken. In bestimmten Mikrobatterieeinheiten wird die Versiegelung der Mikrobatterie unter Verwendung eines Polymermaterials erreicht, was nicht ausreichend sein kann, um eine Hermetizität zu erhalten. Außerdem können bestimmte Versiegelungsstrukturen für Mikrobatterieeinheiten eine metallische Versiegelungsschicht umfassen. Es kann jedoch sein, dass diese metallische Versiegelungsschicht nicht alle Seiten der Mikrobatterieeinheit hermetisch versiegelt, wodurch ein Austrittspfad von einer oder mehreren Seiten der Mikrobatterieeinheit ermöglicht wird. Zusätzlich können bestimmte Mikrobatterieeinheiten eine Anode und eine Kathode auf einer gleichen Seite der Einheit umfassen, was die Parallel- oder Reihenverbindungen mehrerer Mikrobatterieeinheiten kompliziert machen kann.
KURZDARSTELLUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen Verfahren zur Herstellung von Mikrobatterieeinheiten. In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Verfahren Bilden einer Mikrobatterieeinheit durch Bilden einer ersten Metallanoden-Durchkontaktierung und einer ersten Metallkathoden-Durchkontaktierung in einem ersten Substrat, Bilden einer ersten Metallschicht auf einer Unterseite des ersten Substrats, Bilden eines ersten Batterieelements auf einer Oberseite des Substrats, Bilden einer Verkapselungsschicht um das erste Batterieelement herum, Bilden von Gräben durch die Verkapselungsschicht und das erste Substrat auf verschiedenen Seiten des ersten Batterieelements und Bilden einer Metallversiegelungsschicht in den Gräben, um zumindest eine Mehrzahl von Seitenwandflächen des ersten Batterieelements zu bedecken. Die Metallversiegelungsschicht wird über die erste Metallschicht und die erste Metallkathoden-Durchkontaktierung elektrisch mit dem Batterieelement verbunden.
Andere Ausführungsformen betreffen eine Mikrobatterievorrichtung, welche eine erste Mikrobatterieeinheit aufweist, die ein erstes Substrat umfasst. Das erste Substrat umfasst eine erste Metallanoden-Durchkontaktierung und eine erste Metallkathoden-Durchkontaktierung. Die erste Mikrobatterieeinheit umfasst außerdem ein erstes Batterieelement, welches auf dem Substrat ausgebildet ist, wobei das erste Batterieelement einen ersten Kathodenstromkollektor, einen ersten Anodenstromkollektor, eine erste Kathode und eine erste Anode umfasst. Der erste Kathodenstromkollektor ist über die erste Metallkathoden-Durchkontaktierung elektrisch mit der ersten Kathode verbunden, wobei der erste Anodenstromkollektor über die erste Metallanoden-Durchkontaktierung elektrisch mit der ersten Anode verbunden ist. Zumindest an Seitenwandflächen des ersten Batterieelements ist eine Metallversiegelungsschicht ausgebildet und die Metallversiegelungsschicht ist elektrisch mit der ersten Kathode verbunden.
Andere Ausführungsformen betreffen eine Mikrobatterievorrichtung, welche eine Mikrobatterieeinheit aufweist. Die Mikrobatterieeinheit umfasst ein erstes Substrat, welches eine erste Metallanoden-Durchkontaktierung und eine erste Metallkathoden-Durchkontaktierung umfasst. Auf dem ersten Substrat ist ein erstes Batterieelement ausgebildet, wobei das erste Batterieelement einen ersten Kathodenstromkollektor, einen ersten Anodenstromkollektor, eine erste Kathode und eine erste Anode umfasst. Der erste Kathodenstromkollektor ist über die erste Metallkathoden-Durchkontaktierung elektrisch mit der ersten Kathode verbunden und der erste Anodenstromkollektor ist über die erste Metallanoden-Durchkontaktierung elektrisch mit der ersten Anode verbunden. Auf dem ersten Batterieelement ist ein zweites Substrat ausgebildet und umfasst eine zweite Metallanoden-Durchkontaktierung und eine zweite Metallkathoden-Durchkontaktierung. Auf dem zweiten Substrat ist ein zweites Batterieelement ausgebildet, wobei das zweite Batterieelement einen zweiten Kathodenstromkollektor, einen zweiten Anodenstromkollektor, eine zweite Kathode und eine zweite Anode umfasst. Der zweite Kathodenstromkollektor ist über die zweite Kathodendurchkontaktierung elektrisch mit der zweiten Kathode verbunden und der zweite Anodenstromkollektor ist über die zweite Anodendurchkontaktierung elektrisch mit der zweiten Anode verbunden. Die Mikrobatterieeinheit umfasst außerdem eine Metallverbindung, welche die erste Anode elektrisch mit der zweiten Anode verbindet, und eine Metallversiegelungsschicht, welche an Seitenwandflächen des ersten und des zweiten Batterieelements ausgebildet ist. Die Metallversiegelungsschicht ist elektrisch mit der ersten Kathode und der zweiten Kathode verbunden.
Die obige Kurzdarstellung soll nicht jede veranschaulichte Ausführungsform oder jede Realisierung der vorliegenden Offenbarung beschreiben.
Figurenliste
Die in der vorliegenden Anmeldung enthaltenen Zeichnungen sind in die Beschreibung einbezogen und bilden einen Teil davon. Sie veranschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und erläutern zusammen mit der Beschreibung die Prinzipien der Offenbarung. Die Zeichnungen veranschaulichen lediglich bestimmte Ausführungsformen und beschränken die Offenbarung nicht.

1A ist eine Querschnittsansicht, welche eine Mikrobatterieeinheit in einer Zwischenstufe des Herstellungsverfahrens gemäß Ausführungsformen zeigt.
1B ist eine Querschnittsansicht der Mikrobatterieeinheit der 1A nach weiteren Fertigungsoperationen gemäß Ausführungsformen.
1C ist eine Querschnittsansicht der Mikrobatterieeinheit der 1B nach weiteren Fertigungsoperationen gemäß Ausführungsformen.
1D ist eine Querschnittsansicht der Mikrobatterieeinheit der 1C nach weiteren Fertigungsoperationen gemäß Ausführungsformen.
1E ist eine Querschnittsansicht der Mikrobatterieeinheit der 1D nach weiteren Fertigungsoperationen gemäß Ausführungsformen.
1F ist eine Querschnittsansicht der Mikrobatterieeinheit der 1E nach weiteren Fertigungsoperationen gemäß Ausführungsformen.
1G ist eine Querschnittsansicht der Mikrobatterieeinheit der 1F nach weiteren Fertigungsoperationen gemäß Ausführungsformen.
1H ist eine Querschnittsansicht der Mikrobatterieeinheit der 1G nach weiteren Fertigungsoperationen gemäß Ausführungsformen.
1l ist eine Querschnittsansicht der Mikrobatterieeinheit der 1H nach weiteren Fertigungsoperationen gemäß Ausführungsformen.
1J ist eine Querschnittsansicht mehrerer der Mikrobatterieeinheiten der 11, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, gemäß Ausführungsformen.
1K ist eine Querschnittsansicht mehrerer der Mikrobatterieeinheiten der 11, die elektrisch parallelgeschaltet sind, gemäß Ausführungsformen.
2A ist eine Querschnittsansicht, welche eine Einzelschicht einer mehrschichtigen Mikrobatterieeinheit in einer Zwischenstufe des Herstellungsverfahrens gemäß Ausführungsformen zeigt.
2B ist eine Querschnittsansicht einer mehrschichtigen Mikrobatterieeinheit, welche die Einzelschicht der 2A umfasst, und nach weiteren Fertigungsoperationen gemäß Ausführungsformen.
2C ist eine Querschnittsansicht der Mikrobatterieeinheit der 2B nach weiteren Fertigungsoperationen gemäß Ausführungsformen.
2D ist eine Querschnittsansicht der mehrschichtigen Mikrobatterieeinheit der 2C nach weiteren Fertigungsoperationen gemäß Ausführungsformen.
2E ist eine Querschnittsansicht der mehrschichtigen Mikrobatterieeinheit der 2D nach weiteren Fertigungsoperationen gemäß Ausführungsformen.
2F ist eine Querschnittsansicht der mehrschichtigen Mikrobatterieeinheit der 2E nach weiteren Fertigungsoperationen gemäß Ausführungsformen.
2G ist eine Querschnittsansicht mehrerer der mehrschichtigen Mikrobatterieeinheiten der 2F, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, gemäß Ausführungsformen.
3A ist eine Querschnittsansicht, welche eine erste Einzelschicht einer mehrschichtigen Mikrobatterieeinheit in einer Zwischenstufe des Herstellungsverfahrens gemäß Ausführungsformen zeigt.
3B ist eine Querschnittsansicht einer zweiten Einzelschicht der mehrschichtigen Mikrobatterieeinheit der 3A gemäß Ausführungsformen.
3C ist eine Querschnittsansicht der Kombination der ersten und der zweiten Schicht der Mikrobatterieeinheit der 3A und 3B nach weiteren Fertigungsoperationen gemäß Ausführungsformen.
3D ist eine Querschnittsansicht der mehrschichtigen Mikrobatterieeinheit der 3C nach weiteren Fertigungsoperationen gemäß Ausführungsformen.
3E ist eine Querschnittsansicht der mehrschichtigen Mikrobatterieeinheit der 3D nach weiteren Fertigungsoperationen gemäß Ausführungsformen.
3F ist eine Querschnittsansicht der mehrschichtigen Mikrobatterieeinheit der 3E nach weiteren Fertigungsoperationen gemäß Ausführungsformen.

Es versteht sich, dass Elemente in den Figuren so veranschaulicht sind, dass sie einer einfachen und klaren Darstellung dienen. Gut bekannte Elemente, die in einer kommerziell realisierbaren Ausführungsform nützlich oder notwendig sein können, sind zum Zweck der Vereinfachung, und um das Verständnis der veranschaulichten Ausführungsformen zu verbessern, möglicherweise nicht dargestellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung beschreibt Ausführungsformen von Mikrobatterieeinheiten und Verfahren zur Herstellung von Mikrobatterieeinheiten, welche eine metallische hermetische Versiegelungsschicht umfassen. Die Zeichnungen der vorliegenden Anmeldung dienen Veranschaulichungszwecken und daher müssen die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu sein.
Hierin werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben. Es können alternative Ausführungsformen vorgesehen sein, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Es sei angemerkt, dass in der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen verschiedene Verbindungen und Positionsbeziehungen (z.B. über, unter, in Nachbarschaft zu usw.) zwischen Elementen ausgeführt werden. Diese Verbindungen und/oder Positionsbeziehungen können, sofern nicht anders angegeben, direkt oder indirekt sein und die vorliegende Offenbarung soll in dieser Hinsicht nicht beschränkend sein. Entsprechend kann sich eine Verknüpfung von Einheiten entweder auf eine direkte oder eine indirekte Verknüpfung beziehen und eine Positionsbeziehung zwischen Einheiten kann eine direkte oder indirekte Positionsbeziehung sein. Als ein Beispiel für eine indirekte Positionsbeziehung umfassen Bezugnahmen in der vorliegenden Beschreibung auf ein Bilden einer Schicht „A“ über einer Schicht „B“ Situationen, wobei sich zwischen der Schicht „A“ und der Schicht „B“ eine oder mehrere Zwischenschichten (z.B. eine Schicht „C“) befinden, sofern die relevanten Eigenschaften und Funktionalitäten der Schicht „A“ und der Schicht „B“ nicht durch die Zwischenschicht(en) wesentlich verändert werden.
Für die Interpretation der Ansprüche und der Beschreibung sind die folgenden Definitionen und Abkürzungen zu verwenden. Wie hierin verwendet, sollen die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „weist auf“, „aufweisend“, „enthält“ oder „enthaltend“ oder andere Abwandlungen davon ein nicht-exklusives Einbeziehen abdecken. Beispielsweise ist eine Zusammensetzung, ein Gemisch, ein Prozess, ein Verfahren, ein Gegenstand oder eine Vorrichtung, welche/welches/welcher eine Liste von Elementen umfasst, nicht notwendigerweise auf nur diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente umfassen, die nicht ausdrücklich aufgelistet sind oder einer solchen Zusammensetzung, einem solchen Gemisch, einem solchen Prozess, einem solchen Verfahren, einem solchen Gegenstand oder einer solchen Vorrichtung innewohnen.
Für die Zwecke der Beschreibung sollen sich hierin im Folgenden die Begriffe „obere“, „untere“, „rechts“, „links“, „vertikal“, „horizontal“, „Ober-“, „Unter-“ und Ableitungen davon auf die beschriebenen Strukturen und Verfahren beziehen, wie sie in den Zeichnungsfiguren orientiert sind. Die Begriffe „über ... liegend“, „auf“, „oben auf“ oder „positioniert auf“ bedeuten, dass ein erstes Element, z.B. eine erste Struktur, auf einem zweiten Element, z.B. einer zweiten Struktur, vorhanden ist, wobei zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element dazwischen angeordnete Elemente vorhanden sein können, z.B. eine Grenzflächenstruktur. Der Begriff „direkter Kontakt“ bedeutet, dass ein erstes Element, z.B. eine erste Struktur, und ein zweites Element, z.B. eine zweite Struktur, ohne jegliche dazwischen angeordnete leitende, isolierende oder Halbleiterschichten an der Grenzfläche der zwei Elemente verbunden sind. Es sei angemerkt, dass der Begriff „selektiv zu“, zum Beispiel „ein erstes Element selektiv zu einem zweiten Element“, bedeutet, dass ein erstes Element geätzt werden kann und das zweite Element als ein Ätzstopp fungieren kann.
Zugunsten einer kurzen Darstellung werden herkömmliche Techniken in Bezug auf die Fertigung von Mikrobatterieeinheiten und/oder integrierten Schaltungen (ICs) hierin nicht immer detailliert beschrieben. Außerdem können die verschiedenen hierin beschriebenen Aufgaben und Verfahrensschritte in ein umfassenderes Verfahren oder einen umfassenderen Prozess integriert sein, welches/welcher zusätzliche Schritte oder Funktionalitäten aufweist, die hierin nicht detailliert beschrieben werden. Insbesondere sind verschiedene Schritte bei der Herstellung von Mikrobatterieeinheiten und/oder ICs gut bekannt und daher werden im Interesse einer Verkürzung viele herkömmliche Schritte hierin nur kurz erwähnt oder vollständig weggelassen, ohne die gut bekannten Einzelheiten der Verfahren bereitzustellen.
Im Allgemeinen fallen die verschiedenen Verfahren, die angewendet werden, um eine Mikrobatterieeinheit zu bilden, in vier allgemeine Kategorien, nämlich Dünnschichtabscheidung, Entfernen/Ätzen/Laserfräsen, Strukturieren/Lithographie, Spritzgusslöten (Injection Molded Soldering, IMS).
Abscheidung ist ein beliebiges Verfahren, bei welchem man ein Material auf dem Wafer anwachsen lässt oder es darauf geschichtet oder auf andere Weise übertragen wird. Verfügbare Technologien umfassen unter anderem physikalische Abscheidung aus der Gasphase (Physical Vapor Deposition, PVD), chemische Abscheidung aus der Gasphase (Chemical Vapor Deposition, CVD), elektrochemische Abscheidung (Electrochemical Deposition, ECD), Molekularstrahlepitaxie (Molecular Beam Epitaxy, MBE) und aktuell Atomschichtabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD) und Schleuderbeschichten (Spin-Coating). Eine weitere Abscheidungstechnik ist die plasmaunterstützte chemische Abscheidung aus der Gasphase (Plasma Enhanced CVD, PECVD), welche ein Verfahren ist, wobei die Energie innerhalb des Plasmas genutzt wird, um Reaktionen an der Wafer-Oberfläche hervorzurufen, welche anderenfalls bei einer herkömmlichen CVD höhere Temperaturen erforderlich machen würden. Ein energiereicher lonenbeschuss während der PECVD-Abscheidung kann die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Dünnschicht ebenfalls verbessern.
Entfernen/Ätzen ist ein beliebiges Verfahren, bei welchem Material von dem Wafer entfernt wird. Beispiele umfassen Ätzverfahren (nass oder trocken), chemischmechanische Planarisierung (CMP), Laserfräsen und Ähnliches. Ein Beispiel für ein Entfernungsverfahren ist Ionenstrahlätzen (Ion Beam Etching, IBE). Im Allgemeinen bezieht sich IBE (oder Fräsen) auf ein Trockenplasma-Ätzverfahren, wobei eine entfernt angeordnete Breitstrahl-Ionen/Plasma-Quelle verwendet wird, um Substratmaterial physikalisch mittels Inertgas oder chemisch mittels Reaktivgas zu entfernen. Wie bei anderen Trockenplasma-Ätztechniken weist IBE Vorteile wie Ätzgeschwindigkeit, Anisotropie, Selektivität, Gleichmäßigkeit, Seitenverhältnis und Beschränkung der Substratbeschädigung auf ein Mindestmaß auf. Ein anderes Beispiel eines trockenen Entfernungsverfahrens ist reaktives lonenätzen (Reactive Ion Etching, RIE). Im Allgemeinen wird beim RIE chemisch reaktives Plasma verwendet, um Material zu entfernen, das auf Wafern abgeschieden ist. Beim RIE wird das Plasma unter niedrigem Druck (Vakuum) durch ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Energiereiche Ionen aus dem RIE-Plasma greifen die Wafer-Oberfläche an und reagieren mit ihr, um Material zu entfernen. Laserfräsen oder Laserstrahlbearbeitung (Laser Beam Machining, LBM) ist eine Form der Bearbeitung, wobei für die Bearbeitung ein Laser auf das Arbeitsstück gerichtet wird. Bei dem Verfahren wird Wärmeenergie verwendet, um Material von metallischen oder nichtmetallischen Flächen zu entfernen. Die hohe Frequenz von monochromatischem Licht auf der Oberfläche des Objekts schmilzt und verdampft das Material, wodurch eine selektive Entfernung des Abschnitts des Objekts ermöglicht wird.
Lithographie ist die Bildung von dreidimensionalen Reliefbildern oder Strukturen auf dem Substrat zur anschließenden Übertragung der Struktur auf das Substrat. Bei der Lithographie werden die Strukturen durch ein lichtempfindliches Polymer gebildet, welches als ein Photoresist bezeichnet wird. Um die komplexen Strukturen zu bilden, aus denen eine elektronische Struktur aufgebaut ist, werden Lithographie- und Ätzstruktur-Übertragungsschritte mehrfach wiederholt. Jede Struktur, die auf den Wafer gedruckt wird, wird an den zuvor gebildeten Strukturen ausgerichtet und nach und nach werden die Leiter, die Isolatoren und die anderen Zonen aufgebaut, um die fertige Einheit zu bilden.
Nun übergehend zu einem Überblick über Technologien, die für Aspekte der vorliegenden Offenbarung besonders relevant sind, wird in bestimmten Ausführungsformen Spritzgusslöten (IMS) angewendet, um die metallische hermetische Versiegelungsstruktur für die Mikrobatterie zu bilden. Im Allgemeinen bezieht sich IMS auf ein Metallabscheidungsverfahren, bei welchem geschmolzenes Lötmittel direkt in Löcher (oder Räume) (z.B. wie in Photoresist-Maskendünnschichten strukturiert) injiziert wird, im Gegensatz zu herkömmlichen Elektroplattierungstechniken. Beispielsweise stellt ein IMS-Abscheidungskopf das geschmolzene Lötmittel (z.B. SAC305, welches eine bleifreie Legierung ist, die 96,5 % Zinn, 3 % Silber und 0,5 % Kupfer enthält) auf einer Seite des strukturierten Wafers bereit und wird dann abtastend auf die andere Seite des Wafers geführt, um die Lötmittelinjektion in Löcher (oder Räume) anzuschließen.
Nun Bezug nehmend auf 1A bis 1K der Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugszahlen die gleichen oder ähnliche Elemente repräsentieren, und zunächst auf 1A, ist dort eine Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Mikrobatterie 100 in einer Zwischenstufe des Herstellungsverfahrens dargestellt. Wie in 1 dargestellt, wird ein unteres Substrat oder erstes Substrat 102 bereitgestellt. Das erste Substrat 102 kann ein flexibles Substrat sein. Durchkontaktierungen 104 werden in dem ersten Substrat 102 gebildet und anschließend mit einem leitfähigen Metallmaterial gefüllt. Auf einer linken der Durchkontaktierungen 104 wird ein Anodenstromkollektor 106 gebildet. Bei dem Anodenstromkollektor 106 kann es sich um eine Einzelschicht oder um eine Mehrzahl von Schichten handeln. In einem Beispiel umfasst der Anodenstromkollektor 106 mindestens ein leitfähiges metallisches Material wie zum Beispiel Titan oder Platin. In einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung ist der Anodenstromkollektor 106 aus Titan aufgebaut. In anderen Ausführungsformen umfasst der Anodenstromkollektor 106 ein beliebiges Metall wie zum Beispiel Nickel, Kupfer oder Zink. Der Anodenstromkollektor kann eine Dicke von 10 nm bis 20.000 nm oder eine beliebige andere geeignete Dicke aufweisen.
Nun Bezug nehmend auf 1B, wird auf einer Rückseite (oder Unterseite) des ersten Substrats 102 eine erste Metallschicht 108 gebildet. Die erste Metallschicht 108 umfasst zumindest einen Abschnitt auf der linken Seite des ersten Substrats 102, wobei zumindest ein Abschnitt davon links von dem Anodenstromkollektor 106 positioniert ist. Die erste Metallschicht 108 umfasst außerdem einen Abschnitt auf der rechten Seite des ersten Substrats 102, der in direktem Kontakt mit der rechten der Durchkontaktierungen 104 ausgebildet ist.
Nun Bezug nehmend auf 1C, wird auf der Unterseite des ersten Substrats 102 außerdem eine Anode 110 gebildet und durch die linke der Durchkontaktierungen 104 elektrisch mit dem Anodenstromkollektor 106 verbunden. Bei der Anode 110 kann es sich um eine Einzelschicht oder um eine Mehrzahl von Schichten handeln. In einem Beispiel ist die Anode 110 aus einem Materialstapel aus einer Titanschicht, einer Nickelschicht auf einer Fläche der Titanschicht und einer Zinkschicht auf einer Fläche der Nickelschicht aufgebaut (d.h. ein Ti/Ni/Zn-Stapel).
Nun Bezug nehmend auf 1D, wird dort der Rest der Mikrobatterieeinheit 100 hergestellt. Ein Batterieelement 112 wird so gebildet, dass es den gesamten Anodenstromkollektor 106 und außerdem Abschnitte des ersten Substrats 102 bedeckt. Es versteht sich, dass das Batterieelement 112 eine beliebige geeignete Anzahl an Schichten oder anderen Batteriekomponenten umfassen kann. Ein Kathodenstromkollektor 114 wird so gebildet, dass er das gesamte Batterieelement 112 und außerdem Abschnitte des ersten Substrats 102 bedeckt. Insbesondere steht der Kathodenstromkollektor 114 direkt mit der rechten der Durchkontaktierungen 104 in Kontakt, wodurch ein Leitweg von dem Kathodenstromkollektor 114 zu der rechten der Durchkontaktierungen 108 und zu dem rechten Abschnitt der ersten Metallschicht 108 erzeugt wird. Eine Verkapselungsschicht 116 wird so gebildet, dass sie den Kathodenstromkollektor 114 und alle anderen frei liegenden Abschnitte des Substrats bedeckt. In bestimmten Ausführungsformen handelt es sich bei der Verkapselungsschicht 116 um ein isolierendes Material. Schließlich wird ein zweites Substrat 118 so gebildet, dass es die Verkapselungsschicht 116 bedeckt. Das zweite Substrat 118 kann aus den gleichen Materialien hergestellt werden wie das erste Substrat 102 oder aus anderen Materialien und kann mehrere Teilschichten aufweisen. In dieser Stufe des Herstellungsverfahrens ist der linke Abschnitt der ersten Metallschicht 108 mit keinem anderen Abschnitt der Mikrobatterieeinheit 100 elektrisch verbunden.
Nun Bezug nehmend auf 1E, wird auf der Unterseite des ersten Substrats 102 eine Haftschicht 120 gebildet und auf die Haftschicht wird ein Handler-Substrat 122 gestapelt. Sowohl die Haftschicht 120 als auch das Handler-Substrat 122 sind temporäre Strukturen, welche die weitere Fertigung der Einheit vereinfachen und welche anschließend entfernt werden, wie nachstehend detailliert beschrieben.
Nun Bezug nehmend auf 1F, werden Gräben 150 gebildet, zum Beispiel durch ein Laserfräsverfahren unter Verwendung der ersten Metallschicht 108 als eine Stoppschicht (d.h. das Entfernen der Schichten wird angehalten, wenn der Laser die erste Metallschicht 108 erreicht).
Nun Bezug nehmend auf 1G, wird eine Metallversiegelung 124 so, dass sie die Gräben 150 füllt, und oben auf dem zweiten Substrat 118 gebildet. Somit bedeckt die Metallversiegelung 124 die gesamten Seitenflächen sowie die obere Fläche der Mikrobatterieeinheit 100 und versiegelt diese hermetisch. In bestimmten Ausführungsformen wird die Metallversiegelung 124 durch Spritzgusslöten (IMS) gebildet, welches ein Metallabscheidungsverfahren ist, wobei geschmolzenes Lötmittel direkt in die Gräben 150 injiziert wird. Wie in 1G dargestellt, steht die Metallversiegelung 124 sowohl mit der rechten als auch mit der linken Seite der ersten Metallschicht 108 in Kontakt, wodurch ein Leitweg von dem Kathodenstromkollektor 114 zu der rechten Durchkontaktierung 104 zu der rechten Seite der ersten Metallschicht 108 durch die Metallversiegelung 124 und schließlich zu der linken Seite der ersten Metallschicht 108 erzeugt wird. Es könnte erwogen werden, dass die Kathode sowohl die rechte als auch die linke Seite der ersten Metallschicht 108 sowie die Metallversiegelung 124 umfasst. Somit fungiert der obere Abschnitt der Metallversiegelung 124 (d.h. der Abschnitt, der das zweite Substrat 118 bedeckt) als eine Kathode auf der Oberseite der Mikrobatterie 100 und die Anode 110 befindet sich auf der Unterseite der Mikrobatterie 100. Die Kathode und die Anode auf gegenüberliegenden Seiten der Mikrobatterie 100 zu haben, kann eine weniger komplizierte Reihenverbindung mehrerer Mikrobatterien 100 ermöglichen, wie nachstehend in Bezug auf 1J detailliert beschrieben, und kann auch eine weniger komplizierte Parallelverbindung mehrerer Mikrobatterien 100 ermöglichen, wie nachstehend in Bezug auf 1K detailliert beschrieben.
Nun Bezug nehmend auf 1H, werden das Handler-Substrat 122 und die Haftschicht 120 entfernt und anschließend wird auf der Unterseite des ersten Substrats 102 eine erste Isolatorschicht 126 gebildet. In bestimmten Ausführungsformen kann ein Laserablationsverfahren oder ein Ätzverfahren angewendet werden, um die Haftschicht 120 und das Handler-Substrat 122 zu entfernen. In bestimmten Ausführungsformen kann die erste Isolatorschicht 126 aus einem isolierenden Polymermaterial bestehen und trennt die Anodenseite der Mikrobatterie 100 elektrisch von der Kathodenseite der Mikrobatterie 100. Beispielsweise ist zwischen der Anode 110 und dem rechten Abschnitt der ersten Metallschicht 108 (welcher also als Teil der Kathode fungieren kann) ein isolierendes Material der ersten Isolatorschicht 126 positioniert. Wie in 1H dargestellt, wird die erste Isolatorschicht 126 so gebildet, dass sie dick genug ist, um alle frei liegenden Flächen der ersten Metallschicht 108 zu bedecken, während die Unterseitenfläche der Anode 110 weiter frei bleibt. In bestimmten Ausführungsformen ist die Anode 110 dicker als die erste Isolatorschicht 120.
Nun Bezug nehmend auf 1l, ist dort die Struktur der Mikrobatterie 100 nach der Vereinzelung dargestellt. Im Allgemeinen bezieht sich, wo eine Mehrzahl von Mikrobatterien auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt wird, eine Vereinzelung auf das Verfahren des Trennens oder Aufteilens dieser Einheiten in einzelne Mikrobatterien. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Vereinzelung das Entfernen von Abschnitten des ersten Substrats 102, der Verkapselungsschicht 116, des zweiten Substrats 118, der ersten Metallschicht 108 und der ersten Isolatorschicht 126 außerhalb (d.h. rechts und links) der Metallversiegelung 124, um die Mikrobatterie 100 bereitzustellen. In einer Ausführungsform kann ein Laserfräsverfahren angewendet werden, um die Vereinzelung durchzuführen. In einer anderen Ausführungsform wird Sägen angewendet, um die einzelnen Mikrobatterieeinheiten 100 zu trennen.
Nun Bezug nehmend auf 1J, sind dort drei verschiedene Mikrobatterien 100-1, 100-2 und 100-3 so dargestellt, dass sie in Reihe verbunden sind. In diesem Beispiel kann für eine Batteriereihenverbindung die erste Metallschicht 108-1 der Mikrobatterie 100-1 mit der Anode 110-3 der Mikrobatterie 100-3 (nicht dargestellt) verbunden sein. In bestimmten Ausführungsformen steht die Anode 110-1 einer ersten Mikrobatterie 100-1 mit dem oberen Abschnitt der Metallversiegelung 124-2 der zweiten Mikrobatterie 100-2 in Kontakt. Wenngleich in 1J zur Vereinfachung nicht dargestellt, erfolgt die gleiche Art der elektrischen Reihenverbindung zwischen der zweiten Mikrobatterie 100-2 und der dritten Mikrobatterie 100-3.
Nun Bezug nehmend auf 1K, sind dort drei verschiedene Mikrobatterien 100-1, 100-2, 100-3 so dargestellt, dass sie parallel verbunden sind. In diesem Beispiel könnte für eine Batterie-Parallelverbindung eine elektrische Verbindung (nicht dargestellt) für die Kathoden durch eine aus der ersten Metallschicht 108-1 der Mikrobatterie 100-1, der ersten Metallschicht 108-2 der Mikrobatterie 100-2 und der ersten Metallschicht 108-3 der Mikrobatterie 100-3 hergestellt werden, da sie alle durch die entsprechenden Metallversiegelungen 124-1, 124-2 und 124-3 elektrisch verbunden sind. Außerdem kann eine elektrische Verbindung (nicht dargestellt) erforderlich sein, um alle drei Anoden 110-1, 110-2 und 110-3 in der Batterie-Parallelschaltung zu verbinden. In bestimmten Ausführungsformen steht die Metallversiegelung 124-1 einer ersten Mikrobatterie 100-1 mit dem linken Abschnitt der Metallversiegelung 124-2 der zweiten Mikrobatterie 100-2 in Kontakt. Wenngleich zur Vereinfachung in 1K nicht dargestellt, erfolgt die gleiche Art der elektrischen Parallelverbindung zwischen der zweiten Mikrobatterie 100-2 und der dritten Mikrobatterie 100-3.
Nun Bezug nehmend auf 2A bis 2G und zunächst auf 2A, ist dort eine Ausführungsform einer zweischichtigen integrierten Festkörper-Mikrobatterie 250 dargestellt. Die einschichtige Mikrobatterie 200, die in 2A dargestellt ist, ist in einer Zwischenstufe des Herstellungsverfahrens dargestellt und ist in vielerlei Hinsicht eine ähnliche wie die Mikrobatterie 100, die in 1D dargestellt ist. Daher wird die Beschreibung der Herstellungsschritte der 1A bis 1D für diese Ausführungsformen nicht wiederholt. Ein Unterschied zwischen dem Mikrobatteriestapel 200 der 2A und der Mikrobatterie der 1D ist, dass das zweite Substrat 118, das in 1D dargestellt ist, nicht enthalten ist. Ein weiterer Unterschied ist, dass in 2A die polymere Isolatorschicht 126 enthalten ist. Die polymere Isolatorschicht in 2A kann die gleiche oder eine ähnliche sein wie die Isolatorschicht 126, die in 1H dargestellt ist. Diese etwas modifizierte Struktur des einschichtigen Mikrobatteriestapels 200 ermöglicht die Verbindung zweiter unterschiedlicher Batteriestapel, wie nachstehend in Bezug auf 2B beschrieben.
Nun Bezug nehmend auf 2B, wird ein erster Mikrobatteriestapel 200-A mit einem zweiten Mikrobatteriestapel 200-B verbunden, um die Mikrobatterieeinheit 250 zu bilden. Der erste Mikrobatteriestapel 200-A umfasst ein Substrat des ersten Batteriestapels 102-A, Durchkontaktierungen des ersten Batteriestapels 104-A, einen Anodenstromkollektor des ersten Batteriestapels 106-A, eine Metallschicht des ersten Batteriestapels 108-A, eine Anode des ersten Batteriestapels 110-A, ein Batterieelement des ersten Batteriestapels 112-A, einen Kathodenstromkollektor des ersten Batteriestapels 114-A, eine Verkapselungsschicht des ersten Batteriestapels 116-A und eine Isolierungsschicht des ersten Batteriestapels 126-A. In ähnlicher Weise umfasst der zweite Mikrobatteriestapel 200-B ein Substrat des zweiten Batteriestapels 102-B, Durchkontaktierungen des zweiten Batteriestapels 104-B, einen Anodenstromkollektor des zweiten Batteriestapels 106-B, eine Metallschicht des zweiten Batteriestapels 108-B, eine Anode des zweiten Batteriestapels 110-B, ein Batterieelement des zweiten Batteriestapels 112-B, einen Kathodenstromkollektor des zweiten Batteriestapels 114-B, eine Verkapselungsschicht des zweiten Batteriestapels 116-B und eine Isolierungsschicht des zweiten Batteriestapels 126-B.
Wie in 2B dargestellt, ist der erste Batteriestapel 200-A in Bezug auf den zweiten Batteriestapel 200-B umgedreht (d.h. kopfüber) angeordnet, so dass die Verkapselungsschicht des ersten Batteriestapels 116-A in direktem Kontakt mit der Verkapselungsschicht des zweiten Batteriestapels 116-B steht. Es versteht sich jedoch, dass zwischen der Verkapselungsschicht des ersten Batteriestapels 116-A und der Verkapselungsschicht des zweiten Batteriestapels 116-B andere Schichten (z.B. eine Haftschicht) ausgebildet sein können. Außerdem ist in bestimmten Ausführungsformen die Metallschicht des ersten Batteriestapels 108-A etwas anders strukturiert als die Metallschicht des zweiten Batteriestapels 108-B. In diesem Zusammenhang sind in der Metallschicht des ersten Batteriestapels 108-A erste Öffnungen 202 ausgebildet, um anschließende Laserfräsoperationen zu ermöglichen, wie nachstehend in Bezug auf 2D beschrieben.
Nun Bezug nehmend auf 2C, wird an dem ersten Batteriestapel 200-B ein Handler-Substrat 122 mit einer Haftschicht 120 befestigt. Bei dem Handler-Substrat kann es sich um den gleichen Substrattyp handeln, wie oben in Bezug auf die Ausführungsformen der 1A bis 1K beschrieben, oder um einen anderen als diesen.
Nun Bezug nehmend auf 2D, werden Gräben 202 zum Beispiel durch ein Laserfräsverfahren gebildet, wobei die Metallschicht des zweiten Batteriestapels 108-B als eine Stoppschicht benutzt wird (d.h. das Entfernen der Schichten wird angehalten, wenn der Laser die Metallschicht des zweiten Batteriestapels 108-B erreicht). Es versteht sich, dass, da in der Metallschicht des ersten Batteriestapels 108-A die Öffnungen 202 bereitgestellt wurden, die Metallschicht des ersten Batteriestapels 108-A kein Hindernis für das Laserfräsverfahren ist. Somit wird in dem Laserfräsverfahren das gesamte Material sowohl des ersten Batteriestapels 200-A als auch des zweiten Batteriestapels 200-B herunter bis zu der Ebene der Metallschicht des zweiten Batteriestapels 108-B entfernt.
Nun Bezug nehmend auf 2E, wird eine Metallversiegelung 204 gebildet, um die Gräben 202 zu füllen. Somit bedeckt die Metallversiegelung 204 die gesamten Seitenflächen sowohl des ersten Batteriestapels 200-A als auch des zweiten Batteriestapels 200-B und versiegelt diese hermetisch. In bestimmten Ausführungsformen wird die Metallversiegelung 204 durch Spritzgusslöten (IMS) gebildet, wobei das geschmolzene Lötmittel direkt in die Gräben 202 injiziert wird. Wie in 2E dargestellt, stellt die Metallversiegelung 204 einen elektrischen Leitweg zum Verbinden der rechten Seite der Metallschicht des ersten Batteriestapels 108-A mit der rechten Seite der Metallschicht des zweiten Batteriestapels 108-B bereit. Für dieses Beispiel einer Batterie-Parallelverbindung, wobei die Kathoden 108A und 108B elektrisch verbunden sind, und mit einer Parallelverbindung der Anoden 110A und 110B wird die gleiche Spannung, aber eine erhöhte Speicherkapazität erhalten als bei einer einzelnen Batterie. Außerdem stellt die Metallversiegelung 204 einen elektrischen Leitweg zum Verbinden der elektrischen Verbindung Umfang/links/Anode der Metallschicht des ersten Batteriestapels 108-A in diesem Beispiel mit der elektrischen Verbindung Umfang/links/Anode der Metallschicht des zweiten Batteriestapels 108-B bereit. Wie ebenfalls in 2E dargestellt, wird in der Isolierungsschicht des ersten Batteriestapels 126-A eine zweite Öffnung 206 gebildet, um die Anode des ersten Batteriestapels 110-A freizulegen.
Nun Bezug nehmend auf 2F, werden das Handler-Substrat 122 und die Haftschicht 120 entfernt, um die Anode des zweiten Batteriestapels 110-B freizulegen. Außerdem wird eine Vereinzelung durchgeführt, um die einzelnen Mikrobatterieeinheiten 250 herzustellen.
Nun Bezug nehmend auf 2G, sind dort drei verschiedene Mikrobatterien 250-1, 250-2 und 250-3 so dargestellt, dass sie verbunden sind. In Abhängigkeit von der angestrebten Anwendung können gestapelte Batteriestrukturen von zwei Batterien und zugehörigen Verbindungen zwischen den Batterien parallel sein, um die gleiche Spannung, aber eine höhere Speicherkapazität zu erhalten (z.B. sind beide Kathoden mit einem externen Draht verbunden und beide Anoden sind mit einem externen Draht verbunden), oder in Reihe sein, um eine höhere Spannung bei gleicher Kapazität zu erhalten (z.B. ist der externe Draht mit der Kathode der ersten Batterie verbunden, die Anode der ersten Batterie ist mit der Kathode der zweiten Batterie verbunden und die Anode der zweiten Batterie ist mit dem externen Draht verbunden). In ähnlicher Weise können für Multibatterien von beispielsweise drei oder vier oder mehr Batterien die Strukturen für die Integration und die Verbindungen Strukturen von Mikrobatterien für Multibatterien in Parallelschaltung, Multibatterien in Reihenschaltung oder eine Kombination von Reihen- und Parallelkonfigurationen ermöglichen. In bestimmten Ausführungsformen, z.B. für parallel verbundene Batteriestapel, steht die Batteriestapelanode 110-B einer ersten Mikrobatterie 250-1 mit der Batteriestapelanode 110-A der zweiten Mikrobatterie 250-2 in Kontakt und der zweite Kathodenkontakt (d.h. die erste Metallschicht 108) einer ersten Mikrobatterie 250-1 steht mit der Batteriestapelkathode (d.h. der ersten Metallschicht 108) der zweiten Mikrobatterie 250-2 in Kontakt. Obwohl in 2G nicht dargestellt, liegt die gleiche Art einer elektrischen Parallelverbindung zwischen der zweiten Mikrobatterie 250-2 und der dritten Mikrobatterie 250-3 vor. Alternativ könnte ein Reihenverbindungsstapel von Mikrobatterien auch mit einer Verbindung von Kathode zu Anode zwischen der ersten Mikrobatterie 250-1 und der zweiten Mikrobatterie 250-2 und auch von Kathode zu Anode zwischen der zweiten Mikrobatterie 250-2 und der dritten Mikrobatterie 250-3 konstruiert werden.
Nun Bezug nehmend auf 3A bis 3F und zunächst auf 3A und 3B, ist dort eine Ausführungsform einer zweischichtigen integrierten Festkörper-Mikrobatterie dargestellt. Die Mikrobatteriestapel 300-A und 300-B, die in 3A bzw. 3B dargestellt sind, sind in einer Zwischenstufe des Herstellungsverfahrens dargestellt und sie sind in vielerlei Hinsicht ähnliche wie bei der Mikrobatterie 100, die in 1C dargestellt sind. Daher wird für diese Ausführungsformen die Beschreibung der Herstellungsschritte der 1A bis 1C nicht wiederholt. Ein Unterschied zwischen den Mikrobatteriestapeln 300-A und 300-B und der Mikrobatterie 100 der 1C ist, dass die Größen und relativen Positionen der Anode und der Anodenstromkollektoren verschieden sind. Insbesondere sind die Anode des ersten Batteriestapels 110-A und die Anode des zweiten Batteriestapels 110-B größer und/oder erstrecken sich weiter nach links als die am weitesten links gelegene Seite des Anodenstromkollektors des ersten Batteriestapels 106-A bzw. des Anodenstromkollektors des zweiten Batteriestapels 106-B. Diese etwas modifizierte Struktur der Mikrobatteriestapel 300-A und 300-B ermöglicht die Verbindung von zwei verschiedenen Batteriestapeln, wie nachstehend in Bezug auf 3C beschrieben. Außerdem ist, wie ebenfalls in 3B beschrieben, durch das Substrat des zweiten Batteriestapels 102-B hindurch eine Metallverbindung 302 ausgebildet und steht mit der Anode des zweiten Batteriestapels 110-B in Kontakt. Auch ist die Gesamtheit der Metallverbindung 302 links von der am weitesten links gelegenen Seite des Anodenstromkollektors des ersten Batteriestapels 106-A und des Anodenstromkollektors des zweiten Batteriestapels 106-B ausgebildet.
Nun Bezug nehmend auf 3C, wird ein erster Mikrobatteriestapel 300-A mit einem zweiten Mikrobatteriestapel 300-B verbunden, um eine Mikrobatterie 350 zu bilden. Der erste Mikrobatteriestapel 300-A umfasst ein Substrat des ersten Batteriestapels 102-A, Durchkontaktierungen des ersten Batteriestapels 104-A, einen Anodenstromkollektor des ersten Batteriestapels 106-A, eine Metallschicht des ersten Batteriestapels 108-A, eine Anode des ersten Batteriestapels 110-A, ein Batterieelement des ersten Batteriestapels 112-A, einen Kathodenstromkollektor des ersten Batteriestapels 114-A, eine Verkapselungsschicht des ersten Batteriestapels 116-A und eine Isolierungsschicht des ersten Batteriestapels 304. In ähnlicher Weise umfasst der zweite Mikrobatteriestapel 200-B ein Substrat des zweiten Batteriestapels 102-B, Durchkontaktierungen des zweiten Batteriestapels 104-B, einen Anodenstromkollektor des zweiten Batteriestapels 106-B, eine Metallschicht des zweiten Batteriestapels 108-B, eine Anode des zweiten Batteriestapels 110-B, ein Batterieelement des zweiten Batteriestapels 112-B, einen Kathodenstromkollektor des zweiten Batteriestapels 114-B und eine Verkapselungsschicht des zweiten Batteriestapels 116-B. Wie ebenfalls in 3C dargestellt, ist auf der Oberseite des ersten Batteriestapels 300-A ein oberes Substrat 306 ausgebildet (d.h. auf der Verkapselungsschicht des ersten Batteriestapels 116-A ausgebildet). Außerdem erstreckt sich die oben in Bezug auf 3B beschriebene Metallverbindung 302 über die gesamte Strecke bis zu der unteren Fläche der Anode des ersten Batteriestapels 110-A herunter, wodurch die Anode des ersten Batteriestapels 110-A elektrisch mit der Anode des zweiten Batteriestapels 110-B verbunden wird. Diese Konfiguration ermöglicht eine gestapelte Mikrobatterie mit Parallelverbindung von Mikrobatterien mit Verbindungen Anode zu Anode und Verbindungen von Kathode zu Kathode.
Obwohl in den Figuren nicht dargestellt, kann eine Verschiebung der Position der ersten Metallschicht 108, der Durchkontaktierung 104, der Anodendurchkontaktierung (d.h. der Metallverbindung 302) und der Anode 110 (d.h. der Kontaktstelle) in einem Stapel von zwei oder mehr Batterien Verbindungen von Anode zu Kathode in einem Stapel von Mikrobatterien ermöglichen. Durch diese Art der Verbindung kann eine Batteriekonfiguration mit Reihenverbindung zusammen mit und unter Vermeidung einer elektrischen Verbindung von Randverbindungskontakten (d.h. Gräben 308 zu der ersten Metallschicht 108) mittels einer Dielektrikumsschicht (oder durch das Fehlen einer Kathodenverbindung zu der metallischen Versiegelung) bereitgestellt werden.
Nun Bezug nehmend auf 3D, werden Gräben 308 gebildet, beispielsweise durch ein Laserfräsverfahren unter Verwendung der Metallschicht des zweiten Batteriestapels 108-B als eine Stoppschicht (d.h. die Entfernung der Schichten wird angehalten, wenn der Laser die Metallschicht des zweiten Batteriestapels 108-B erreicht). Somit wird durch das Laserfräsen das gesamte Material sowohl des ersten Batteriestapels 300-A als auch des zweiten Batteriestapels 300-B bis zu der Ebene der Metallschicht des zweiten Batteriestapels 108-B herunter entfernt.
Nun Bezug nehmend auf 3E, wird so, dass die Gräben 308 gefüllt werden, und oben auf dem oberen Substrat 306 eine Metallversiegelung 310 gebildet. Somit bedeckt die Metallversiegelung 310 die gesamten Seitenflächen sowie die obere Fläche der Mehrstapel-Mikrobatterieeinheit 350 und versiegelt diese hermetisch. In bestimmten Ausführungsformen wird die Metallversiegelung 310 durch Spritzgusslöten (IMS) gebildet, wobei geschmolzenes Lötmittel direkt in die Gräben 308 injiziert wird. Wie in 3E dargestellt, steht die Metallversiegelung 310 sowohl mit der rechten als auch mit der linken Seite der Metallschicht des ersten Batteriestapels 108-A und der Metallschicht des zweiten Batteriestapels 108-B in Kontakt. Dadurch verbindet die Metallversiegelung 310 den Kathodenstromkollektor des ersten Batteriestapels 114-A mit dem Kathodenstromkollektor des zweiten Batteriestapels 114-B. Es könnte erwogen werden, dass die Kathode sowohl die rechten als auch die linken Seiten der Metallschicht des ersten Batteriestapels 108-A und der Metallschicht des zweiten Batteriestapels 108-B sowie die Metallversiegelung 310 umfasst. Somit fungiert der obere Abschnitt der Metallversiegelung 310 (d.h. der Abschnitt, der das obere Substrat 306 bedeckt) als eine Kathode auf der Oberseite der Mehrstapel-Mikrobatterie 350 und der frei liegende Abschnitt der Anode (d.h. der Anode des zweiten Batteriestapels 110-B) befindet sich auf der Unterseite der Mikrobatterie 350. Die Kathode und die Anode auf gegenüberliegenden Seiten der Mikrobatterie 350 zu haben, kann eine weniger komplizierte Reihenverbindung mehrerer Mikrobatterien 350 ermöglichen, ähnlich wie oben in Bezug auf 1J detailliert beschrieben.
Nun Bezug nehmend auf 3F, wird eine Vereinzelung durchgeführt, um eine Mehrzahl von einzelnen Mikrobatterien 350 herzustellen, und zwischen der Anode des zweiten Batteriestapels 110-B und der Metallschicht des zweiten Batteriestapels 108-B wird eine polymere Isolierungsschicht 126-B bereitgestellt, um die Anode und die Kathode elektrisch zu isolieren. Das Verfahren der Vereinzelung ist ein ähnliches wie jenes, das oben in Bezug auf die Ausführungsformen der 1A bis 1K und der 2A bis 2G beschrieben.
Die Metallversiegelungen der verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen stellen eine hermetische Versiegelung für mehrere Seiten (d.h. die Seitenwände und die Oberseite) der Mikrobatterieeinheit bereit. Diese Metallversiegelungsverkapselung ermöglicht, dass die Batterieeinheit eine höhere mechanische Festigkeit aufweist, während sie eine geringere Versiegelungsbreite ermöglicht (z.B. eine Breite von weniger als 30 um für die Seitenwände der Metallversiegelung). Dies führt zu einem kleineren Formfaktor im Vergleich zu existierenden Mikrobatterieeinheiten. Außerdem wird durch Bereitstellen der Anode und der Kathode auf verschiedenen Seiten (z.B. Oberseite und Unterseite) der Mikrobatterieeinheit eine Vereinfachung der Reihenverbindung/Parallelverbindung mehrerer Batterien ermöglicht. Ferner kann die hermetische Metallversiegelung eine längere Lagerungsbeständigkeit der Mikrobatterie ermöglichen (z.B. weniger als 3 % Energieverlust pro Jahr).
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen dienen der Veranschaulichung und sollen nicht erschöpfend oder auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein. Dem Fachmann werden viele Modifikationen und Variationen ersichtlich sein, die vorgenommen werden können, ohne vom Umfang und von der Idee der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Prinzipien der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder die technische Verbesserung gegenüber marktüblichen Technologien bestmöglich zu erläutern oder anderen Fachleuten zu ermöglichen, die hierin offenbarten Ausführungsformen zu verstehen.

Claims

Mikrobatterievorrichtung, aufweisend: eine erste Mikrobatterieeinheit, umfassend ein erstes Substrat, welches eine erste Metallanodendurchkontaktierung und eine erste Metallkathodendurchkontaktierung umfasst, ein erstes Batterieelement, welches auf dem ersten Substrat ausgebildet ist, wobei das erste Batterieelement einen ersten Kathodenstromkollektor, einen ersten Anodenstromkollektor, eine erste Kathode und eine erste Anode umfasst, wobei der erste Kathodenstromkollektor durch die erste Metallkathodendurchkontaktierung elektrisch mit der ersten Kathode verbunden ist und wobei der erste Anodenstromkollektor durch die erste Metallanodendurchkontaktierung elektrisch mit der ersten Anode verbunden ist, und eine Metallversiegelungsschicht, welche zumindest an Seitenwandflächen des ersten Batterieelements ausgebildet ist, wobei die Metallversiegelungsschicht mit der ersten Kathode elektrisch verbunden ist.
Mikrobatterievorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Metallversiegelungsschicht auch auf einer oberen Fläche des ersten Batterieelements ausgebildet ist.
Mikrobatterievorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Verkapselungsschicht, welche den ersten Kathodenstromkollektor bedeckt; und ein zweites Substrat, welches die Verkapselungsschicht bedeckt.
Mikrobatterievorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Verkapselungsschicht zwischen der Metallversiegelungsschicht und den Seitenwandflächen des ersten Batterieelements ausgebildet ist und das zweite Substrat zwischen der Metallversiegelungsschicht und der oberen Fläche des ersten Batterieelements ausgebildet ist.
Mikrobatterievorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine zweite Mikrobatterieeinheit, umfassend ein zweites Batterieelement, welches auf dem ersten Batterieelement ausgebildet ist, wobei das zweite Batterieelement einen zweiten Kathodenstromkollektor, einen zweiten Anodenstromkollektor, eine zweite Kathode und eine zweite Anode umfasst, und ein zweites Substrat, welches eine zweite Metallanodendurchkontaktierung und eine zweite Metallkathodendurchkontaktierung umfasst, wobei der zweite Kathodenstromkollektor durch die zweite Kathodendurchkontaktierung elektrisch mit der zweiten Kathode verbunden ist und wobei der zweite Anodenstromkollektor durch die zweite Anodendurchkontaktierung elektrisch mit der zweiten Anode verbunden ist, wobei die Metallversiegelungsschicht an den Seitenwandflächen des ersten Batterieelements und Seitenwandflächen des zweiten Batterieelements ausgebildet ist und wobei die Metallversiegelungsschicht elektrisch mit der ersten Kathode und der zweiten Kathode verbunden ist.
Mikrobatterievorrichtung nach Anspruch 5, wobei das zweite Batterieelement relativ zu dem ersten Batterieelement umgedreht angeordnet ist.
Mikrobatterievorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Mehrzahl der ersten Mikrobatterieeinheiten, die in Reihe oder parallel verbunden sind.
Mikrobatterievorrichtung, aufweisend: eine Mikrobatterieeinheit, umfassend ein erstes Substrat, welches eine erste Metallanodendurchkontaktierung und eine erste Metallkathodendurchkontaktierung umfasst, ein erstes Batterieelement, welches auf dem ersten Substrat ausgebildet ist, wobei das erste Batterieelement einen ersten Kathodenstromkollektor, einen ersten Anodenstromkollektor, eine erste Kathode und eine erste Anode umfasst, wobei der erste Kathodenstromkollektor durch die erste Metallkathodendurchkontaktierung elektrisch mit der ersten Kathode verbunden ist und wobei der erste Anodenstromkollektor durch die erste Anodendurchkontaktierung elektrisch mit der ersten Anode verbunden ist, und ein zweites Substrat, welches auf dem ersten Batterieelement ausgebildet ist und eine zweite Metallanodendurchkontaktierung und eine zweite Metallkathodendurchkontaktierung umfasst, und ein zweites Batterieelement, welches auf dem zweiten Substrat ausgebildet ist, wobei das zweite Batterieelement einen zweiten Kathodenstromkollektor, einen zweiten Anodenstromkollektor, eine zweite Kathode und eine zweite Anode umfasst, wobei der zweite Kathodenstromkollektor durch die zweite Kathodendurchkontaktierung elektrisch mit der zweiten Kathode verbunden ist und wobei der zweite Anodenstromkollektor durch die zweite Anodendurchkontaktierung elektrisch mit der zweiten Anode verbunden ist, eine Metallverbindung, welche die erste Anode elektrisch mit der zweiten Anode verbindet, und eine Metallversiegelungsschicht, welche an Seitenwandflächen des ersten und des zweiten Batterieelements ausgebildet ist, wobei die Metallversiegelungsschicht mit der ersten Kathode und der zweiten Kathode elektrisch verbunden ist.
Mikrobatterievorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Metallversiegelungsschicht auch auf einer oberen Fläche des zweiten Batterieelements ausgebildet ist.
Mikrobatterievorrichtung nach Anspruch 8, ferner aufweisend: eine erste Verkapselungsschicht, welche den ersten Kathodenstromkollektor bedeckt, wobei das zweite Substrat auf der Verkapselungsschicht ausgebildet ist; eine zweite Verkapselungsschicht, welche den zweiten Kathodenstromkollektor bedeckt; und ein drittes Substrat, welches auf der zweiten Verkapselungsschicht ausgebildet ist.
Mikrobatterievorrichtung nach Anspruch 8, wobei das zweite Batterieelement mit dem ersten Batterieelement elektrisch in Reihe verbunden ist.
Mikrobatterievorrichtung nach Anspruch 8, ferner aufweisend eine Mehrzahl der Mikrobatterieeinheiten, die in Reihe oder parallel verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung einer Mikrobatterievorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer Mikrobatterieeinheit durch Bilden einer ersten Metallanodendurchkontaktierung und einer ersten Metallkathodendurchkontaktierung in einem ersten Substrat, Bilden einer ersten Metallschicht auf einer Unterseite des ersten Substrats, Bilden eines ersten Batterieelements auf einer Oberseite des ersten Substrats, Bilden einer Verkapselungsschicht um das erste Batterieelement herum, Bilden von Gräben durch die Verkapselungsschicht und das erste Substrat auf verschiedenen Seiten des ersten Batterieelements, und Bilden einer Metallversiegelungsschicht in den Gräben, um zumindest eine Mehrzahl von Seitenwandflächen des ersten Batterieelements zu bedecken, wobei die Metallversiegelungsschicht durch die erste Metallschicht und die erste Metallkathodendurchkontaktierung elektrisch mit dem Batterieelement verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bilden des ersten Batterieelements umfasst: Bilden eines ersten Kathodenstromkollektors; Bilden einer ersten Batterie auf dem ersten Kathodenstromkollektor; Bilden eines ersten Anodenstromkollektors auf der ersten Batterie; wobei der erste Kathodenstromkollektor durch die erste Metallkathodendurchkontaktierung elektrisch mit der ersten Kathode verbunden ist und wobei der erste Anodenstromkollektor durch die erste Metallanodendurchkontaktierung elektrisch mit der ersten Anode verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Metallversiegelungsschicht auch auf einer oberen Fläche des ersten Batterieelements gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend elektrisches In-Reihe-Verbinden einer Mehrzahl der Mikrobatterieeinheiten.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Mehrzahl der Mikrobatterieeinheiten in einer gestapelten Konfiguration verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend elektrisches Parallelverbinden einer Mehrzahl der Mikrobatterieeinheiten, wobei die Mehrzahl der Mikrobatterieeinheiten in einer gestapelten Konfiguration verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend Bilden einer Mehrzahl der Mikrobatterieeinheiten in einer zweidimensionalen Matrix.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend Trennen der Mikrobatterieeinheiten voneinander mit einem Vereinzelungsverfahren durch Laserfräsen.