EP2777087A2

EP2777087A2 - Träger für eine elektrische schaltung mit einem integrierten energiespeicher

Info

Publication number: EP2777087A2
Application number: EP12774972.9A
Authority: EP
Inventors: Tjalf Pirk; Ricardo Ehrenpfordt; Laura Bohne; Juergen Steigert; Thomas BREITSCHNEIDER; Jochen Rupp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-09-17
Also published as: CN103907229A; CN103907229B; WO2013068169A3; WO2013068169A2; DE102011085863A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Träger für eine elektrische Schaltung mit einem integrierten Energiespeicher, wobei der Träger (10) aufweist zumindest eine eine Innenfläche (20, 56) aufweisende Kavität (18,47), wobei die Kavität (18, 47) von einer Substratschicht (12, 14, 46, 48, 50) des Trägers (10) zumindest teilweise umgrenzt wird, zumindest ein ionenleitendes Material (42, 42', 58), welches in zumindest einer der Kavitäten (18, 47) angrenzend an die Innenfläche (20, 56) angeordnet ist, zumindest eine erste Elektrode (22, 52), welche zumindest eines der ionenleitenden Materialien (42, 42', 58) kontaktiert und mit zumindest einem ersten Teil (31) der elektrischen Schaltung (15) des Trägers (10) elektrisch leitend verbunden ist, und zumindest eine zweite Elektrode (24, 54), welche zumindest eines der ionenleitenden Materialien (42, 42', 58) kontaktiert und mit zumindest einem zweiten Teil (33) der elektrischen Schaltung (15) des Trägers (10) elektrisch leitend verbunden ist.

Description

Beschreibung Titel

Träger für eine elektrische Schaltung mit einem integrierten Energiespeicher Stand der Technik Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Träger für eine elektrische Schaltung mit einem integrierten Energiespeicher und ein Verfahren zur Herstellung desselben nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Die Energiespeicherung gewinnt durch die fortschreitende Ausstattung mit Mobilgeräten, die Entwicklung der E-Mobility und der Anwendung von energieautarken Systemen immer mehr an Bedeutung. Gleichzeitig rücken Baugrößen- und Kostenreduzierung stärker in den Blickpunkt. Die Speicherung von Energie erfolgt zumeist auf chemischer Basis in Form von Batterien

(galvanische Primärzellen) oder Akkumulatoren (galvanische Sekundärzellen) und wird als elektrische Energie an entsprechende Bauelemente abgegeben. Die Speicherung und Abgabe der Energie durch die Batterie oder den Akkumulator erfolgt dabei in chemischer Form und basiert auf einer Redoxreaktion. Im Vergleich dazu wird die Energie in Kapazitäten, d.h. Kondensatoren, in Form von elektrostatischen Potentialen (DiPol-Ausbildung durch elektrostatisches Feld) gespeichert.

Häufigste Anwendung bei kleiner Baugröße sind die Knopfzellen. Dabei handelt es sich um eine elektrochemische Zelle als Primärzelle oder Sekundärzelle mit runder, flacher Bauform, die in Größe und Form einem Kleidungsknopf ähnelt. Nach dem Elektrodenmaterial unterscheidet man unter anderem Silberoxid-, Quecksilberoxid- und Lithiumzellen, sowie Zink-Luft-Alkali-Manganzellen. Sind die Knopfzellen als Akkumulatoren ausgebildet, handelt es sich zumeist um Nickel-Cadmium-Akkus oder Nickel- Metallhydrid- Akkus. Im Vergleich zu weiteren Bauelementen von zum Beispiel energieautarken Sensorsystemen, stellen sich die Knopfzellen jedoch im Vergleich als relativ groß dar. Typische Baugrößen sind Durchmesser zwischen 5 und 20 mm und Dicken zwischen 2 und 5,4 mm, abhängig von der gewünschten Kapazität.

Zur weiteren Verringerung der Baugrößen von Batterien und Akkumulatoren, vor allem in Anwendungen in Mikrosystemen, gibt es Aktivitäten zur Realisierung von Dünnschichtbatterien. Die Batterieschichten (Elektroden, Separator, Elektrolyt) haben dabei typische Dicken von wenigen Mikrometern und können unter anderem direkt auf die Mikrosystem(MEMS)- oder Elektronik-Chips aufgebracht werden. Die Dünnschichtbatterien enthalten jedoch aufgrund der geringen Materialdicken noch relativ niedrige Kapazitäten bzw. Ladungsmengen.

Aus der US 7,624,499 B2 ist bereits ein flexibler Schaltungsträger bekannt, in dem eine Batterie zwischen isolierende Schichten untergebracht ist. Dabei handelt es sich um eine abgeschlossene, spezifisch geformte und gehäuste Batterie mit Anschlusskontakten, welche über Durchkontaktierungen von außen kontaktiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist eine weitere Verringerung der Baugröße und eine Optimierung der Bauform von chemischen Energiespeichern in Form von Batterien und/oder Akkumulatoren zur Steigerung der Integrationsdichte für die Anwendung insbesondere innerhalb von Mikrosystemen oder innerhalb von Modulen mit Mikrosystemen bei der Realisierung ausreichender Ladungsmengen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Träger und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch den Wegfall eines klassischen Batterie- bzw. Zellgehäuses in den Substratschichten beliebig geformte Volumina mit einem ionenleitenden Material gefüllt und als Energiespeicher benutzt werden können. Zum einen werden dadurch die Funktions- und Integrationsdichte deutlich erhöht und somit die Kosten und Baugröße erheblich reduziert. Demzufolge werden der Anteil ungenutzter Substratflächen minimiert und der Nutzungsfaktor an

Substratvolumen als Energiespeicher im Vergleich zu eher symmetrisiert geformten Batterie(-packs) deutlich gesteigert. Zum anderen fällt die

Kontaktierung separater Batterien oder Akkus weg, wodurch kürzere

Leitungswege und geringere Übergangswiderstände an den Kontaktflächen realisiert werden können.

Im Sinne der Erfindung umfasst eine elektrische Schaltung elektrisch leitende Leiterbahnen, Durchkontakte bzw. Durchkontaktierungen, beispielsweise in Form von elektrisch leitenden Metallisierungen, und/oder Anschlussflächen bzw.

Anschlusspads, welche zur Kontaktierung von Bauelementen wie

mikromechanischen Sensoren, elektronischen Bauteilen und/oder weiteren Schaltungsträgern genutzt werden.

Im Sinne der Erfindung ist unter einem Energiespeicher eine Anordnung zu verstehen, welche die Speicherung von elektrischer Energie in Form von chemischer Energie, beispielsweise gebunden in chemischen Redox- Reaktionen, ermöglicht. Hierbei handelt es sich insbesondere um galvanische Primärzellen (Batterien) oder Sekundärzellen (Akkumulatoren).

Im Sinne der Erfindung ist ferner unter einer Kavität ein Hohlraum zu verstehen, der sowohl geschlossen als auch offen ausgebildet sein kann.

Im Sinne der Erfindung ist ferner unter einem ionenleitenden Material ein Elektrolyt zu verstehen, welcher zumindest teilweise in lonenform vorliegt und seine elektrische bzw. ionische Leitfähigkeit und den Ladungstransport durch die gerichtete Bewegung von Ionen bewirkt. Dabei handelt es sich um eine Säure, eine Base oder ein Salz, wobei diese in Form einer Flüssigkeit, eines Gels oder eines Festkörpers vorliegen können. Im Sinne der Erfindung ist des Weiteren unter einer Kontaktierung zwischen der jeweiligen Elektrode und dem ionenleitenden Material eine Verbindung zu verstehen, welche eine lonenübertragung zwischen der Elektrode und dem ionenleitenden Material, also dem Elektrolyten ermöglicht.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Trägers bzw. Verfahrens möglich. Vorteilhaft ist es, wenn der erste Teil der elektrischen Schaltung zumindest eine erste Anschlussfläche und/oder der zweite Teil der elektrischen Schaltung eine zweite Anschlussfläche aufweist, wobei zumindest eine der Anschlussflächen auf einer Außenfläche des Trägers angeordnet ist. D.h., mit anderen Worten, dass Anschlussflächen an einer äußeren Substratschicht, welche eine Außenfläche des Trägers bildet, vorgesehen sind, um eine einfache und direkte Kontaktierung von elektrischen Bauelemente an die elektrische Schaltung und damit an den integrierten Energiespeicher zu ermöglichen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Kavität zumindest eine sich bis zu einer Außenfläche des Trägers erstreckende erste verschließbare Öffnung zum

Einbringen des ionenleitenden Materials in die Kavität aufweist. Der Verschluss der Öffnung kann dabei z.B. als überspritzter Kunststoff, als aufgeklebter Deckel aus Metall oder Kunststoff und/oder als überlaminierte Deckelfolie, z.B. aus Metall, ausgebildet sein. Diese Maßnahme ermöglicht es, den Elektrolyten erst nach der Leiterplattenherstellung, der Fertigstellung der elektrischen Schaltung oder sogar nach weiteren, das ionenleitende Material belastenden

Prozessschritten, wie z.B. die Bauteilbestückung, das thermische

Kleberaushärten oder das Löten, in die Kavität einzufüllen. Ferner kann der Einfüllschritt auch nach langen Lagerzeiten der Leiterplatte durchgeführt werden. Demnach erhöhen sich die Freiheitsgrade bei der Elektrolytwahl, da

beispielsweise keine Auslegung auf 260°C Löttemperatur erfolgen muss. Des Weiteren unterliegt der Elektrolyt geringeren Alterungseffekten durch Temperatur und Feuchte, wenn er während der Lagerungs- und Transportzeit der Leiterplatte noch nicht in der Kavität enthalten ist, sondern erst zu einem späteren Zeitpunkt eingefüllt bzw. eingebracht wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Kavität zumindest eine sich bis zur

Außenfläche des Trägers erstreckende zweite verschließbare Öffnung zum Vorsehen eines Unterdruckes in der Kavität aufweist. Diese Maßnahme erleichtert und beschleunigt das Einbringen des Elektrolyten in die Kavität.

Ferner ist es vorteilhaft, dass die erste Öffnung und/oder die zweite Öffnung durch zumindest ein selbstverschließendes Verschlussmittel verschlossen ist. Durch diese Maßnahme kann auch das Verschlussmittel vor Einbringen des Elektrolyten in die Kavität am Träger angebracht werden, wodurch das

Herstellungsverfahren weiter vereinfacht wird. Das Einbringen des Elektrolyten kann dann auf sehr einfache Weise, beispielsweise durch Durchstoßen des selbstverschließenden Verschlusses erfolgen.

Außerdem ist es vorteilhaft, dass die erst Elektrode zumindest teilweise auf der Innenfläche zumindest einer der Kavitäten angeordnet ist und die zweite

Elektrode zumindest teilweise auf der Innenfläche zumindest einer der Kavitäten angeordnet ist. Der Vorteil dieser Maßnahme ist, dass die Elektroden

mechanisch nicht bzw. nur eingeschränkt„eigenständig" formfest ausgebildet sein müssen, da die Formfestigkeit und die Stabilität durch die Substratschichten gegeben ist. Demnach können die Elektroden als Flüssigkeiten, Schichten, dünne Folien und/oder Fäden ausgebildet sein. In der Schichtausführung können die Elektroden als abgeschiedene, aufgewachsene, gedruckte und/oder gerakelte Schichten ausgebildet und vollflächig, porös und/oder schwammartig ausgeführt sein. Vorteilhafterweise können hierbei die Elektroden zumindest teilweise in Form einer elektrisch leitenden Metallisierung ausgebildet sein und somit beim Herstellungsprozess des Schaltungsträgers zusammen mit der elektrischen Schaltung eingebracht werden, wodurch der Fertigungsprozess erheblich vereinfacht wird. Des Weiteren ist es zweckmäßig, wenn die Elektroden im Bereich ihrer geometrischen Erstreckung derart an die geometrische Form der Kavitäten angepasst sind, d.h. wenn sich die Elektroden beim Metallisierungsbzw. Herstellungsprozess derart an die geometrische Form der Kavitäten anpassen, dass keinerlei Hohlräume zwischen den Innenflächen der Kavitäten und der Elektroden im Bereich der Verbundgrenzflächen entstehen. Die Elektroden können ferner jeweils als Einzelmaterial oder Materialpaarung auftreten. Dabei können die Materialien bzw. die mindestens eine der

Materialkomponenten je Elektrode sowohl als Oxydationsmittel als auch als Reduktionsmittel fungieren und somit Ionen bzw. Elektronen sowohl aufnehmen als auch abgeben. Somit werden weitere Freiheitsgrade bei der

Energiespeicherauslegung, d.h. der Batterie- bzw. Akkumulatorauslegung erzielt. Des Weiteren können durch diese Maßnahme die Elektroden als Bestandteil der Umverdrahtungsschichten des Schaltungsträgers fortlaufend ausgeführt werden, so dass keine separate Kontaktierung dieser notwendig ist. Dies hat verringerte Kosten und eine erhöhte Zuverlässigkeit zur Folge.

Weiter vorteilhaft ist es, wenn die erste Elektrode als Kathode ausgebildet ist und insbesondere aus beschichtetem Aluminium besteht, wobei die Beschichtung ein lithiumhaltiges Übergangsmetalloxid aufweist, und die zweite Elektrode als Anode ausgebildet ist und insbesondere aus beschichtetem Kupfer besteht, wobei die Beschichtung Graphit aufweist. Bei dem lithiumhaltigen Übergangsoxid kann es sich beispielsweise um ein Lithiumcobaltoxid (LiCo0₂), ein

Lithiummanganoxid (LiMn₂0₄) oder ein Lithiumeisenphosphat (LiFeP0₄) handeln. Diese lithiumhaltigen Übergangsmetalloxide unterscheiden sich in ihrer

Nennspannung, wobei sich eine möglichst hohe Nennspannung, wie die eines Lithiummanganoxids, energetisch vorteilig auswirkt.

Ferner ist es vorteilhaft, dass zumindest ein Schutzelement zur Isolierung des ionenleitenden Materials gegenüber der Umgebung vorgesehen ist, wobei das Schutzelement als teilsweise Metallisierung der Außenfläche des Trägers, vollflächige Metalllage innerhalb des Trägers, metallisierte Nut, Metallisierung der Innenfläche der Kavität, Metalldeckel, Überzugslack und/oder Lötstopplack ausgebildet ist. Hierdurch kann auf sehr einfache und kostengünstige Art und Weise das ionenleitende Material gegen Feuchte geschützt werden. Dabei kann die Außenfläche des Trägers ganz oder teilweise metallisiert werden. Ferner kann auf der Bestück- und Kontaktseite zum Beispiel eine umlaufende

Kontaktstelle (Lötring) für einen Metalldeckel ausgeführt werden, welcher zusätzlich auch die bestückten Bauelemente schützt. Alternativ oder kumulativ kann die Metallisierung auch innerhalb des Schaltungsträgers durch vollflächige Metalllagen und umlaufende metallisierte Nuten erfolgen oder isoliert von den Elektroden innerhalb der Kavität angeordnet sein. Des Weiteren kann der Feuchteschutz aber auch durch den Einbauort des Schaltungsträgers erfolgen. Dies ist vorteilhafter Weise durch die Erfindung möglich, da diese es bei Vorsehen einer Öffnung erlaubt, den Elektrolyten erst nach erfolgter

Schaltungsträgerfertigung und z.B. Bestückung, Lötung und Montage am

Einbauort selbst einzufüllen. Somit kann ein vorheriger Kontakt des Elektrolyten zur feuchten Umgebung verhindert werden.

Es ist weiter vorteilhaft, wenn zumindest eines der Schutzelemente als Leiter elektrischer Signale ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme kann die Anzahl der elektrischen Anschlüsse und damit die Herstellungskosten und der

Herstellungsaufwand weiter reduziert werden.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn zumindest eines der ionenleitenden Materialien gelartig ausgebildet ist. Im Sinne dieser Erfindung ist unter einem gelartigen lonenleiter ein in ein Polymer eingelassener flüssiger lonenleiter zu verstehen. Das gelartige ionenleitende Material kann dann z.B. durch Dispensen oder Einspritzen in die Kavität eingebracht werden. Der Vorteil des gelartigen lonenleiters liegt in der einfacheren Kapselung des chemischen

Energiespeichers. Die Gefahr des Auslaufens ist deutlich niedriger als bei flüssigen lonenleitern.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass zumindest eines der ionenleitenden Materialien flüssig ausgebildet ist und zur räumlichen und/oder elektrischen Trennung der Elektroden ein Separator in der Kavität vorgesehen ist. Dabei wird der Separator mit dem ionenleitenden Material getränkt und hat die Aufgabe die beiden Elektroden räumlich und/oder elektrisch in zwei Kavitätenhälften zu trennen. Der Separator muss jedoch für die Ionen durchlässig sein, welche die Umwandlung der gespeicherten chemischen Energie in elektrische Energie bewirken. Als Materialien kommen für den Separator vorwiegend mikroporöse Kunststoffe sowie Fliese aus Glasfaser oder Polyethylen zum Einsatz. Zudem kann es je nach Separatorart, d.h. je nach fluidischer Durchlässigkeit des Separators sinnvoll sein, jeweils eine Öffnung für die Kavitätenhälften vorzusehen, um beidseitig des Separators eine ausreichende Füllung mit lonleiter, also dem ionenleitenden material, zu gewährleisten. Der Vorteil eines flüssigen lonenleiters im Vergleich zu einem Festkörper- lonenleiter liegt in der niedrigen Betriebstemperatur (beispielsweise Raumtemperatur).

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn eine zweite Substratschicht vorgesehen ist und der Separator zwischen zwei Substratschichten verpresst angeordnet ist. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass kein separater Verfahrensschritt für die Befestigung des Separators notwendig ist, sondern dieser bei der Herstellung des Trägers, d.h. beim Verpressen der Substratschichten mit Hilfe sogenannter Prepregs, also ungehärteter duroplastischer Kunststoffmatritzen, integriert und befestigt werden kann.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn zumindest eine zweite Kavität vorgesehen ist, wobei zumindest eine Elektrode der ersten Kavität und zumindest eine Elektrode der zweiten Kavität elektrisch miteinander verbunden sind. Diese Ausgestaltung bietet den erheblichen Vorteil, dass mehrere„Speicherzellen" in dem Träger parallel oder in Reihe geschaltet werden können, um die Speicherkapazität des Energiespeichers zu erhöhen. Die Verschaltung der Elektrodenpaare kann dabei über einen festen Aufbau des Schaltungsträgers, wie z.B. Leiterbahnen und Durchkontaktierungen, oder variabel über Anschlusskontakte an der Außenfläche des Schaltungsträgers durch z.B. Drahtbonden oder Flipchipkontakte an den zu bestückenden Bauelementen flexibel erfolgen. Im letzteren Falle wären alle Elektrodenpaare separat zur Leiterplattenaußenseite geführt, so dass der Leiterplattenkunde die Verschaltung bei der Bestückung selbst vornehmen kann, wodurch Vorteile sowohl technischer als auch wirtschaftlicher Natur für den Kunden und den Lieferanten entstehen. Die Befüllung der Kavitäten kann dabei über eine gemeinsame Öffnung zur Oberfläche bzw. Außenfläche des

Schaltungsträgers oder, wenn beispielsweise unterschiedliche ionenleitende Materialien vorgesehen sind, über separate, den jeweiligen Kavitäten

zugeordnete Öffnungen, erfolgen.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn bei der Herstellung des Trägers eine zweite Substratschicht vorgesehen ist, welche die Kavität teilweise umgrenzt, die Substratschichten unter Vakuum verpresst werden, so dass ein Unterdruck in der Kavität entsteht, und das ionenleitende Material in die Kavität mittels

Durchdringen eines Verschlussmittels eingebracht wird, wobei das

Verschlussmittel selbstverschließend ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme kann das ionenleitende Material auf sehr einfache Weise in die Kavität eingebracht werden, ohne dass dabei eine separate Vorrichtung bzw. ein separater Antrieb notwendig ist.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in den anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Trägers ohne ionenleitendes Material,

Fig. 2 den Träger gemäß Fig. 1 mit ionenleitendem Material,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Trägers mit an einer Oberseite angeordneten Anschlussflächen,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei parallel geschalteten

Energiespeicherzellen,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei in Reihe geschalteten

Energiespeicherzellen,

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer dreidimensional strukturierten Kavität, Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem flüssigen ionenleitenden Material,

Fig. 8 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Trägers,

Fig. 9 ein energieautarkes System mit einem MEMS-Sensor und einer

Auswerteelektronik auf einem erfindungsgemäßen Träger.

Ein in Fig. 1 dargestelltes erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Trägers ist in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Der Träger 10 ist als Leiterplatte ausgeführt und weist eine erste Substratschicht 12 sowie eine zweite Substratschicht 14 auf. Die beiden Substratschichten 12, 14 sind als duroplastische Lagen ausgebildet, welche von Glasfasern, beispielsweise in Epoxydharz eingebettete Glasfasern, durchzogen sind. Die Epoxydharzlagen dienen vor allem der Leiterplattenstabilität und als Träger einer elektrischen Schaltung 15. Standarddicken für die Epoxydharzkerne sind 50 bis 710

Mikrometer. Der Träger 10 weist ferner eine Prepregschicht 16 auf, welche zwischen der ersten Substratschicht 12 und der zweiten Substratschicht 14 angeordnet ist. Die Prepregschicht 16 ist dabei als duroplastische

Kunststoffmatrix ausgebildet und dient dem Zusammenhalt der beiden

Substratschichten 12, 14. Typische Prepregdicken liegen bei 50 bis 180

Mikrometern.

Des Weiteren weist der Träger 10 eine Kavität 18 auf. Die Kavität 18 ist zwischen der ersten Substratschicht 12 bzw. der Prepregschicht 16 und der zweiten Substratschicht 14 angeordnet und weist eine Innenfläche 20 auf. Auf der Innenfläche 20 der Kavität 18 ist eine erste Elektrode 22 sowie eine dieser gegenüberliegenden zweite Elektrode 24 angeordnet. Die beiden Elektroden 22, 24 sind dabei als metallisierte Schichten, d.h. als elektrisch leitende

Metallisierungen, ausgebildet. Diese Metallisierungen werden dabei

vorteilhafterweise beim Herstellungsprozess des Trägers 10 zusammen mit der elektrischen Schaltung 15 eingebracht. Die Verbundgrenzfläche zwischen den Elektroden 22, 24 und der Innenfläche 20 der Kavität 18 ist dabei jeweils hohlraumfrei ausgebildet. Der Träger 10 weist außerdem eine erste Anschlussfläche 26 auf. Die erste Anschlussfläche 26 ist auf einer ersten Außenfläche 28 des Trägers 10 angeordnet und über eine erste Durchkontaktierung 30 mit der ersten Elektrode 22 verbunden. Die erste Anschlussfläche 26 und die erste Durchkontaktierung 30 bilden dabei einen ersten Teil 31 der elektrischen Schaltung 15. Ferner ist eine zweite Anschlussfläche 32 an einer zweiten Außenfläche 34 des Trägers 10 angeordnet. Die zweite Anschlussfläche 32 ist über eine zweite

Durchkontaktierung 36 mit der zweiten Elektrode 24 verbunden. Die zweite Anschlussfläche 32 und die zweite Durchkontaktierung 36 bilden dabei einen zweiten Teil 33 der elektrischen Schaltung 15. Des Weiteren ist eine Öffnung 40 an der ersten Außenfläche 28 des Trägers 10 angeordnet, welche sich bis zu der Kavität 18 erstreckt.

Fig. 2 zeigt das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 mit einem ionenleitenden Material 42 bzw. einem Elektrolyten 42. Das ionenleitende Material 42 ist dabei angrenzend an die Innenfläche 20 der Kavität 18 angeordnet und kontaktiert die erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 24. Diese Kontaktierung ist dabei derart ausgestaltet, dass ein lonentransport zwischen den beiden Elektroden 12, 14 ermöglicht wird, wodurch eine erste Energiespeicherzelle 41 gebildet wird. Wie aus Fig. 2 ferner ersichtlich, dient die Öffnung 40 dem Einbringen des ionenleitenden Materials 42 in die Kavität 18. Um ein Entweichen bzw. Austreten des ionenleitenden Materials 42 aus der Kavität 18 zu verhindern, weist der Träger 10 ferner ein Verschlussmittel 44 auf, welches die Öffnung 40 verschließt. Das Verschlussmittel 44 ist dabei als Deckel 44 ausgebildet. Der Deckel 44 ist an der ersten Außenfläche 28 des Trägers 10 auf der Öffnung 40 angeordnet. Es ist jedoch durchaus denkbar, als Verschlussmittel 44 einen überspritzten

Kunststoff oder eine überlaminierte Deckelfolie, z. B. aus Metall vorzusehen.

Um das ionenleitende Material 42 vor Feuchte zu schützen, kann des Weiteren ein Schutzelement 45 vorgesehen werden. Das Schutzelement 45 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Überzugslackschicht 45 für die Isolation der elektrischen Anschlussflächen 26, 32 ausgebildet und auf der ersten Außenfläche 28 und der zweiten Außenfläche 34 angeordnet. Die Überzugslackschicht 45 bedeckt dabei, bis auf die beiden Anschlussflächen 26, 32 und das Verschlussmittel 44, die gesamte erste und zweite Außenfläche 28, 34, so dass zusätzlich zur Funktion als elektrische Isolation bei entsprechender Wahl und Auslegung des

Lackmaterials ein effektiver Feuchteschutz gewährleistet werden kann.

Ein in Fig. 3 dargestelltes weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Trägers 10 weist eine zusätzliche dritte Substratschicht 46 auf. Die Kavität 18 wird dabei von allen drei Substratschichten 12, 14, 46 umgrenzt. Des Weiteren ist im Unterschied zu dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die zweite Anschlussfläche 32 auf der ersten Außenfläche 28, d.h. auf der Oberseite des Trägers 10 angeordnet, so dass nun beide Anschlussflächen 26, 32 auf derselben Außenfläche 28 angeordnet sind und auf sehr einfache Art von einem Bauelement (nicht dargestellt) kontaktiert werden können. Die zweite

Durchkontaktierung 36, welche die zweite Elektrode 24 mit der zweiten

Anschlussfläche 32 verbindet, verläuft dabei durch die erste und die zweite Substratschicht 12, 14.

Fig. 4 und 5 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele, wobei der

erfindungsgemäße Träger 10 eine zweite Kavität 47 aufweist. Die erste Kavität 18 ist, analog zu dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 3, zwischen der ersten Substratschicht 12, der zweiten Substratschicht 14 und der dritten

Substratschicht 46 angeordnet. Die zweite Kavität 47 ist zwischen der dritten Substratschicht 46, einer vierten Substratschicht 48 und einer fünften

Substratschicht 50 angeordnet. Der Träger 10 weist ferner eine weitere erste Elektrode 52 und eine weitere zweite Elektrode 54 auf. Die erste Elektrode 52 und die zweite Elektrode 54 sind dabei auf einer zweiten Innenfläche 56 der zweiten Kavität 47 angeordnet.

In der zweiten Kavität 47 ist des Weiteren ein zweites ionenleitendes Material 58 angrenzend an die zweite Innenfläche 56 angeordnet. Das zweite ionenleitende Material 58 kontaktiert die erste Elektrode 52 und die zweite Elektrode 54 der zweiten Kavität 47 derart, dass ein lonentransport zwischen den beiden

Elektroden 52, 54 ermöglicht wird, wodurch eine zweite Energiespeicherzelle 57 gebildet wird. In Fig. 4 sind die erst Elektrode 22 der ersten Kavität 18, d.h. der ersten

Energiespeicherzelle 41, und die erste Elektrode 52 der zweiten Kavität 47, d.h. der zweiten Energiespeicherzelle 57, mit dem ersten Teil 31 der elektrischen Schaltung 15 elektrisch leitend verbunden. Hierbei sind die erste Elektrode 22 der ersten Energiespeicherzelle 41 und die erste Elektrode 52 der zweiten Energiespeicherzelle 57 über die erste Durchkontaktierung 30 mit der ersten Anschlussfläche 26 verbunden, um eine Kontaktierung vom elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen und/oder weiteren Schaltungsträgern zu ermöglichen. Analog dazu sind die zweite Elektrode 24 der ersten Energiespeicherzelle 41 und die zweite Elektrode 54 der zweiten Energiespeicherzelle 57 mit dem zweiten Teil 33 der elektrischen Schaltung 15 elektrisch leitend verbunden. Hierbei sind wiederum die zweite Elektrode 24 der ersten Energiespeicherzelle 41 und die zweite Elektrode 54 der zweiten Energiespeicherzelle 57 über die zweite

Durchkontaktierung 36 mit der zweiten Anschlussfläche 36 verbunden, um ebenfalls eine Kontaktierung vom elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen und/oder weiteren Schaltungsträgern zu ermöglichen.

Durch diese Verschaltung resultiert eine Parallelschaltung der ersten

Energiespeicherzelle 41 mit der zweiten Energiespeicherzelle 57. Die

Parallelschaltung ist im gezeigten Ausführungsbeispiel über eine feste

Schaltungsträgerverschaltung realisiert. Es ist jedoch durchaus denkbar, dass die Verschaltung der Elektrodenpaare 22, 24, 52, 54 anstatt über einen festen Aufbau des Schaltungsträgers, d. h. über Leiterbahnen und

Durchkontaktierungen 30, 36, auch variabel über die Anschlussflächen 26, 32 an den Außenflächen 28, 34 des Trägers 10 durch z. B. Drahtbonden oder Flipchip- Kontakte an den zu bestückenden Bauelementen flexibel erfolgt. Im letzteren Fall würden dann alle Elektrodenpaare 22, 24, 52, 54 separat zu den Außenflächen 28, 34 des Trägers 10 geführt werden.

Analog zu vom vorangehend erläuterten Ausführungsbeispiel weist der Träger 10 aus Fig. 5 ebenfalls zwei Energiespeicherzellen 41, 57 auf, wobei die erste Energiespeicherzelle 41 mit der zweiten Energiespeicherzelle 57 in Reihe geschaltet ist. Diese Reihenschaltung wird dadurch erzielt, dass die erste Elektrode 24 der ersten Energiespeicherzelle 41 mit der ersten Elektrode 52 der zweiten Energiespeicherzelle 57 mittels einer dritten Durchkontaktierung 62 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Ferner ist die erste Elektrode 22 der ersten Energiespeicherzelle 41 mit der ersten Anschlussfläche 26 und die zweite Elektrode 54 der zweiten Energiespeicherzelle 57 mit der zweiten Anschlussfläche 32 verbunden, um eine Kontaktierung von Bauelementen von außen zu ermöglichen.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Trägers 10 ist in Fig. 6 gezeigt. Der dargestellte Schaltungsträger 10 zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Substratschicht 12 und die dritte Substratschicht 46 im Bereich der Kavität 18 eine Vielzahl von Vorsprüngen 64 aufweisen. Die Vorsprünge 64, auf denen die beiden Elektroden 22, 24 angeordnet sind, bewirken eine

Oberflächenvergrößerung der Innenfläche 20 und ermöglichen damit eine Maximierung Oberfläche der Elektroden 22, 24, wodurch die Ladungsmenge erheblich gesteigert wird. Es ist verständlich, dass eine Vielzahl von Strukturen und Formen für die strukturierten Substratschichten 12, 46 für den Fachmann vorstellbar ist, welche eine Oberflächenvergrößerung bewirken. Die

Strukturierung kann dabei durch Lasern, Fräsen oder Stanzen der

Substratschichten 12, 46 vor dem Zusammenfügen erfolgen. Die Metallisierung der Elektroden 12, 14 kann vorteilhafterweise durch Auflaminieren von Folien, Anblasen, Anpressen, Metallisierung von Startschichten und anschließenden galvanischen Prozessen, wie sie beispielsweise für die Durchkontaktierungen bereits bekannt sind, erfolgen.

Fig. 7 zeigt einen Träger 10 mit einem flüssigen ionenleitenden Material 42'. Hierbei ist ein bei flüssigen Elektrolyten notwendiger Separater 66 vorgesehen, welcher zwischen der zweiten Substratschicht 14 und der dritten Substratschicht 46 angeordnet ist. Der Separator 66 ist in dem flüssigen ionenleitenden Material 42' angeordnet und hat die Aufgabe, die beiden Elektroden 22, 24 räumlich und/oder elektrisch zu trennen. Der Separator 66 muss jedoch für die Ionen durchlässig sein, welche die Umwandlung der gespeicherten chemischen Energie in elektrische Energie bewirken. In der gezeigten Ausführungsform ist lediglich eine durch das Verschlussmittel 44 verschlossene Öffnung 40 für das Einbringen des flüssigen ionenleitenden Materials 42' vorgesehen. Je nach Art, d.h. fluidischer Durchlässigkeit des Separators 66 kann es sinnvoll sein, eine zweite sich von der zweiten Außenfläche 34 des Trägers 10 zur Kavität 18 erstreckende Öffnung vorzusehen (nicht dargestellt), um beidseitig vom

Separator 66 eine ausreichende Füllung mit dem flüssigen ionenleitenden Material 42' zu gewährleisten.

Wie aus der in Fig. 8 gezeigten Draufsicht eines erfindungsgemäßen Trägers 10 ersichtlich, kann die Kavität 18, 47 (durch eine gestrichelte Linie dargestellt) nahezu beliebige Formen annehmen und mit dem ionenleitenden Material 42, 42', 58 gefüllt werden, um einen Energiespeicher zu bilden. Ungenutzte

Substratvolumina werden dadurch deutlich reduziert bzw. der Nutzungsfaktor an Substratvolumen als Energiespeicher wird deutlich gesteigert. Im Falle mehrerer Kavitäten 18, 47 können diese relativ einfach in mehreren Ebenen übereinander, auch versetzt oder überlappend oder innerhalb einer Ebene nebeneinander angeordnet und auf einfache Art und Weise miteinander gekoppelt sein. Dadurch ist es, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, möglich, eine Vielzahl von

Energiespeicherzellen 41, 57 parallel und/oder in Reihe zu verschalten, um eine gewünschte bzw. maximierte Kapazität zu erhalten.

In Fig. 9 ist schließlich ein energieautarkes System mit einem MEMS-Sensor 68 und einer Auswerteelektronik 70, welche auf einem erfindungsgemäßen Träger 10 angeordnet sind, dargestellt. Die Kontaktierung des MEMS-Sensors 68 ist dabei über einen Bonddraht 72 realisiert. Zum Schutz des ionenleitenden Materials 42 vor Feuchte weist das Gesamtsystem ferner eine Metalllage 74, eine umlaufende metallisierte Nut 76 sowie einen Metalldeckel 78 auf. Die Metalllage 74 ist zwischen der dritten Substratschicht 46 und der vierten

Substratschicht 48 angeordnet und feuchtedicht mit der metallisierten Nut 76 verbunden. Die metallisierte Nut 76 ist ebenfalls in den Substratebenen 12, 14, 46, 48 integriert, verläuft ringförmig um die Kavität 18. Der Metalldeckel 78 ist auf der ersten Außenfläche 28 des Trägers 10 angeordnet und ebenfalls feuchtedicht mit dem metallisierten Ring 76 verbunden. Durch die Schutzelemente 45, 74, 76, 78 entsteht somit ein feuchtedichtes System, welches sowohl das ionenleitende Material 42 als auch den MEMS-Sensor 68 und die Auswerteelektronik 70 effektiv vor Feuchte schützt. Ferner wird durch die drei metallischen Schutzelemente 74, 76, 78 ein EMV-Schutz für die Elektronik erreicht. Die Kommunikation nach außen kann dann z.B. über Wireless-Systeme wie Bluetooth erfolgen.

Claims

Träger für eine elektrische Schaltung mit einem integrierten

Energiespeicher, wobei der Träger (10) aufweist zumindest eine eine Innenfläche (20, 56) aufweisende Kavität (18, 47), wobei die Kavität (18, 47) von einer Substratschicht (12, 14, 46, 48, 50) des Trägers (10) zumindest teilweise umgrenzt wird, zumindest ein ionenleitendes Material (42, 42', 58), welches in zumindest einer der Kavitäten (18, 47) angrenzend an die Innenfläche (20, 56) angeordnet ist, zumindest eine erste Elektrode (22, 52), welche zumindest eines der ionenleitenden Materialien (42, 42' 58) kontaktiert und mit zumindest einem ersten Teil (31) der elektrischen Schaltung (15) des Trägers (10) elektrisch leitend verbunden ist, und zumindest eine zweite Elektrode (24, 54), welche zumindest eines der ionenleitenden Materialien (42, 42', 58) kontaktiert und mit zumindest einem zweiten Teil (33) der elektrischen Schaltung (15) des Trägers (10) elektrisch leitend verbunden ist.

Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (31) der elektrischen Schaltung (15) zumindest eine erste

Anschlussfläche (26) und/oder der zweite Teil (33) der elektrischen Schaltung (15) eine zweite Anschlussfläche (32) aufweist, wobei zumindest eine der Anschlussflächen (26, 32) auf einer Außenfläche (28, 34) des Trägers (10) angeordnet ist.

Träger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die

Kavität (18, 47) zumindest eine sich bis zu einer Außenfläche (28, 34) des Trägers (10) erstreckende erste verschließbare Öffnung (40) zum

Einbringen des ionenleitenden Materials (42, 42', 58) in die Kavität (18, 47) aufweist.

Träger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (18, 47) zumindest eine sich bis zur Außenfläche (28, 34) des Trägers (10) erstreckende zweite verschließbare Öffnung zum Vorsehen eines Unterdruckes in der Kavität (18, 47) aufweist.

5. Träger nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (40) und/oder die zweite Öffnung durch zumindest ein selbstverschließendes Verschlussmittel (44) verschlossen ist.

6. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (22, 52) zumindest teilweise auf der Innenfläche (20, 56) zumindest einer der Kavitäten (18, 47) angeordnet ist und die zweite Elektrode (24, 54) zumindest teilweise auf der Innenfläche (20, 56) zumindest einer der Kavitäten (18, 47) angeordnet ist.

7. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (22, 52) als Kathode ausgebildet ist und insbesondere aus beschichtetem Aluminium besteht, wobei die

Beschichtung ein lithiumhaltiges Übergangsmetalloxid aufweist, und die zweite Elektrode (24, 54) als Anode ausgebildet ist und insbesondere aus beschichtetem Kupfer besteht, wobei die Beschichtung Graphit aufweist.

8. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Schutzelement (45, 74, 76, 78) zur hygrischen Isolierung des ionenleitenden Materials (42, 42', 58) gegenüber der Umgebung vorgesehen ist, wobei das Schutzelement (45, 74, 76, 78) als teilweise Metallisierung der Außenfläche (28, 34) des Trägers (10), vollflächige Metalllage (74) innerhalb des Trägers (10), metallisierte Nut (76), Metallisierung der Innenfläche (20, 56) der Kavität (18, 47),

Metalldeckel (78), Überzugslack (45) und/oder Lötstopplack ausgebildet ist.

9. Träger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Schutzelemente (45, 74, 76, 78) als Leiter elektrischer Signale ausgebildet ist.

10. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der ionenleitenden Materialien (42, 42', 58) gelartig ausgebildet ist.

11. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der ionenleitenden Materialien (42, 42', 58) flüssig ausgebildet ist und zur räumlichen und/oder elektrischen Trennung der Elektroden (22, 24, 52, 54) ein Separator (66) in der Kavität (18, 47) vorgesehen ist.

12. Träger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere Substratschicht (14, 46, 48, 50) vorgesehen ist und der Separator (66) zwischen zwei Substratschichten (12, 14, 46, 48, 50) verpresst angeordnet ist.

13. Träger nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest eine zweite Kavität (47) vorgesehen ist, wobei zumindest eine Elektrode (22, 24) der ersten Kavität (18) und zumindest eine Elektrode (52, 54) der zweiten Kavität (47) elektrisch miteinander verbunden sind.

14. Verfahren zur Herstellung eines Trägers für eine elektrische Schaltung mit einem integrierten Energiespeicher, aufweisend folgende

Verfahrensschritte:

Vorsehen zumindest einer Kavität (18, 47), wobei die Kavität (18, 47) von einer Substratschicht (12, 14, 46, 48, 50) des Trägers (10) zumindest teilweise umgrenzt wird,

Einbringen zumindest eines ionenleitenden Materials (42, 42', 58) in zumindest eine der Kavitäten (18, 47),

Vorsehen zumindest einer ersten Elektrode (22, 52), welche zumindest eines der ionenleitenden Materialien (42, 42', 58) kontaktiert und mit zumindest einem ersten Teil (26, 32) der elektrischen Schaltung (15) des Trägers (10) elektrisch leitend verbunden wird, und

Vorsehen zumindest einer zweiten Elektrode (24, 54), welche zumindest eines der ionenleitenden Materialien (42, 42', 58) kontaktiert und mit zumindest einem zweiten Teil (32, 36) der elektrischen Schaltung (15) des Trägers (10) elektrisch leitend verbunden wird.

15. Verfahren zur Herstellung eines Trägers nach Anspruch 14,

gekennzeichnet durch das Vorsehen zumindest einer sich bis zu einer Außenfläche (28, 34) des Trägers (10) erstreckenden ersten Öffnung (40) an der Kavität (18, 47) zum Einbringen des ionenleitenden Materials (42, 42', 58) in die Kavität (18, 47), und

das Verschließen der Öffnung (40) durch ein Verschlussmittel (44).

16. Verfahren zur Herstellung eines Trägers nach Anspruch 15,

gekennzeichnet durch das Vorsehen einer weiteren Substratschicht (14, 46, 48, 50), welche die Kavität (18, 47) teilweise umgrenzt,

das Verpressen der Substratschichten (12, 14, 46, 48, 50) unter Vakuum, so dass ein Unterdruck in der Kavität (18, 47) entsteht, und das Einbringen des ionenleitenden Materials (42, 42', 58) in die Kavität (18, 47) mittels Durchdringen des Verschlussmittels (44), wobei das Verschlussmittel (44) selbstverschließend ausgebildet ist.