DE112018003107T5 - Gestapelte batteriestruktur - Google Patents

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Akihiro Horibe
Takahito Watanabe
Kuniaki Sueoka
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Abstract

Eine Technik wird offenbart, die sich auf eine Batteriestruktur bezieht. Ein Basissubstrat und eine Batterieschicht mit einem Trägersubstrat werden hergestellt. Die Batterieschicht enthält eine Schutzschicht, die auf dem Trägersubstrat ausgebildet ist, ein Dünnschicht-Batterieelement, das auf der Schutzschicht ausgebildet ist, und einen Isolator, der das Dünnschicht-Batterieelement bedeckt. Die Batterieschicht wird auf dem Basissubstrat platziert, wobei die Unterseite des Trägersubstrats aufwärts gewandt ist. Das Trägersubstrat wird anschließend zumindest zum Teil durch Ätzen von der Batterieschicht entfernt, während das Dünnschicht-Batterieelement durch die Schutzschicht geschützt wird. Darüber hinaus wird eine gestapelte Batteriestruktur offenbart, die das Basissubstrat und die zwei oder mehr Batterieschichten enthält.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Batterietechnologie und im Besonderen auf eine gestapelte Batteriestruktur und ein Verfahren zum Fertigen derselben. Die vorliegende Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Verfahren zum Fertigen einer gestapelten Struktur.
  • HINTERGRUND
  • In letzter Zeit hat eine Festkörper-Dünnschichtbatterie (solid thin film battery, STFB) als vielversprechende wiederaufladbare Batterie für Einheiten des Internets der Dinge (Internet of Things, loT) im Hinblick auf ihren geringen Platzbedarf und ihre Unbedenklichkeit Aufmerksamkeit erregt. Im Allgemeinen weist eine STFB jedoch keine ausreichende Energiekapazität auf. Da die Kapazität der STFB aufgrund von Beschränkungen der Kathodendicke begrenzt ist und ein Erhöhen der Dicke der STFB bekanntlich technisch schwierig ist, ist ein Stapeln (oder eine 3-dimensionale Montage) eine der Lösungen zum Vergrößern der Kapazität der Batterie mithilfe der STFB. Die Dicke des Substrats, auf dem die STFB gefertigt wird, wird jedoch zum Engpass beim Erzielen einer Batterie mit großer Kapazität.
  • Auf dem Gebiet von Prozessen zum Fertigen von Halbleitereinheiten ist ein Schleifen der Rückseite von Wafern, bei dem es sich um einen Prozess zum Verringern der Dicke von Wafern durch mechanisches Schleifen handelt, als gebräuchlichste Technik zum Verringern der Dicke von Wafern bekannt. Es bestehen jedoch mehrere Nachteile beim Anwenden des Prozesses zum Schleifen der Rückseite von Wafern zum Fertigen einer gestapelten Dünnschicht-Batteriestruktur. Zu solchen Nachteilen zählen eine Grenze der Substratdicke, die durch mechanisches Schleifen verringert werden kann. Wenngleich die Dicke der Wafer bis hinunter auf 75 bis 50 um verringert werden kann, ist sie dennoch um ein Mehrfaches dicker als die Dicke der STFB, die weniger als oder gleich etwa zehn Mikrometer (~10 um) betragen kann.
  • Es wurde eine mehrschichtige Dünnschichtbatterie vorgeschlagen, die eine erste Dünnschichtbatterie und eine zweite Dünnschichtbatterie enthält, bei der Kathodenstromabnehmer und Anodenstromabnehmer auf ersten Flächen ausgebildet sind und die erste und die zweite Dünnschichtbatterie in einer solchen Art geschichtet sind, dass die jeweiligen ersten Flächen einander zugewandt sind ( US-Patent Nr. 9 634 334 ). Die Dicke des Substrats, auf dem die Dünnschichtbatterie gefertigt wird, ist jedoch weiterhin ein Engpass beim Erzielen einer Batterie mit großer Kapazität.
  • Darüber hinaus wurde eine monolithisch integrierte Dünnschicht-Festkörper-Lithiumbatterieeinheit vorgeschlagen, die mehrere Schichten von elektrochemischen Lithiumzellen enthält (US-Patentanmeldung US2012/0058380 ). Da jedoch die mehreren Schichten der elektrochemischen Lithiumzellen nacheinander durch Techniken physikalischer Gasphasenabscheidung gefertigt werden, sind die Materialien, die für die Kathode gewählt werden können, in der integrierten Dünnschicht-Festkörper-Lithiumbatterieeinheit begrenzt. Die Kathodenmaterialien wie zum Beispiel LiCoO2 erfordern einen Hochtemperatur-Temperprozess, der nicht angewendet werden kann, da dies ein nacheinander erfolgendes Stapeln im Hinblick auf eine Wärmebeständigkeit sonstiger Komponenten erschwert.
  • Daher besteht ein Bedarf an einer neuartigen Batteriestruktur, die in der Lage ist, die Gesamtdicke der Batteriestruktur zu verringern und gleichzeitig ihre Kapazität aufrechtzuerhalten.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Fertigen einer gestapelten Batteriestruktur bereitgestellt. Das Verfahren enthält ein Herstellen eines Basissubstrats. Das Verfahren enthält darüber hinaus ein Herstellen einer Batterieschicht, die auf einem Trägersubstrat ausgebildet wird, wobei die Batterieschicht eine auf dem Trägersubstrat ausgebildete Schutzschicht, ein auf der Schutzschicht ausgebildetes Dünnschicht-Batterieelement und einen Isolator enthält, der das Dünnschicht-Batterieelement bedeckt. Das Verfahren enthält des Weiteren ein Platzieren der Batterieschicht auf dem Basissubstrat, wobei die Unterseite des Trägersubstrats aufwärts gewandt ist. Das Verfahren enthält des Weiteren ein zumindest teilweises Entfernen des Trägersubstrats von der Batterieschicht durch Ätzen, während das Dünnschicht-Batterieelement durch die Schutzschicht geschützt wird.
  • Die gestapelte Batteriestruktur, die durch die Verfahren gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gefertigt wird, kann eine geringere Gesamtdicke aufweisen und gleichzeitig die Kapazität und die Produktionskosten der gestapelten Batteriestruktur aufrechterhalten, die ebenfalls niedrig sind, da das Trägersubstrat, auf dem das Dünnschicht-Batterieelement ausgebildet wird, durch Ätzen in der Dicke verringert oder beseitigt werden kann, während das Dünnschicht-Batterieelement geschützt wird.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Verfahren ferner ein abwechselndes Wiederholen eines Stapelns einer zusätzlichen Batterieschicht, die ein weiteres Trägersubstrat aufweist, wobei eine Unterseite des weiteren Trägersubstrats aufwärts gewandt ist, und eines zumindest teilweisen Entfernens des weiteren Trägersubstrats von der zusätzlichen Batterieschicht durch Ätzen, bis eine gewünschte Anzahl der Batterieschichten gestapelt ist. Die zusätzliche Batterieschicht enthält eine Schutzschicht, ein Dünnschicht-Batterieelement und einen Isolator. Dadurch kann die Kapazität der gestapelten Batteriestruktur erhöht werden und gleichzeitig die Gesamtdicke der Batteriestruktur aufrechterhalten werden. Da die Dicke, die durch Stapeln einer Einheit der Batterieschicht erhöht werden soll, gering ist, ist es möglich, die Anzahl der innerhalb einer bestimmten Dicke gestapelten Batterieschichten zu erhöhen.
  • Bei sonstigen bevorzugten Ausführungsformen enthält das Entfernen des Trägersubstrats ein Nassätzen des Trägersubstrats bis zum Erreichen der Schutzschicht. Da das Trägersubstrat durch kostengünstiges Nassätzen vollständig beseitigt werden kann, ohne das Dünnschicht-Batterieelement hinter der Schutzschicht zu beschädigen, ist es möglich, die Gesamtdicke so weit wie möglich zu verringern und gleichzeitig einen Anstieg der Fertigungskosten aufgrund einer Verringerung der Substratdicke zu unterbinden.
  • Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist das Trägersubstrat aus einem Glasmaterial hergestellt, kann das Nassätzen ein Ätzen mithilfe einer Lösung aus gepufferter Flusssäure (buffered hydrofluoric acid, BHF) enthalten, fungiert die Schutzschicht als Ätzstopper gegenüber der BHF-Lösung und ist das Basissubstrat aus einem Material mit einer Beständigkeit gegenüber der BHF-Lösung hergestellt. Auf diese Weise kann der Durchsatz des Entfernens des Trägersubstrats erhöht werden und kann ein Werkzeug oder ein Material zum Schützen des Basissubstrats unnötig werden.
  • Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist das Basissubstrat mit einer darauf ausgebildeten Basisbatterieschicht ausgestattet, die ein auf dem Basissubstrat ausgebildetes Dünnschicht-Batterieelement und einen Isolator enthält, der das auf dem Basissubstrat ausgebildete Dünnschicht-Batterieelement bedeckt. Beim Platzieren der Batterieschicht auf dem Basissubstrat wird die Batterieschicht auf dem Isolator der Basisbatterieschicht platziert. Dadurch wird der Fertigungsprozess effizienter.
  • Bei weiteren sonstigen bevorzugten Ausführungsformen enthält das Dünnschicht-Batterieelement in jeder Batterieschicht Stromabnehmer und eine Batteriezelle, die mit den Stromabnehmern in Kontakt steht. Das Verfahren enthält des Weiteren ein Ausbilden eines Durchgangslochs in den Batterieschichten so, dass es sich durch zumindest eine Schicht bis zu einer Schicht unter der zumindest einen Schicht erstreckt, wobei die Trägersubstrate bis hinunter zu der Schicht durch das Ätzen beseitigt worden sind. Das Verfahren enthält des Weiteren ein Füllen eines leitfähigen Materials in das Durchgangsloch oder ein Abscheiden eines leitfähigen Materials auf eine innere Fläche des Durchgangslochs, um einen leitenden Pfad auszubilden, der mit zumindest einem Stromabnehmer in den Batterieschichten elektrisch verbunden ist. Da das Durchgangsloch, das sich über mindestens zwei Batterieschichten erstreckt, gemeinsam gefertigt werden kann, kann der Fertigungsprozess für den leitenden Pfad vereinfacht werden.
  • Bei weiteren sonstigen bevorzugten Ausführungsformen enthält das Ausbilden des Durchgangslochs ein Bohren zumindest einer Schutzschicht und zumindest eines Isolators in den Batterieschichten durch Laserbearbeitung, wobei der Stromabnehmer verbleibt. Daher können die Fertigungskosten für den leitenden Pfad gesenkt werden.
  • Bei weiteren sonstigen bevorzugten Ausführungsformen weist das Durchgangsloch mehrere Teilabschnitte auf und weisen die mehreren Teilabschnitte zumindest eine horizontale Abmessung auf, die in den Batterieschichten, die auf das Basissubstrat gestapelt sind, von unten nach oben vergrößert ist, und überlappen einander in einer horizontalen Ebene im Hinblick auf das Basissubstrat. Der leitende Pfad weist Kontakte mit mehreren Stromabnehmern in verschiedenen Batterieschichten auf, wobei jeder Kontakt auf einer Fläche jedes der mehreren Stromabnehmer erzielt wird. Die Zuverlässigkeit von Kontakten zwischen dem leitenden Pfad und den Stromabnehmern kann daher verbessert werden.
  • Gemäß sonstigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine gestapelte Batteriestruktur bereitgestellt, die ein Basissubstrat und zwei oder mehr Batterieschichten auf dem Basissubstrat enthält. Jede Batterieschicht enthält eine Schutzschicht; ein Dünnschicht-Batterieelement, das auf der Schutzschicht ausgebildet ist; und einen Isolator, der das Dünnschicht-Batterieelement bedeckt. In der gestapelten Batteriestruktur sind die Batterieschichten im Hinblick auf das Basissubstrat umgedreht gestapelt, sodass sich jeder Isolator auf einer Seite des Basissubstrats befindet, sich jede Schutzschicht auf einer der Seite des Basissubstrats gegenüberliegenden Seite befindet und sich der Isolator einer oberen der Batterieschichten mit einer unteren der Batterieschichten verbindet.
  • Die gestapelte Batteriestruktur gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine geringere Gesamtdicke aufweisen und gleichzeitig ihre Kapazität aufrechterhalten oder kann eine große Kapazität aufweisen und gleichzeitig die Gesamtdicke der Batteriestruktur aufrechterhalten. Da die Dicke, die durch Stapeln einer Einheit der Batterieschicht erhöht werden soll, gering ist, ist es möglich, die Anzahl der innerhalb einer bestimmten Dicke gestapelten Batterieschichten zu erhöhen.
  • Bei sonstigen bevorzugten Ausführungsformen weist der Isolator der oberen der Batterieschichten eine Oberflächenbindung an die Schutzschicht der unteren der Batterieschichten auf. Bei einer weiteren sonstigen bevorzugten Ausführungsform ist kein steifes Material zwischen den Isolator der oberen und die Schutzschicht der unteren gefügt. Dies ermöglicht, die Gesamtdicke zu verringern.
  • Gemäß weiteren sonstigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine elektronische Einheit bereitgestellt, die ein elektronisches Bauteil und eine gestapelte Batteriestruktur enthält. Die gestapelte Batteriestruktur enthält ein Basissubstrat, zwei oder mehr Batterieschichten auf dem Basissubstrat und eine Verdrahtungsschicht zum Verbinden der gestapelten Batteriestruktur mit dem elektronischen Bauteil. Jede Batterieschicht enthält eine Schutzschicht. Jede Batterieschicht enthält darüber hinaus ein auf der Schutzschicht ausgebildetes Dünnschicht-Batterieelement, das dazu verwendet wird, das elektronische Bauteil durch die Verdrahtungsschicht mit Strom zu versorgen. Jede Batterieschicht enthält des Weiteren einen Isolator, der das Dünnschicht-Batterieelement bedeckt. In der elektronischen Einheit sind die Batterieschichten im Hinblick auf das Basissubstrat umgedreht gestapelt, sodass sich jeder Isolator auf einer Seite des Basissubstrats befindet, sich jede Schutzschicht auf einer der Seite des Basissubstrats gegenüberliegenden Seite befindet und sich der Isolator einer oberen der Batterieschichten mit einer unteren der Batterieschichten verbindet.
  • Die elektronische Einheit gemäß einer weiteren sonstigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Batterie mit einer großen Kapazität aufweisen und gleichzeitig einen geringen Platzbedarf für die Batterie aufrechterhalten.
  • Gemäß weiteren sonstigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine gestapelte Batteriestruktur bereitgestellt. Die gestapelte Batteriestruktur wird gefertigt, indem eine Batterieschicht, die ein Trägersubstrat aufweist, auf einem Basissubstrat platziert wird, wobei die Unterseite des Trägersubstrats aufwärts gewandt ist, wobei die Batterieschicht eine auf dem Trägersubstrat ausgebildete Schutzschicht; ein auf der Schutzschicht ausgebildetes Dünnschicht-Batterieelement und einen Isolator enthält, der das Dünnschicht-Batterieelement bedeckt. Die gestapelte Batteriestruktur wird gefertigt, indem des Weiteren das Trägersubstrat durch Ätzen zumindest zum Teil von der Batterieschicht entfernt wird, während das Dünnschicht-Batterieelement durch die Schutzschicht geschützt wird.
  • Die gestapelte Batteriestruktur gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine geringere Gesamtdicke aufweisen und gleichzeitig ihre Kapazität aufrechterhalten, da das Trägersubstrat, auf dem das Dünnschicht-Batterieelement ausgebildet ist, in der Dicke verringert oder beseitigt werden kann, während das Dünnschicht-Batterieelement geschützt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Fertigen einer gestapelten Struktur bereitgestellt. Das Verfahren enthält ein Herstellen eines Basissubstrats. Das Verfahren enthält ein Herstellen einer Einheitenelementschicht, die ein Trägersubstrat aufweist, die eine auf dem Trägersubstrat ausgebildete Schutzschicht, ein auf der Schutzschicht ausgebildetes Einheitenelement und ein Haftmaterial enthält, das das Einheitenelement bedeckt. Das Verfahren enthält ein Platzieren der Einheitenelementschicht auf dem Basissubstrat, wobei die Unterseite des Trägersubstrats aufwärts gewandt ist. Das Verfahren enthält des Weiteren ein Ätzen des Trägersubstrats von der Unterseite des Trägersubstrats, bis die Schutzschicht der Einheitenelementschicht erreicht wird.
  • Die gestapelte Struktur gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine geringere Gesamtdicke aufweisen und gleichzeitig die Anzahl von gestapelten Einheitenschichten in der gestapelten Struktur aufrechterhalten, da das Trägersubstrat, auf dem die Einheiten ausgebildet werden, beseitigt wird, während das Einheitenelement geschützt wird.
  • Zusätzliche Merkmale und Vorteile werden durch die Techniken der vorliegenden Erfindung umgesetzt. Sonstige Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung werden hierin ausführlich beschrieben und werden als Teil der beanspruchten Erfindung betrachtet.
  • Figurenliste
  • Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, wird in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung genau dargelegt und ausdrücklich beansprucht. Die obigen und sonstige Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es ist zu beachten, dass die Größen und die relativen Positionen von Elementen und Schichten in den Zeichnungen nicht zwingend maßstabsgetreu gezeichnet sind. Einige dieser Elemente oder Schichten sind beliebig vergrößert und positioniert, um die Lesbarkeit der Zeichnung zu verbessern.
    • 1 veranschaulicht eine Querschnittansicht einer gestapelten Batteriestruktur gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2A, 2B, 2C, 2D und 2E veranschaulichen Querschnittansichten von Strukturen, die in jedem Schritt in einem ersten Drittel des Fertigungsprozesses einer gestapelten Batteriestruktur gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gewonnen werden.
    • 3A, 3B und 3C veranschaulichen Querschnittansichten von Strukturen, die in jedem Schritt in einem mittleren Drittel des Fertigungsprozesses der gestapelten Batteriestruktur gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gewonnen werden.
    • 4A, 4B und 4C veranschaulichen Querschnittansichten von Strukturen, die in jedem Schritt in einem letzten Drittel des Fertigungsprozesses der gestapelten Batteriestruktur gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gewonnen werden.
    • 5 zeigt eine Darstellung von verbundenen Stromabnehmern in der gestapelten Batteriestruktur gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 6A, 6B, 6C, 6D, 6E und 6F veranschaulichen einen Prozess zum Fertigen einer Durchkontaktierung mit einer stufenförmigen Struktur gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
    • 7A und 7B veranschaulichen Querschnittansichten von gestapelten Batteriestrukturen gemäß sonstigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
    • 8A und 8B stellen elektronische Einheiten dar, die eine gestapelte Batteriestruktur gemäß einer oder mehreren beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten.
    • 9A und 9B beschreiben einen Vergleich zwischen gestapelten Batteriestrukturen mit und ohne Anwenden eines neuartigen Prozesses zum Entfernen eines Trägersubstrats gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bestimmter Ausführungsformen beschrieben, und es versteht sich, dass die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen lediglich als Beispiele zu bezeichnen sind und den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken sollen.
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine gestapelte Batteriestruktur, auf ein Verfahren zum Fertigen der gestapelten Batteriestruktur, auf eine gestapelte Batteriestruktur, die durch das Verfahren gefertigt wird, auf eine elektronische Einheit, die die gestapelte Batteriestruktur enthält, wobei eine große Batteriekapazität in volumeneffizienter Weise erzielt werden kann.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 1 eine gestapelte Batteriestruktur gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • 1 veranschaulicht eine schematische Darstellung einer gestapelten Batteriestruktur 100. Eine Querschnittansicht der gestapelten Batteriestruktur 100 wird in 1 dargestellt. Wie in 1 dargestellt, enthält die gestapelte Batteriestruktur 100 ein Basissubstrat 102; eine Mehrzahl von Batterieschichten 110, 140, die auf dem Basissubstrat 102 gestapelt sind, die jeweils zumindest ein Dünnschicht-Batterieelement enthalten; ein Paar Durchkontaktierungen 172, 174, die in den gestapelten Batterieschichten 110, 140 ausgebildet sind; und eine Verdrahtungsschicht 180, die auf der Oberseite der gestapelten Batterieschichten 110, 140 ausgebildet ist.
  • In der beschriebenen Ausführungsform können die auf dem Basissubstrat 102 gestapelten Batterieschichten eine aufwärts gerichtete Basisbatterieschicht 110, deren Dünnschicht-Batterieelement aufwärts gewandt ist, und zwei oder mehr abwärts gerichtete Batterieschichten 140 enthalten, deren Dünnschicht-Batterieelement abwärts gewandt ist. In der in 1 dargestellten gestapelten Batteriestruktur 100 befinden sich eine aufwärts gerichtete Basisbatterieschicht 110 und zwei abwärts gerichtete Batterieschichten 140A, 140B, die auf der aufwärts gerichteten Basisbatterieschicht 110 gestapelt sind.
  • Die aufwärts gerichtete Basisbatterieschicht 110 kann auf dem Basissubstrat 102 ausgebildet sein. Die aufwärts gerichtete Basisbatterieschicht 110 kann ein Dünnschicht-Batterieelement 120, das auf dem Basissubstrat 102 ausgebildet ist, und einen Isolator 132 enthalten, der das Dünnschicht-Batterieelement 120 bedeckt. Die abwärts gerichteten Batterieschichten 140 können auf dem Isolator 132 der aufwärts gerichteten Basisbatterieschicht 110 angeordnet sein.
  • Jede abwärts gerichtete Batterieschicht 140 enthält eine Schutzschicht 144, ein Dünnschicht-Batterieelement 150, das auf der Schutzschicht 144 ausgebildet ist, und einen Isolator 162, der das Dünnschicht-Batterieelement 150 bedeckt.
  • Es ist zu beachten, dass die Ausrichtung des Dünnschicht-Batterieelements 150 in der abwärts gerichteten Batterieschicht 140 derjenigen der aufwärts gerichteten Basisbatterieschicht 110 entgegengesetzt ist. Jede abwärts gerichtete Batterieschicht 140 ist auf ihrer darunterliegenden Batterieschicht (110 oder 140) im Hinblick auf das Basissubstrat 102 umgekehrt angeordnet, sodass sich jeder Isolator 162 auf der Seite des Basissubstrats 102 befindet und sich jede Schutzschicht 144 auf einer der Seite des Basissubstrats gegenüberliegenden Seite befindet. Die abwärts gerichteten Batterieschichten 140 sind so gestapelt, dass sich der Isolator einer oberen der Batterieschichten (z.B. 162B) mit einer unteren der Batterieschichten (z.B. 140A) verbindet und sich der Isolator der untersten abwärts gerichteten Batterieschicht (d.h., 162A in 1) mit der aufwärts gerichteten Basisbatterieschicht 110 verbindet.
  • Das Basissubstrat 102 kann aus einem beliebigen steifen Material wie zum Beispiel einem Silicium, einer Aluminiumoxidkeramik, einem Glas, Glimmer usw., um nur einige zu nennen, hergestellt sein. Da der Fertigungsprozess des Dünnschicht-Batterieelements 120 jedoch einen Erwärmungsprozess für ein Kathodenmaterial enthalten kann, ist das Basissubstrat 102 bevorzugt aus wärmebeständigen Materialien hergestellt, die dem Erwärmungsprozess für das Kathodenmaterial standhalten können.
  • Die Schutzschicht 144 kann aus einem chemisch beständigen Material hergestellt sein, das als Ätzstopper gegenüber einem Nassätzen verwendbar sein kann, das in dem Fertigungsprozess der gestapelten Batteriestruktur 100 durchgeführt werden kann. Der Fertigungsprozess wird im Folgenden beschrieben. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist die Schutzschicht 144 aus einem chemisch inerten Material hergestellt, das als Ätzstopper gegenüber einem Nassätzen mithilfe einer Lösung aus gepufferter Flusssäure (BHF) verwendbar ist. Die Schutzschicht 144 kann darüber hinaus verhindern, dass Feuchtigkeit oder eine Flüssigkeit wie zum Beispiel ein Elektrolyt in Komponenten des Dünnschicht-Batterieelements 150 eindringt. Angesichts des Fertigungsprozesses des Dünnschicht-Batterieelements 150 ist die Schutzschicht 144, auf der das Dünnschicht-Batterieelement 150 gefertigt wird, bevorzugt aus wärmebeständigen Materialien hergestellt, die dem Erwärmungsprozess für das Kathodenmaterial standhalten können. Angesichts des Fertigungsprozesses der Durchkontaktierungen 172, 174 ist die Schutzschicht 144, durch die Durchgangslöcher gefertigt werden, bevorzugt aus einem Material mit einer relativ geringeren Trockenätzbeständigkeit hergestellt, das laserbearbeitet werden kann. Zu solchen Materialien zählen Siliciumnitride SiN (z.B. Si3N4), ohne darauf beschränkt zu sein. Bei sonstigen Ausführungsformen können jedoch auch sonstige anorganische Materialien wie zum Beispiel Polysilicium verwendet werden, sofern das Material eine Fertigung von Durchgangslöchern nicht beeinträchtigt und eine Ätz- und Wärmebeständigkeit aufweist. Das Material der Schutzschicht 144 kann durch praktisch jedes Standardmittel einschließlich Techniken zur Gasphasenabscheidung abgeschieden werden. Die Dicke der Schutzschicht 144 kann in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 1,0 um liegen.
  • Die Isolatoren 132, 162 können aus einem Haftmaterial wie zum Beispiel einem Harz mit einer bestimmten Härtungstemperatur hergestellt sein, die zum Beispiel in einem Bereich von 150 bis 250 Grad Celsius liegen kann. Ein beliebiges laserbearbeitbares Haftharz, das durch einen Laser gebohrt werden kann, kann als Material für den Isolator 132, 162 verwendet werden. Zu einem solchen Harz kann ein BCB(Benzocyclobuten)-Harz usw. zählen, um nur einige zu nennen.
  • Die aufwärts gerichtete Basisbatterieschicht 110 und die untersten abwärts gerichteten Batterieschichten 140A können durch die Isolatoren 132, 162A der Batterieschichten 110, 140A verbunden sein. Die unteren und oberen abwärts gerichteten Batterieschichten (z.B. 140A, 140B) können durch den oberen Isolator (z.B. 162B) verbunden sein, der dazwischen bereitgestellt wird.
  • Durch Härten können die Isolatoren 132 der aufwärts gerichteten Basisbatterieschicht 110 und des Isolators 162A der untersten abwärts gerichteten Batterieschichten 140A integral aneinander befestigt sein. Der Isolator der oberen Batterieschicht (z.B. 162B) kann eine Oberfläche aufweisen, die sich mit der Schutzschicht der unteren Batterieschicht (z.B. 144A) verbindet. In der in 1 dargestellten abschließenden gestapelten Batteriestruktur 100 ist kein steifes Material zwischen den Isolator der oberen (z.B. 162B) und die Schutzschicht der unteren (z.B. 144A) gefügt.
  • Jedes Dünnschicht-Batterieelement 150 in der abwärts gerichteten Batterieschicht 140 kann einen Kathodenstromabnehmer (cathode current collector, CCC) 152; eine Kathode 154, die mit dem Kathodenstromabnehmer 152 verbunden ist; einen Elektrolyten 156, der eine Grenzfläche zu der Kathode 154 aufweist; eine Anode 158, die eine Grenzfläche zu dem Elektrolyten 156 aufweist; und einen Anodenstromabnehmer (anode current collector, ACC) 160 enthalten, der mit der Anode 158 verbunden ist. Die Kathode 154, der Elektrolyt 156 und die Anode 158 bilden eine Batteriezelle, die mit den Stromabnehmern 152, 160 in Kontakt steht. Das Dünnschicht-Batterieelement 120 in der aufwärts gerichteten Basisbatterieschicht 110 kann eine Struktur aufweisen, die mit derjenigen des Dünnschicht-Batterieelements 150 in der abwärts gerichteten Batterieschicht 170 übereinstimmt oder dieser ähnlich ist, und kann darüber hinaus einen Kathodenstromabnehmer 122, einen Anodenstromabnehmer 130 und eine Batteriezelle enthalten, die mit den Stromabnehmern 122, 130 in Kontakt steht, die eine Kathode 124, einen Elektrolyten 126 und eine Anode 128 enthalten kann.
  • Die Kathodenstromabnehmer 122, 152A, 152B und die Anodenstromabnehmer 130, 160A, 160B können aus einem beliebigen von Metallen (z.B. Cu, Pt, AI, Au usw.) und sonstigen leitfähigen Materialien (z.B. Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhren usw.) hergestellt sein, sofern es für das jeweilige Material der Kathode 124, 154 und der Anode 128, 158 geeignet ist. Der Kathodenstromabnehmer 122 und der Anodenstromabnehmer 130 können auf dem Basissubstrat 102 ausgebildet sein. Die Kathodenstromabnehmer 152A, 152B und die Anodenstromabnehmer 160A, 160B können auf den jeweiligen Schutzschichten 144A, 144B ausgebildet sein.
  • Es ist zu beachten, dass, wenn die Schutzschicht 144 aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, eine zusätzliche, nicht leitfähige Schicht zwischen die Stromabnehmer 152, 160 und die Schutzschicht 144 gefügt sein kann. Es ist darüber hinaus zu beachten, dass, wenn das Basissubstrat 102 aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, eine zusätzliche, nicht leitfähige Schicht zwischen die Stromabnehmer 122, 130 und das Basissubstrat 102 gefügt sein kann.
  • Die Kathode 124, 154 kann aus kristallinen oder nanokristallinen Lithium-Einlagerungsverbindungen wie zum Beispiel LiCoO2, LiMn2O4 hergestellt sein, um nur einige zu nennen. Das Material der Kathode 124, 154 kann durch praktisch jedes Standardmittel einschließlich Techniken zur Gasphasenabscheidung wie zum Beispiel Sputtern abgeschieden werden, und die Dünnschicht, die durch Niedertemperaturabscheidung gewonnen wird, kann bei einer vorgegebenen Tempertemperatur (üblicherweise in einem Bereich von 500 bis 700 Grad Celsius) getempert werden, um vollkristalline Phasen zu gewinnen. Alternativ kann das Material der Kathode 124, 154 durch praktisch jedes Standardmittel einschließlich Techniken zur Gasphasenabscheidung abgeschieden werden, während das Substrat bei einer vorgegebenen Abscheidungstemperatur erwärmt wird. Ein sonstiges ungetempertes Kathodenmaterial wie zum Beispiel nanokristallines LixMn2-xO4 darf nicht aus den Kandidaten für das Kathodenmaterial ausgeschlossen werden.
  • Bei dem Elektrolyten 126, 156 kann es sich um einen beliebigen Festelektrolyten wie zum Beispiel einen keramischen Elektrolyten, zu denen Elektrolyte auf Grundlage von Lithiumoxid (z.B. ein Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON), Lithiumlanthantitanoxid (LLTO), etc.), Elektrolyte auf Grundlage von Lithiumsulfid und sonstige Elektrolyte auf Grundlage von Lithiumphosphat wie zum Beispiel Lithiumborphosphat (LiBP) zählen. Der Elektrolyt 126, 156 kann durch praktisch jedes Standardmittel einschließlich Techniken zur Gasphasenabscheidung wie zum Beispiel Sputtern abgeschieden werden. In der in 1 dargestellten Ausführungsform kann der Elektrolyt 126, 156 so auf der Kathode 124, 154 abgeschieden werden, dass er die Oberfläche und die Kanten der Kathode 124, 154 vollständig bedeckt.
  • Die Anode 128, 158 kann aus einem beliebigen von einem Silicium und Materialien hergestellt sein, die einen Schmelzpunkt aufweisen, der höher als eine Härtungstemperatur des Isolators 132, 162 ist. Im Besonderen kann es sich bei der Anode 128, 158 um eine Lifreie Anode handeln, wobei die Anode durch Elektroplattieren von metallischem Lithium oder durch Lithiierung an der Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten 126, 156 und dem Anodenstromabnehmer 130, 160 beim ersten Laden ausgebildet wird. Alternativ kann es sich bei der Anode 130, 160 um eine Li-lonen-Anode wie zum Beispiel Silicium-Zinn-Oxynitrid (SiTON), Zinn- und Zinknitride handeln. Durch Einsetzen des oben genannten Anodenmaterials kann die Anode 130 Temperaturen zum Härten des Isolators 132, 162 standhalten. Bei sonstigen Ausführungsformen darf jedoch ein metallisches Lithium, das einen Schmelzpunkt von 180 Grad Celsius aufweist, nicht aus Kandidaten für das Anodenmaterial ausgeschlossen werden, sofern das Anodenmaterial der Härtungstemperatur zum Härten des Isolators 132, 162 standhalten kann.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann jedes Dünnschicht-Batterieelement 120, 150 als All-Solid-State-Dünnschichtbatterie, genauer gesagt als All-Solid-State-Lithium-Ionen-Dünnschichtbatterie gefertigt werden. Bei einer bestimmten Ausführungsform kann die Gesamtdicke des Dünnschicht-Batterieelements 120, 150 weniger als oder gleich etwa zehn Mikrometer (z.B. ~10 µm) betragen.
  • Die Durchkontaktierungen 172, 174 können so innerhalb der gestapelten Batterieschichten 110, 140 ausgebildet werden, dass sie einen leitenden Pfad zwischen einer externen Einheit und den Dünnschicht-Batterieelementen 120, 150 in den gestapelten Batterieschichten 110, 140 bereitstellen. Es ist zu beachten, dass sich die Durchkontaktierungen 172, 174 bei der beschriebenen Ausführungsform durch zumindest eine Batterieschicht (140B, 140A in 1) bis zu einer Schicht unter der zumindest einen Batterieschicht (110 in 1) erstrecken können, die eine oder mehrere Schutzschichten (144B, 144A in 1) und einen oder mehrere Isolatoren (162B, 162A, 132 in 1) enthält.
  • Jede Durchkontaktierung 172 (oder 174) kann in einem Durchgangsloch ausgebildet werden, das durch zumindest eine der gestapelten Batterieschichten 110, 140 geöffnet ist. Das Durchgangsloch kann insgesamt durch eine oder mehrere Batterieschichten 110, 140 ausgebildet sein. Die Durchgangslöcher 172, 1744 werden durch Füllen eines leitfähigen Materials (z.B. einer Lotpaste) oder durch Abscheiden eines leitfähigen Materials (z.B. eines Metalls) auf ihre inneren Flächen leitfähig gemacht, um die Durchkontaktierungen 172, 174 auszubilden.
  • Jede Durchkontaktierung 172 (oder 174) ist mit zumindest einem der Stromabnehmer 122, 152 (oder 130, 160) in den gestapelten Batterieschichten 110, 140 elektrisch verbunden. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen weist jede Durchkontaktierung Kontakte mit mehreren Stromabnehmern in verschiedenen Batterieschichten auf, wobei jeder Kontakt auf einer Fläche jedes der mehreren Stromabnehmer erzielt wird.
  • In der in 1 dargestellten, beschriebenen Ausführungsform kann die Durchkontaktierung 172 Kontakte an jeweiligen Flächen der Kathodenstromabnehmer (z.B. 122, 152A, 152B) aufweisen. Die Durchkontaktierung 174 kann Kontakte an jeweiligen Flächen der Anodenstromabnehmer (z.B. 130, 160A, 160B) aufweisen.
  • Es ist zu beachten, dass es gemäß 1 so aussieht, als ob die Durchkontaktierung 172 (oder 174) nicht mit den Stromabnehmern 152A, 152B (160A, 160B) der abwärts gerichteten Batterieschichten 140A, 140B in Kontakt stünde. Die Durchkontaktierungen 172 (oder 174) stehen jedoch mit den Stromabnehmern 152A, 152B (oder 160A, 160B) jeweils an verschiedenen Querschnitten in Kontakt. Die Umrisslinien der Stromabnehmer 152, 160 an verschiedenen Querschnitten werden durch gestrichelte Linien in 1 angegeben.
  • Die Verdrahtungsschicht 180, die auf der Oberseite der gestapelten Batterieschichten 110, 140 ausgebildet ist, kann ein leitfähiges Element (ein Verdrahtungsmuster) aufweisen, das die Durchkontaktierungen 172, 174 mit externen Anschlüssen verbindet, die mit der externen Einheit wie zum Beispiel einer CPU (Central Processing Unit, Zentraleinheit), einem Speicher usw. verbunden sein können. Die Verdrahtungsschicht 180 kann darüber hinaus aus einem Harz als Isolator für die Verdrahtungsschicht hergestellt sein. Bei dem Harz kann es sich um ein beliebiges von einem BCB(Benzocyclobuten)-Harz, einem Polyimid und sonstigen Polymeren handeln.
  • Die Struktur der gestapelten Batteriestruktur 100 ist möglicherweise nicht auf die in 1 dargestellte spezifische Ausführungsform beschränkt. Wenngleich dies in 1 nicht dargestellt wird, kann in der gestapelten Batteriestruktur 100 eine zusätzliche Schicht vorhanden sein. Beispielsweise kann das Dünnschicht-Batterieelement 120, 150 vor einer Abscheidung eines Harzes des Isolators 132, 162 durch sonstige Schutzbeschichtungen bedeckt werden.
  • Darüber hinaus ist das Layout der Dünnschicht-Batterieelemente 120, 150 innerhalb der gestapelten Batteriestruktur 100 möglicherweise nicht auf die in 1 dargestellten spezifischen Ausführungsformen beschränkt, bei denen sämtliche Dünnschicht-Batterieelemente 120, 150 durch die Durchkontaktierung 172, 174 parallel verbunden sind.
  • Bei sonstigen Ausführungsformen kann ein solches Layout eingesetzt werden, bei dem zumindest zwei der Dünnschicht-Batterieelemente 120, 150 mithilfe von Durchkontaktierungen und/oder einer Oberflächenverdrahtungsschicht wie zum Beispiel der Verdrahtungsschicht 180 in Reihe verbunden sind. Ein Verbinden der Dünnschicht-Batterieelemente 120, 150 in Reihe kann eine Anschlussspannung der gestapelten Batteriestruktur 100 erhöhen und gleichzeitig einen geringen Platzbedarf der gestapelten Batteriestruktur aufrechterhalten. Da Elektrodenmaterialien, die bisher aufgrund ihrer geringeren Potentialdifferenz praktisch nicht verwendet werden, durch Verbinden der Elemente in Reihe eingesetzt werden können, können die Gestaltungsmöglichkeiten für Elektrodenmaterialien erweitert werden. Darüber hinaus kann in sonstigen Aspekten durch geeignete Verbindungen in Reihe eine Mehrzahl von Anschlussspannungen von der gestapelten Batteriestruktur 100 gewonnen werden.
  • Bei einer bestimmten Ausführungsform können Verbindungen zwischen mehreren Schichten nicht nur durch eine Durchkontaktierung, sondern auch durch eine sonstige Oberflächenverdrahtungsschicht wie zum Beispiel die Verdrahtungsschicht 180 erzielt werden, nachdem jeder elektrische Pfad von jedem Stromabnehmer durch eine entsprechende Durchkontaktierungsstruktur zu der Oberseite des Stapels geführt worden ist. Die Durchkontaktierung kann durch sämtliche Schichten einschließlich der Schichten von oben bis unten geöffnet sein oder kann durch einen Teil der Schichten geöffnet sein, indem das Loch an einem Stromabnehmer der mittleren Schicht endet. Selbst wenn die Durchkontaktierung durch sämtliche Schichten von oben bis unten geöffnet ist, muss die Durchkontaktierung möglicherweise nicht mit sämtlichen Stromabnehmern verbunden sein.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf eine Reihe von 2A bis 2E, 3A bis 3C und 4A bis 4C ein Prozess zum Fertigen einer gestapelten Batteriestruktur 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • 2A bis 2E, 3A bis 3C und 4A bis 4C veranschaulichen Querschnittansichten von Strukturen, die in jedem Schritt des Fertigungsprozesses der gestapelten Batteriestruktur 100 gewonnen werden.
  • Wie in 2A dargestellt, kann der Fertigungsprozess einen Schritt zum Herstellen eines Basissubstrats 102 enthalten, auf dem ein Dünnschicht-Batterieelement 120 gefertigt ist. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist das durch diesen Schritt hergestellte Basissubstrat 102 aus einem Bulk-Silicium hergestellt, das eine Beständigkeit gegenüber einer BHF-Lösung und Wärme aufweist. Das Dünnschicht-Batterieelement 120, das einen Kathodenstromabnehmer 122, eine Kathode 124, einen Elektrolyten 126, eine Anode 128 und einen Anodenstromabnehmer 130 enthält, kann durch praktisch jeden Standardprozess auf dem Basissubstrat 102 gefertigt werden, wie im Folgenden im Hinblick auf das Dünnschicht-Batterieelement 150 für die abwärts gerichtete Batterieschicht 140 beispielhaft beschrieben wird.
  • Wie in 2B dargestellt, kann der Fertigungsprozess darüber hinaus einen Schritt zum Ausbilden eines Isolators 132 über dem Dünnschicht-Batterieelement 120 und dem Basissubstrat 102 enthalten, um eine Basisbatterieschicht 110 zu gewinnen, die auf dem Basissubstrat 102 ausgebildet ist. Bei einer bestimmten Ausführungsform kann dieser Schritt einen Teilschritt zum Abscheiden eines Isolationsmaterials über dem Dünnschicht-Batterieelement 120; und einen nachfolgenden Teilschritt zum Ebnen des Isolationsmaterials, um eine ebene Oberfläche 132a durch ein geeignetes Verfahren zu erzielen, enthalten, wie im Folgenden im Hinblick auf die abwärts gerichtete Batterieschicht 140 beispielhaft beschrieben wird.
  • Wie in 2C dargestellt, kann der Fertigungsprozess des Weiteren einen Schritt zum Herstellen eines Trägersubstrats 142 enthalten, auf dem eine Schutzschicht 144 ausgebildet wird. Das Trägersubstrat 142, auf dem das Dünnschicht-Batterieelement 150 gefertigt wird, wird bevorzugt aus wärmebeständigen Materialien hergestellt, die dem Erwärmungsprozess für die Kathode 154 standhalten können. Bei einer bestimmten Ausführungsform wird das durch diesen Schritt hergestellte Trägersubstrat 142 aus einem Glasmaterial hergestellt, das eine relativ hohe Ätzgeschwindigkeit in der BHF-Lösung und darüber hinaus eine Wärmebeständigkeit aufweist. Die Schutzschicht 144 kann aus einem chemisch beständigen Material hergestellt werden, das als Ätzstopper gegenüber einem Nassätzen mithilfe der BHF-Lösung verwendbar sein kann. Bei einer bestimmten Ausführungsform wird die Schutzschicht 144 aus Siliciumnitriden SiN (z.B. Si3N4) hergestellt, die eine geringe Ätzgeschwindigkeit in der BHF-Lösung und ebenfalls eine Wärmebeständigkeit aufweisen. Die Schutzschicht 144 kann durch praktisch jedes Standardmittel einschließlich einer Technik zur Gasphasenabscheidung wie zum Beispiel HF-Magnetronsputtern, plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD), Niederdruck-Gasphasenabscheidung (low pressure chemical vapor deposition, LPCVD), um nur einige zu nennen, auf dem Glassubstrat ausgebildet werden.
  • Wie in 2D dargestellt, kann der Fertigungsprozess einen Schritt zum Fertigen des Dünnschicht-Batterieelements 150 auf dem Trägersubstrat 142 enthalten, wobei die Schutzschicht 144 dazwischen gefügt wird. Das Dünnschicht-Batterieelement 150 kann mithilfe eines beliebigen herkömmlichen Prozesses auf dem Trägersubstrat gefertigt werden. Beispielsweise kann das Dünnschicht-Batterieelement 150 durch eine Reihe von Prozessen zur Gasphasenabscheidung gefertigt werden.
  • Der beispielhafte Prozess zum Fertigen des Dünnschicht-Batterieelements 150 kann (a) einen Schritt zum Abscheiden eines Anoden- und eines Kathodenstromabnehmers 152, 160 auf der Schutzschicht 144; (b) einen Schritt zum Abscheiden einer Kathode 154 auf dem Kathodenstromabnehmer 152 bei niedriger Temperatur; (c) einen Schritt zum Tempern der Kathode 154 bei einer vorgegebenen Tempertemperatur (z.B. in einem Bereich von 500 bis 700 Grad Celsius), um eine vollkristalline Phase zu gewinnen; (d) einen Schritt zum Abscheiden eines Elektrolyten 156, der die Kathode 154 vollständig bedeckt; und (e) einen Schritt zum Abscheiden einer Anode 158 auf dem Elektrolyten 156 und dem Anodenstromabnehmer 160 enthalten. Bei einer sonstigen Ausführungsform kann der Prozess (f) einen Schritt zum Abscheiden der Kathode 154 auf dem Kathodenstromabnehmer 152 bei einer vorgegebenen Abscheidungstemperatur, während das Trägersubstrat 142 erwärmt wird, anstelle der Schritte (b) und (c) enthalten.
  • Wie in 2C dargestellt, kann der Fertigungsprozess des Weiteren einen Schritt zum Ausbilden des Isolators 162 über dem Dünnschicht-Batterieelement 150 und der Schutzschicht 144 enthalten, um eine Batterieschicht 140 zu gewinnen, die auf dem Trägersubstrat 142 ausgebildet ist, wobei die Schutzschicht 144 dazwischen gefügt wird.
  • Bei einer bestimmten Ausführungsform kann der Schritt zum Ausbilden des Isolators 162 einen Teilschritt zum Abscheiden eines Isolationsmaterials über dem Dünnschicht-Batterieelement 150; und einen nachfolgenden Teilschritt zum Ebnen des Isolationsmaterials, um eine ebene Oberfläche 162a zu gewinnen, durch Pressen des Isolationsmaterials, durch Fly-Cutting des Isolationsmaterials oder durch chemisches und mechanisches Polieren des Isolationsmaterials enthalten. Alternativ kann der Teilschritt zum Ebnen auf Grundlage einer Aufschleuderglastechnik durchgeführt werden, bei der das Trägersubstrat 142, das das darauf abgeschiedene Isolationsmaterial hält, mit hohen Drehzahlen gedreht wird, um das Isolationsmaterial gleichmäßig über eine obere Fläche der Schutzschicht 144 zu verteilen.
  • Indem die in den Reihen von 2C bis 2E beschriebenen Schritte mit einer vorgegebenen Häufigkeit wiederholt werden, kann die gewünschte Anzahl der Batterieschichten 140, die auf dem jeweiligen Trägersubstrat 142 ausgebildet wird, getrennt hergestellt werden. Es ist zu beachten, dass die in den Reihen von 2C bis 2E beschriebenen Schritte parallel oder der Reihe nach wiederholt werden können und nach oder vor den Schritten durchgeführt werden können, die in den Reihen von 2A bis 2B beschrieben worden sind.
  • Wie in 3A dargestellt, kann der Fertigungsprozess einen Schritt zum Platzieren der Batterieschicht 140A mit dem Trägersubstrat 142A auf dem Basissubstrat 102 enthalten, wobei die Unterseite des Trägersubstrats 142A aufwärts gewandt ist. Da bei der beschriebenen Ausführungsform das Basissubstrat 102 mit der darauf ausgebildeten Basisbatterieschicht 110 ausgestattet ist, wird die Batterieschicht 140 umgedreht so auf dem Isolator 132 der Basisbatterieschicht 110 angeordnet, dass sich der Isolator 162 auf der Seite des Basissubstrats 102 befindet und sich die Schutzschicht 144 (und das Trägersubstrat 142A), auf der das Dünnschicht-Batterieelement 150A gefertigt wird, auf einer der Seite des Basissubstrats gegenüberliegenden Seite befindet.
  • Wie in 3B dargestellt, kann der Fertigungsprozess einen Schritt zum Entfernen des Trägersubstrats 142A von der Batterieschicht 140A durch Ätzen enthalten, während das Dünnschicht-Batterieelement 150A durch die Schutzschicht 144A geschützt wird. Bei dem Ätzen kann es sich um ein chemisches Ätzen handeln. Bei der beschriebenen Ausführungsform kann das Trägersubstrat 142 durch Nassätzen des Trägersubstrats 142, bis die Schutzschicht 144 erreicht wird, vollständig von der Batterieschicht 140 beseitigt werden, wie in 3B veranschaulicht, und gleichzeitig seine darunterliegende Struktur unberührt bleiben. Wenn das Trägersubstrat 142 aus einem Glasmaterial hergestellt ist und das Basissubstrat 102 aus einem Siliciummaterial hergestellt ist, kann das Nassätzen mithilfe einer BHF-Lösung eingesetzt werden, da sie eine hohe Selektivität für das Siliciumdioxid SiO2 gegenüber dem Silicium aufweist. Die Schutzschicht 144 fungiert als Ätzstopper gegenüber dem BHF-Nassätzen.
  • Wenn das Basissubstrat 102 aus einem Material hergestellt ist, das eine Beständigkeit gegenüber BHF aufweist, wie zum Beispiel Silicium, muss die Rückseite des Basissubstrats 102 während des Nassätzens nicht geschützt werden. Daher kann ein spezielles Werkzeug oder Material zum Schützen des Basissubstrats 102 unnötig sein. Bei sonstigen Ausführungsformen ist jedoch ein Material, das keine Beständigkeit gegenüber BHF aufweist, als Material des Basissubstrats 102 nicht ausgeschlossen, sofern die Rückseite des Basissubstrats 102 durch ein beliebiges bekanntes Werkzeug wie zum Beispiel Wafer-Spannfutter oder ein chemisch beständiges Material wie zum Beispiel Siliciumnitrid geschützt werden kann, wodurch ein Schützen der Rückseite während eines Nassätzens ermöglicht wird.
  • Es ist zu beachten, dass das Trägersubstrat 142 in 3B vollständig von der Batterieschicht 140 beseitigt veranschaulicht wird. Es kann jedoch eine alternative Ausführungsform in Betracht gezogen werden, bei der das Trägersubstrat 142 durch Ätzen zum Teil von der Batterieschicht 140A entfernt wird.
  • Wie in 3C dargestellt, kann der Fertigungsprozess einen Schritt zum wiederholten Stapeln der zusätzlichen Batterieschicht (z.B. 140B) enthalten, bis die gewünschte Anzahl der Batterieschichten 140 gestapelt ist. Der Schritt zum wiederholten Stapeln der zusätzlichen Batterieschicht 140 kann ein abwechselndes Durchführen eines Teilschritts zum Stapeln der zusätzlichen Batterieschicht 140 mit einem sonstigen Trägersubstrat 142 und eines Teilschritts zum Entfernen des Trägersubstrats 142 von der zusätzlichen Batterieschicht 140 enthalten. In jedem sich wiederholenden Zyklus wird die zusätzliche Batterieschicht 140 mit dem Trägersubstrat 142 gestapelt, wobei die Unterseite des Trägersubstrats 142 aufwärts gewandt ist. Anschließend wird das Trägersubstrat 142 durch Ätzen in derselben Weise, wie unter Bezugnahme auf 3B beschrieben, zumindest zum Teil von der zusätzlichen Batterieschicht 140 entfernt.
  • Bei einer bestimmten Ausführungsform werden, nachdem die gewünschte Anzahl der Batterieschichten 140 gestapelt worden ist, die Isolatoren 132, 162A, 162B, die nach jedem Stapeln der Batterieschicht 140 zum Teil gehärtet werden können, vollständig gehärtet, indem das Harz des Isolators 132, 162A, 162B der Härtungstemperatur ausgesetzt wird. Durch vollständiges Härten des Isolators 132, 162A, 162B werden obere und untere Schichten in den gestapelten Batterieschichten 110, 140A, 140B jeweils fest aneinander befestigt.
  • Wie in 4A dargestellt, kann der Fertigungsprozess einen Schritt zum Ausbilden von Durchgangslöchern 170a, 170b in den gestapelten Batterieschichten 110, 140A, 140B enthalten. Die Durchgangslöcher 170a, 170b können sich durch zumindest eine Schicht bis zu deren darunterliegenden Schicht erstrecken, wenn die Trägersubstrate 142 bis hinunter zu der Schicht durch das Ätzen beseitigt worden sind. In 4A sind die Trägersubstrate 142B, 142A bis hinunter zu der Batterieschicht 140A durch das Ätzen beseitigt worden, und die Durchgangslöcher 170a, 170b erstrecken sich durch zwei Batterieschichten 140B, 140A bis zu deren darunterliegenden Schicht 110. Die Durchgangslöcher 170a, 170 können in den gestapelten Batterieschichten senkrecht oder schräg zu dem Basissubstrat 102 ausgebildet werden.
  • Wenn ein laserbearbeitbares Isolatormaterial für den Isolator 132, 162A, 162B verwendet wird, können die Durchgangslöcher 170a, 170b durch direktes Bohren sowohl der Isolatoren 162B, 162A, 132 als auch der Schutzschicht 144B, 144A in den gestapelten Batterieschichten durch Laserbearbeitung ausgebildet werden und kann gleichzeitig der Stromabnehmer 122, 130, 152, 160 verbleiben. Das Loch kann eine Abmessung von mehreren zehn Mikrometern (z.B. 50 µm Durchmesser/Breite) aufweisen.
  • Wie in 4B dargestellt, kann der Fertigungsprozess einen Schritt zum Füllen eines leitfähigen Materials in die Durchgangslöcher 170a, 170b aufweisen, um die Durchkontaktierungen 172, 174 als leitende Pfade auszubilden. Das Füllen des leitfähigen Materials kann durch praktisch jedes Standardmittel wie zum Beispiel Füllen mit einer Lotpaste durchgeführt werden. Bei der beschriebenen Ausführungsform ist jede Durchkontaktierung 172 (oder 174) mit den jeweiligen Stromabnehmern 122, 152A, 152B (oder 130, 160A, 160B) in den gestapelten Batterieschichten elektrisch verbunden. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Fertigungsprozess einen Schritt zum Abscheiden eines leitfähigen Materials auf der inneren Fläche der Durchgangslöcher 170a, 170b anstelle des Füllens mit dem leitfähigen Material enthalten.
  • Durch Durchführen der beschriebenen Schritte in einer Reihe von 4A bis 4B können die leitenden Pfade, die jeweils mit den entsprechenden Stromabnehmern verbunden sind, innerhalb der gestapelten Batterieschichten 110, 140 ausgebildet werden. Der Prozess zum Fertigen des leitenden Pfades wird im Folgenden ausführlicher beschrieben.
  • Wie in 4C dargestellt, kann der Fertigungsprozess einen Schritt zum Ausbilden der Verdrahtungsschicht 180 auf der Oberseite der Batterieschichten 110, 140A, 140B enthalten. Die Verdrahtungsschicht 180 kann ein leitfähiges Element aufweisen, das die Durchkontaktierungen 172, 174 mit externen Anschlüssen verbindet, die zum Verbinden mit einer externen Einheit wie zum Beispiel einer CPU oder einem Speicher verwendet werden. Ein Harz kann über dem leitfähigen Element als Isolator ausgebildet werden.
  • Wenngleich die obige Beschreibung den Schwerpunkt auf eine einzelne gestapelte Batteriestruktur 100 gelegt hat, kann der Fertigungsprozess nicht nur auf der Chip- oder Gehäuseebene, sondern auch auf der Wafer- oder Plattenebene durchgeführt werden. Bei einer bestimmten Ausführungsform können das Basissubstrat 102 und das Trägersubstrat 142 eine Wafer- oder Plattenform aufweisen, und das Basissubstrat 102 und das Trägersubstrat 142 können eine Mehrzahl der darauf ausgebildeten Dünnschicht-Batterieelemente 120, 150 enthalten. Nach dem Verbinden kann die Mehrzahl der Batterieschichten 110, 140, die eine Form eines Wafers oder einer Platte aufweisen kann, in eine Mehrzahl von Chips zerteilt werden, die jeweils eine Struktur aufweisen, die mit der in 1 dargestellten gestapelten Batteriestruktur 100 übereinstimmt.
  • Gemäß der in 2A bis 2E, 3A bis 3C und 4A bis 4C dargestellten beispielhaften Ausführungsform würden, da jede Batterieschicht 110, 140, die zum Stapeln hergestellt wird, das Dünnschicht-Batterieelement 120, 150 aufweist, das bereits getrennt darauf gefertigt worden ist, sonstige Komponenten der gestapelten Batteriestruktur 100 aufgrund des Erwärmungsprozesses für die Kathode 124, 154 nicht beschädigt, im Gegensatz zu einem nacheinander erfolgenden Stapeln, bei dem mehrere Schichten von elektrochemischen Zellen nacheinander gefertigt werden, wobei zuvor ausgebildete sonstige Komponenten wie zum Beispiel eine Anode für eine untere Schicht dem Erwärmungsprozess für die Kathode, die im Folgenden für eine obere Schicht ausgebildet werden soll, standhalten sollte. Mit anderen Worten, das Material der Kathode 124, 154 kann in eine kristalline Phase umgewandelt werden, ohne die sonstigen Komponenten zu beschädigen.
  • Da der wahrscheinlichste thermische Prozess nach dem Stapeln ein Härten des Isolators 132, 162 und der Verdrahtungsschicht 180 sein kann, würden die sonstigen Komponenten während des gesamten Fertigungsprozesses nicht beschädigt, sofern die Komponenten der gestapelten Batteriestruktur 100 der Härtungstemperatur standhalten können.
  • Unter Bezugnahme auf eine Reihe von 5 und 6A bis 6E wird ein Prozess zum Fertigen einer Durchkontaktierung mit einer stufenförmigen Struktur gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung von durch die Durchkontaktierung 172 in der gestapelten Batteriestruktur 100 verbundenen Stromabnehmern 122, 152. In 5 sind eine Querschnittansicht 200 der gestapelten Batteriestruktur 100, Draufsichten 210, 220, 230 auf drei Batterieschichten 110, 140A, 140B an einem Abschnitt um den Kathodenstromabnehmer 122, 152A, 152B (wie durch einen gestrichelten Kreis P in 5 angegeben) vor dem Stapeln enthalten. Eine Beziehung zwischen der Querschnittansicht 200 und den Draufsichten 210, 220, 230 wird durch Pfeile und Beschriftungen in 5 dargestellt. Die Querschnittansicht 200 entspricht einem Querschnitt, der durch das „X“ in den Draufsichten 210, 220, 230 von 5 angegeben wird. Es ist zu beachten, dass die Umrisslinien der Stromabnehmer 152, 160, die in dem Querschnitt der Querschnittansicht 200 nicht erscheinen, durch gestrichelte Linien in 5 angegeben werden.
  • In 5 sind weitere Draufsichten 240, 250, 260 der gestapelten Batterieschichten unmittelbar nach dem Stapelschritt, unmittelbar nach dem Schritt zum Ausbilden des Durchgangslochs bzw. unmittelbar nach dem Füllschritt enthalten. 6A bis 6E veranschaulichen einen Prozess zum Fertigen der Durchkontaktierung 172 mit der stufenförmigen Struktur. Die in 6A bis 6E dargestellten Querschnittansichten entsprechen einer vergrößerten Ansicht eines Abschnitts, der durch einen gestrichelten Kreis P zusammen mit Querschnitten angegeben wird, die durch das „V“ in 5 angegeben werden.
  • Wie in der Draufsicht 210 für die erste Schicht (d.h., die Basisbatterieschicht 110) dargestellt, sind das Basissubstrat 102, der Kathodenstromabnehmer 122, der durch ein gestricheltes Rechteck in der Draufsicht 210 angegeben wird, und der Isolator 132 geschichtet. Wie in den Draufsichten 220, 230 dargestellt, sind der Isolator 162, der Kathodenstromabnehmer 152, der ebenfalls durch gestrichelte Rechtecke in der Draufsicht 220, 230 angegeben wird, und die Schutzschicht 144 jeweils für die zweite und die dritte Schicht (d.h., die Batterieschichten 140A, 140B) geschichtet. Es ist zu beachten, dass Positionen der Kathodenstromabnehmer 122, 152A, 152B (möglicherweise zusammen mit der gesamten Struktur des Dünnschicht-Batterieelements 120, 150A, 150B) zusammen mit einer Richtung in einer horizontalen Ebene des Basissubstrats 102 verlagert werden.
  • Die Draufsicht 240 in 5 stellt die obere Fläche der gestapelten Batterieschichten 110, 140A, 140B unmittelbar nach den Stapelschritten der gewünschten Anzahl der Batterieschichten 110, 140 dar. 6A stellt eine Querschnittansicht der gestapelten Batterieschichten 110, 140A, 140B unmittelbar nach den Stapelschritten dar. Wie in der Draufsicht 240 von 5 dargestellt, ist die obere Fläche der Schutzschicht 144B der dritten Batterieschicht 140B unmittelbar nach den Stapelschritten zu sehen.
  • Die Draufsicht 250 in 5 stellt die obere Fläche der gestapelten Batterieschichten 110, 140A unmittelbar nach dem Schritt zum Ausbilden des Durchgangslochs dar. 6B stellt eine Querschnittansicht der gestapelten Batterieschichten 110, 140A, 140B unmittelbar nach Schritt zum Ausbilden des Durchgangslochs dar. Durch Bohren der Schutzschichten 144B, 144A und der Isolatoren 162B, 162A, 132 von oben bis unten wird das Durchgangsloch 170a durch die gestapelten Batterieschichten 110, 140A, 140B gefertigt. Es ist zu beachten, dass der Stromabnehmer 152B, 152A, 122 als Stopper für ein Laserbohren fungieren kann, dementsprechend würde der Stromabnehmer 152B, 152A, 122 nach der Laserbearbeitung auf dem Isolator 162B, 162A, 102 verbleiben, und deren darunterliegende Strukturen blieben unberührt.
  • Wie in 6B dargestellt, kann das Durchgangsloch 170a zumindest eine jeweilige, von unten nach oben vergrößerte horizontale Abmessung in den gestapelten Batterieschichten 110, 140A, 140B aufweisen, und alle Teilabschnitte können einander in einer horizontalen Ebene des Basissubstrats 102 überlappen. Wie in der Draufsicht 250 von 5 dargestellt, sind nach dem Schritt zum Ausbilden des Durchgangslochs Flächen sämtlicher Kathodenstromabnehmer 122, 152A, 152B durch das Durchgangsloch 170a zu sehen, wenn sie im Hinblick auf das Basissubstrat 102 aus einer Normalrichtung betrachtet werden.
  • 6C bis 6E stellen den Prozess einer Fertigung einer Durchkontaktierung nach dem Erstellen des Durchgangslochs 170a mit Querschnittansichten der Struktur dar. 6F stellt den alternativen Prozess einer Fertigung einer Durchkontaktierung nach dem Erstellen des Durchgangslochs 170a mit einer Querschnittansicht der Struktur dar.
  • Wie in 6C dargestellt, kann eine innere Fläche des Durchgangslochs 170a mit einem Isolationsmaterial (z.B. einem Polymer) 176 beschichtet werden. Das Beschichten des Isolationsmaterials kann durch ein beliebiges Standardmittel wie zum Beispiel Gasphasenabscheidungs-Polymerisation durchgeführt werden.
  • Wie in 6D dargestellt, können anschließend Abschnitte des Isolationsmaterials 176, die auf den Kathodenstromabnehmern 122, 152A, 154B abgeschieden sind, durch eine anisotrope Standardätzung so zurückgeätzt werden, dass die Flächen der Kathodenstromabnehmer 122, 152A, 152B freigelegt werden. Zu diesem Zeitpunkt kann das Durchgangsloch 170a mehrere Teilabschnitte, die jeweils einen Absatz aufweisen, der den Kathodenstromabnehmer (z.B. die Kathodenstromabnehmer 152A, 152B) freilegt, oder eine innere Bodenfläche aufweisen, die den Kathodenstromabnehmer (z.B. den Kathodenstromabnehmer 122) freilegt.
  • Wie in 6E dargestellt, wird das leitfähige Material in das Loch 170a gefüllt, um die Durchkontaktierung 172 auszubilden. Die Draufsicht 260 in 5 stellt die obere Fläche der gestapelten Batterieschichten 110, 140A unmittelbar nach dem Füllschritt dar. Wie in der Draufsicht 260 dargestellt, ist nach dem Füllschritt das obere Ende der Durchkontaktierung 172, das an der oberen Fläche der Schutzschicht 144B der dritten Batterieschicht 140B freiliegt, zu sehen, wenn es im Hinblick auf das Basissubstrat 102 aus der Normalrichtung betrachtet wird, wohingegen sämtliche Kathodenstromabnehmer 122, 152A, 152B durch das leitfähige Material bedeckt sind. Alternativ kann das leitfähige Material auf der inneren Fläche des Durchgangslochs 170a abgeschieden werden, um die Durchkontaktierung 172 auszubilden, wie in 6F dargestellt.
  • Es ist zu beachten, dass der Schritt zum Beschichteten der inneren Fläche des Durchgangslochs 170a und ein Schritt zum Zurückätzen der Abschnitte des Isolationsmaterials 176 ausgelassen werden können, wenn kein anderes leitfähiges Material als die Stromabnehmer 152, 122 vorhanden ist, das an der inneren Fläche des Durchgangslochs 170a freiliegt. Bei einer bestimmten Ausführungsform, bei der die Schutzschicht 144 aus einem Isolationsmaterial wie zum Beispiel dem Siliciumnitrid hergestellt ist und die Trägersubstrate 142 durch Ätzen vollständig beseitigt sind oder die Trägersubstrate 142 aus einem Isolationsmaterial wie zum Beispiel Glas hergestellt sind, können, wenn die Trägersubstrate 142 noch zum Teil vorhanden sind, der Schritt des Beschichtens und der Schritt des Zurückätzens ausgelassen werden.
  • Eine solche in 6E und 6F dargestellte, stufenförmige Struktur würde ermöglichen, dass die gestufte Batteriestruktur 100 zuverlässige Kontakte zwischen der Durchkontaktierung 172 und den Stromabnehmern 122, 152A, 152B in der gestapelten Batteriestruktur 100 aufweist.
  • Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf 7A und 7B Varianten der gestapelten Batteriestruktur gemäß einer oder mehreren beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • In der oben genannten Ausführungsform sind zur Veranschaulichung drei Batterieschichten 110, 140A, 140B in der gestapelten Batteriestruktur 100 vorhanden. Die Anzahl der Batterieschichten 110, 140 in der gestapelten Batteriestruktur 100 ist jedoch möglicherweise nicht auf die hierin oben beschriebene spezifische Ausführungsform beschränkt. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen können zwei oder mehr als drei Batterieschichten 110, 140 gestapelt werden, um die gestapelte Batteriestruktur 100 auszubilden.
  • 7A stellt eine gestapelte Batteriestruktur 200 dar, die eine aufwärts gerichtete Basisbatterieschicht 210 und acht abwärts gerichtete Batterieschichten 240A bis 240H, insgesamt neun auf dem Basissubstrat 202 gestapelte Batterieschichten aufweist, die jeweils ein Dünnschicht-Batterieelement 220, 250 aufweisen.
  • Des Weiteren werden bei der oben erwähnten Ausführungsform die abwärts gerichteten Batterieschichten 140 so beschrieben, dass sie auf dem Basissubstrat 102 ausgebildet sind, wobei die Basisbatterieschicht 110 dazwischen gefügt ist. Bei sonstigen Ausführungsformen können die abwärts gerichteten Batterieschichten 140 jedoch direkt auf dem Basissubstrat 102 ausgebildet sein, ohne dass die Basisbatterieschicht 110 dazwischen gefügt ist.
  • 7B stellt eine gestapelte Batteriestruktur 300 dar, die neun auf dem Basissubstrat 302 gestapelte, abwärts gerichtete Batterieschichten 340A bis 3401 aufweist, die jeweils ein Dünnschicht-Batterieelement 350 aufweisen.
  • Es ist erforderlich, lediglich achtmal Stapelschritte durchzuführen, um die gestapelte Batteriestruktur 200 zu fertigen, wohingegen eine neunmalige Durchführung erforderlich ist, um die gestapelte Batteriestruktur 300 zu fertigen, daher ist die gestapelte Batteriestruktur 200 mit der Basisbatterieschicht 210 vorteilhafter als die gestapelte Batteriestruktur 300.
  • Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf 8A und 8B schematische Darstellungen einer elektronischen Einheit beschrieben, die eine gestapelte Batteriestruktur 100 gemäß einer oder mehreren beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält. Die elektronische Einheit kann für eine loT-Einheit verwendet werden.
  • 8A zeigt eine schematische Darstellung einer System-auf-Paket-Gestaltung für eine elektronische Einheit, die die gestapelte Batteriestruktur 100 enthält. Wie in 8A dargestellt, kann die gestapelte Batteriestruktur 100 auf einem Verdrahtungssubstrat 190 montiert werden, auf dem ein oder mehrere externe elektronische Bauteile 192A, 192B wie zum Beispiel ein Prozessor, ein Speicher, ein Sensor montiert sind.
  • 8B zeigt eine schematische Darstellung einer System-auf-Batterie-Gestaltung für eine elektronische Einheit, die die gestapelte Batteriestruktur 100 enthält. Wie in 8B dargestellt, fungiert die gestapelte Batteriestruktur 100 als Interposer oder Substrat, auf dem ein oder mehrere elektronische Bauteile 172A, 172B montiert sind. Bei dieser Ausführungsform weist die gestapelte Batteriestruktur 100 die Verdrahtungsschicht 180 auf der oberen Fläche der gestapelten Batterieschichten 110, 140A, 140B auf, um die gestapelte Batteriestruktur 100 mit einem oder mehreren auf der gestapelten Batteriestruktur 100 montierten elektronischen Bauteilen zu verbinden. Die System-auf-Batterie-Gestaltung kann für eine weitere Miniaturisierung von Vorteil sein.
  • Da eine Stromquelle der elektronischen Einheit einen geringen Platzbedarf aufweist, kann eine Gesamtgröße der elektronischen Einheit miniaturisiert werden.
  • Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Gesamtdicke der Batteriestruktur verringert werden und gleichzeitig ihre Kapazität aufrechterhalten werden oder kann alternativ die Kapazität der Batteriestruktur vergrößert werden und gleichzeitig die Gesamtdicke der Batteriestruktur erhalten bleiben.
  • Unter Bezugnahme auf 9A und 9B wird ein Vergleich zwischen gestapelten Batteriestrukturen mit und ohne Anwenden des neuartigen Prozesses zum Entfernen eines Trägersubstrats gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • 9A und 9B stellen gestapelte Batteriestrukturen dar, die drei Batterieschichten ohne und mit einem Zwischensubstrat aufweisen. Die in 9A dargestellte gestapelte Batteriestruktur weist eine Basisbatterieschicht 110 und zwei Batterieschichten 140A, 140B auf, wobei die Trägersubstrate 142A, 142B, die dazu verwendet werden, das Dünnschicht-Batterieelement 150A, 150B während des Fertigungsprozesses zu tragen, durch den neuartigen Prozess zum Entfernen eines Trägersubstrats vollständig beseitigt worden sind. Demgegenüber weist die in 9B dargestellte gestapelte Batteriestruktur 500 ebenfalls eine Basisbatterieschicht 510 und zwei Batterieschichten 540A, 540B auf, wobei die Substrate 542A, 542B, auf denen das Dünnschicht-Batterieelement 550A, 550B ausgebildet ist, noch in der abschließenden Struktur 500 vorhanden sind.
  • Obwohl, wie oben beschrieben, die Dicke der Substrate 542A, 542B durch einen Standardprozess zum Schleifen der Rückseite bis hinunter auf 75 bis 50 um verringert werden kann, ist die Dicke der Substrate 542A, 542B immer noch um ein Mehrfaches größer als die Dicke des Dünnschicht-Batterieelements 520, 550A, 550B, die geringer als oder gleich etwa zehn Mikrometer (~10 µm) sein kann.
  • Wie in 9B dargestellt, befinden sich abwechselnde Isolatoren 562 und Substrate 542 in der gestapelten Batteriestruktur 500. Daher muss der Isolator 562 vor einem Stapeln entfernt werden, wobei ein Vorstrukturierungsprozess durch Photolithographie verwendet werden kann, um ein Loch in dem Isolator 562 auszubilden. Darüber hinaus ist ein anisotroper Trockenätzprozess erforderlich, um das Substrat 542, bei dem es sich um Silicium handeln kann, nach dem Stapeln zu bohren. Sowohl der Vorstrukturierungsprozess als auch der anisotrope Trockenätzprozess sind kostspielige Prozesse. Auf diese Weise steigen die Kosten des Bohrens des Durchgangslochs.
  • Im Gegensatz zu der in 9B dargestellten Batteriestruktur mit dem Zwischensubstrat 542 kann die gestapelte Batteriestruktur 100 gemäß der einen oder den mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine geringere Gesamtdicke aufweisen und gleichzeitig ihre Kapazität aufrechterhalten, da das Trägersubstrat 142, auf dem das Dünnschicht-Batterieelement 150 ausgebildet ist, in der Dicke verringert oder bevorzugt beseitigt werden kann, während das Dünnschicht-Batterieelement 150 durch die Schutzschicht 144 geschützt wird. Mit anderen Worten, die gestapelte Batteriestruktur kann eine große Kapazität aufweisen und gleichzeitig die Gesamtdicke der Batteriestruktur aufrechterhalten. Da die Dicke, die durch Stapeln einer Einheit der Batterieschicht erhöht werden soll, gering ist, ist es möglich, die Anzahl von innerhalb einer bestimmten Dicke und eines bestimmten Volumens gestapelten Batterieschichten zu erhöhen. Daher kann sie als volumeneffizient bezeichnet werden.
  • Bei den oben genannten Ausführungsformen sind gestapelte Strukturen beschrieben worden, die mehrere Dünnschicht-Batterieelemente aufweisen. Eine oder mehrere Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht auf die gestapelten Strukturen, die mehrere Dünnschicht-Batterieelemente aufweisen, beschränkt und beziehen sich darüber hinaus auf ein Verfahren zum Fertigen einer gestapelten Struktur, in dem eine hochintegrierte Einheitenstruktur, die mehrere Einheiten, das heißt, andere als die Batterie, aufweist, auf neuartige Weise erzielt werden kann.
  • Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht beschränken. So, wie sie hierin verwendet werden, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ auch die Pluralformen enthalten, sofern dies aus dem Kontext nicht eindeutig anders hervorgeht. Es versteht sich darüber hinaus, dass die Begriffe „aufweist“ und/oder „aufweisend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Schritten, Schichten, Elementen und/oder Komponenten bezeichnen, jedoch nicht das Vorhandensein bzw. die Beifügung von einem/einer bzw. mehreren anderen Merkmalen, Schritten, Schichten, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
  • Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Vorgänge und Entsprechungen aller Mittel oder Schritt-plus-Funktion-Elemente in den nachstehenden Ansprüchen sollen gegebenenfalls jede Struktur, jedes Material oder jeden Vorgang zum Durchführen der Funktion in Kombination mit anderen beanspruchten Elementen als ausdrücklich beansprucht enthalten. Die Beschreibung eines oder mehrerer Aspekte der vorliegenden Erfindung erfolgte zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung, ist jedoch nicht erschöpfend oder auf die Erfindung in der offenbarten Form beschränkt gemeint.
  • Viele Modifizierungen und Varianten sind für Fachleute ersichtlich, ohne vom Umfang und Wesensgehalt der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Grundgedanken der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder die technische Verbesserung gegenüber auf dem Markt erhältlichen Technologien am besten zu erläutern oder um anderen Fachleuten zu ermöglichen, die hierin offenbarten Ausführungsformen zu verstehen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 9634334 [0004]
    • US 2012/0058380 [0005]

Claims (25)

  1. Verfahren zum Fertigen einer gestapelten Batteriestruktur, wobei das Verfahren aufweist: Herstellen eines Basissubstrats; Herstellen einer Batterieschicht, die auf einem Trägersubstrat ausgebildet wird, wobei die Batterieschicht eine auf dem Trägersubstrat ausgebildete Schutzschicht, ein auf der Schutzschicht ausgebildetes Dünnschicht-Batterieelement und einen Isolator enthält, der das Dünnschicht-Batterieelement bedeckt; Platzieren der Batterieschicht auf dem Basissubstrat, wobei die Unterseite des Trägersubstrats aufwärts gewandt ist; und zumindest teilweises Entfernen des Trägersubstrats von der Batterieschicht durch Ätzen, während das Dünnschicht-Batterieelement durch die Schutzschicht geschützt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren des Weiteren, bis eine gewünschte Anzahl der Batterieschichten gestapelt ist, ein abwechselndes Wiederholen aufweist: eines Stapelns einer zusätzlichen Batterieschicht, die auf einem weiteren Trägersubstrat ausgebildet ist, wobei die Unterseite des weiteren Trägersubstrats aufwärts gewandt ist, wobei die zusätzliche Batterieschicht eine Schutzschicht, ein Dünnschicht-Batterieelement und einen Isolator enthält; und eines zumindest teilweisen Entfernens des weiteren Trägersubstrats von der zusätzlichen Batterieschicht durch Ätzen.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Dünnschicht-Batterieelement in jeder Batterieschicht Stromabnehmer und eine Batteriezelle enthält, die mit den Stromabnehmern in Kontakt steht, wobei das Verfahren des Weiteren aufweist: Ausbilden eines Durchgangslochs in den Batterieschichten, die auf dem Basissubstrat gestapelt sind, so, dass es sich durch zumindest eine Schicht bis zu einer Schicht unter der zumindest einen Schicht erstreckt, wobei die Trägersubstrate bis hinunter zu der Schicht durch das Ätzen beseitigt worden sind; und Füllen eines leitfähigen Materials in das Durchgangsloch oder ein Abscheiden eines leitfähigen Materials auf eine innere Fläche des Durchgangslochs, um einen leitenden Pfad auszubilden, der mit zumindest einem Stromabnehmer in den Batterieschichten elektrisch verbunden ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Ausbilden des Durchgangslochs aufweist: Bohren zumindest einer Schutzschicht und zumindest eines Isolators in den Batterieschichten durch Laserbearbeitung, wobei der Stromabnehmer verbleibt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Durchgangsloch mehrere Teilabschnitte aufweist und die mehreren Teilabschnitte zumindest eine horizontale Abmessung aufweisen, die in den Batterieschichten von unten nach oben vergrößert ist, und einander in einer horizontalen Ebene im Hinblick auf das Basissubstrat überlappen, wobei der leitende Pfad Kontakte mit mehreren Stromabnehmern in verschiedenen Batterieschichten aufweist, wobei jeder Kontakt auf einer Fläche jedes der mehreren Stromabnehmer erzielt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Verfahren des Weiteren aufweist: Ausbilden einer Verdrahtungsschicht auf der Oberseite der Batterieschichten, wobei die Verdrahtungsschicht ein leitfähiges Muster enthält, das den leitenden Pfad mit einem externen Anschluss verbindet,
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entfernen des Trägersubstrats aufweist: Nassätzen des Trägersubstrats, bis die Schutzschicht erreicht wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Trägersubstrat aus einem Glasmaterial hergestellt wird, das Nassätzen ein Ätzen mithilfe einer Lösung aus gepufferter Flusssäure enthält, die Schutzschicht als Ätzstopper gegenüber der Lösung aus gepufferter Flusssäure fungiert und das Basissubstrat aus einem Material mit einer Beständigkeit gegenüber der Lösung aus gepufferter Flusssäure hergestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Basissubstrat mit einer darauf ausgebildeten Basisbatterieschicht ausgestattet wird, die Basisbatterieschicht ein Dünnschicht-Batterieelement, das auf dem Basissubstrat ausgebildet ist, und einen Isolator enthält, der das auf dem Basissubstrat ausgebildete Dünnschicht-Batterieelement bedeckt, wobei die Batterieschicht beim Platzieren der Batterieschicht auf dem Basissubstrat auf dem Isolator der Basisbatterieschicht platziert wird.
  10. Gestapelte Batteriestruktur, die aufweist: ein Basissubstrat; und zwei oder mehr Batterieschichten auf dem Basissubstrat, wobei jede Batterieschicht aufweist: eine Schutzschicht; ein Dünnschicht-Batterieelement, das auf der Schutzschicht ausgebildet ist; und einen Isolator, der das Dünnschicht-Batterieelement bedeckt; wobei die Batterieschichten im Hinblick auf das Basissubstrat umgedreht gestapelt sind, sodass sich jeder Isolator auf einer Seite des Basissubstrats befindet, sich jede Schutzschicht auf einer der Seite des Basissubstrats gegenüberliegenden Seite befindet und sich der Isolator einer oberen der Batterieschichten mit einer unteren der Batterieschichten verbindet.
  11. Gestapelte Batteriestruktur nach Anspruch 10, wobei der Isolator der oberen der Batterieschichten eine Oberflächenbindung an die Schutzschicht der unteren der Batterieschichten aufweist.
  12. Gestapelte Batteriestruktur nach Anspruch 11, wobei der Isolator der oberen und die Schutzschicht der unteren kein dazwischen gefügtes steifes Material aufweisen.
  13. Gestapelte Batteriestruktur nach Anspruch 10, wobei das Basissubstrat mit einer Basisbatterieschicht ausgestattet ist, die Basisbatterieschicht ein Dünnschicht-Batterieelement, das auf dem Basissubstrat ausgebildet ist, und einen Isolator enthält, der das auf dem Basissubstrat ausgebildete Dünnschicht-Batterieelement bedeckt, wobei die zwei oder mehr Batterieschichten auf dem Isolator der Basisbatterieschicht angeordnet sind.
  14. Gestapelte Batteriestruktur nach Anspruch 10, wobei das Dünnschicht-Batterieelement jeder Batterieschicht Stromabnehmer und eine Batteriezelle enthält, die mit den Stromabnehmern in Kontakt steht, wobei die gestapelte Batteriestruktur des Weiteren aufweist: einen oder mehrere leitende Pfade, die durch zumindest eine Schicht in den Batterieschichten ausgebildet sind, wobei jeder leitende Pfad mit zumindest einem Stromabnehmer in den Batterieschichten elektrisch verbunden ist.
  15. Gestapelte Batteriestruktur nach Anspruch 14, wobei ein leitender Pfad eine Durchkontaktierung enthält, die Kontakte mit mehreren Stromabnehmern in verschiedenen Batterieschichten aufweist, wobei jeder Kontakt auf einer Fläche jedes der mehreren Stromabnehmer erzielt wird.
  16. Gestapelte Batteriestruktur nach Anspruch 15, wobei die Durchkontaktierung mehrere Teilabschnitte aufweist und die mehreren Teilabschnitte zumindest eine horizontale Abmessung aufweisen, die in den Batterieschichten von unten nach oben vergrößert ist, und einander in einer horizontalen Ebene im Hinblick auf das Basissubstrat überlappen.
  17. Gestapelte Batteriestruktur nach Anspruch 14, wobei die gestapelte Batteriestruktur des Weiteren aufweist: eine Verdrahtungsschicht, die auf der Oberseite der zwei oder mehr Batterieschichten ausgebildet ist, wobei die Verdrahtungsschicht ein leitfähiges Muster enthält, das einen leitenden Pfad mit einem externen Anschluss verbindet.
  18. Gestapelte Batteriestruktur nach Anspruch 10, wobei die Schutzschicht aus einem Material hergestellt ist, das als Ätzstopper gegenüber einem Nassätzen mithilfe einer Lösung aus gepufferter Flusssäure verwendbar ist.
  19. Gestapelte Batteriestruktur nach Anspruch 10, wobei die Schutzschicht aus Siliciumnitrid hergestellt ist.
  20. Gestapelte Batteriestruktur nach Anspruch 10, wobei jede Batterieschicht bereitgestellt wird durch: Herstellen einer Schichtstruktur, die auf einem Trägersubstrat ausgebildet wird, wobei die Schichtstruktur die Schutzschicht, das Dünnschicht-Batterieelement und den Isolator enthält, wobei die Schutzschicht auf dem Trägersubstrat ausgebildet wird; Stapeln der Schichtstruktur, wobei die Unterseite des Trägersubstrats aufwärts gewandt ist; und zumindest teilweises Entfernen des Trägersubstrats von der Schichtstruktur durch Ätzen, während das Dünnschicht-Batterieelement durch die Schutzschicht geschützt wird.
  21. Elektronische Einheit, die ein elektronisches Bauteil und eine gestapelte Batteriestruktur enthält, wobei die gestapelte Batteriestruktur aufweist: ein Basissubstrat; zwei oder mehr Batterieschichten auf dem Basissubstrat; und eine Verdrahtungsschicht zum Verbinden der gestapelten Batteriestruktur mit dem elektronischen Bauteil; wobei jede Batterieschicht aufweist: eine Schutzschicht; ein auf der Schutzschicht ausgebildetes Dünnschicht-Batterieelement, wobei das Dünnschicht-Batterieelement dazu verwendet wird, das elektronische Bauteil durch die Verdrahtungsschicht mit Strom zu versorgen; und einen Isolator, der das Dünnschicht-Batterieelement bedeckt; wobei die Batterieschichten im Hinblick auf das Basissubstrat umgedreht gestapelt sind, sodass sich jeder Isolator auf einer Seite des Basissubstrats befindet, sich jede Schutzschicht auf einer der Seite des Basissubstrats gegenüberliegenden Seite befindet und sich der Isolator einer oberen der Batterieschichten mit einer unteren der Batterieschichten verbindet.
  22. Elektronische Einheit nach Anspruch 21, wobei die gestapelte Batteriestruktur auf einem Verdrahtungssubstrat montiert ist, die Verdrahtungsschicht als Teil des Verdrahtungssubstrats bereitgestellt wird und das elektronische Bauteil auf dem Verdrahtungssubstrat montiert ist oder die gestapelte Batteriestruktur als Substrat fungiert, auf dem das elektronische Bauteil montiert ist.
  23. Verfahren zum Fertigen einer gestapelten Batteriestruktur, das enthält: Platzieren einer Batterieschicht, die auf einem Trägersubstrat ausgebildet ist, auf einem Basissubstrat, wobei die Unterseite des Trägersubstrats aufwärts gewandt ist, wobei die Batterieschicht eine auf dem Trägersubstrat ausgebildete Schutzschicht, ein auf der Schutzschicht ausgebildetes Dünnschicht-Batterieelement und einen Isolator enthält, der das Dünnschicht-Batterieelement bedeckt; und zumindest teilweises Entfernen des Trägersubstrats von der Batterieschicht durch Ätzen, während das Dünnschicht-Batterieelement durch die Schutzschicht geschützt wird.
  24. Verfahren zum Fertigen einer gestapelten Struktur, wobei das Verfahren aufweist: Herstellen eines Basissubstrats; Herstellen einer Einheitenelementschicht, die auf einem Trägersubstrat ausgebildet wird, wobei die Einheitenelementschicht eine auf dem Trägersubstrat ausgebildete Schutzschicht, ein auf der Schutzschicht ausgebildetes Einheitenelement und ein Haftmaterial enthält, das das Einheitenelement bedeckt; Platzieren der Einheitenelementschicht auf dem Basissubstrat, wobei die Unterseite des Trägersubstrats aufwärts gewandt ist; und Ätzen des Trägersubstrats von der Unterseite des Trägersubstrats, bis die Schutzschicht der Einheitenelementschicht erreicht wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Verfahren des Weiteren, bis eine gewünschte Anzahl der Einheitenelementschichten gestapelt ist, ein abwechselndes Wiederholen aufweist: eines Stapelns einer zusätzlichen Einheitenelementschicht, die auf einem weiteren Trägersubstrat ausgebildet ist, wobei die Unterseite des weiteren Trägersubstrats aufwärts gewandt ist; und eines Entfernens des weiteren Trägersubstrats von der zusätzlichen Einheitenelementschicht durch Ätzen.
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