JP2014086330A - Small-sized power supply module and semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、小型電源モジュール及び半導体モジュールに関する。 The present invention relates to a small power supply module and a semiconductor module.
近年、センサーネットワーク構想とともに、新たな環境発電技術の取り組みが活発になっている。環境発電技術は、時計においては1988年にキネテイックと呼ばれる振動を利用した技術が実用化され、その後、温度差や太陽光を利用した技術も実用化されており、μWオーダの電力供給が果たされている。 In recent years, along with the sensor network concept, efforts for new energy harvesting technologies have become active. As for energy harvesting technology, watch technology that uses vibration called kinetic was put into practical use in 1988, and technology that uses temperature difference and sunlight was also put into practical use. Has been.
さらに、欧米、日本で、エレクトレット、電磁波などを利用した技術の開発が行われており、最近では、環境発電と無線技術とを組み合わせた新たなシステムの適用拡大も進められている。 Furthermore, technologies using electrets, electromagnetic waves, etc. are being developed in the United States, Europe, and Japan, and recently, the application of new systems combining energy harvesting and wireless technologies is being promoted.
モバイル機器用化学電池の代表格はリチウムイオン二次電池である。一方、リチウムイオン二次電池は、安全上において、膨張、破裂、発火などの危険性も有している。リチウムイオン二次電池の安全性や適応性の向上を狙いとして、有機電解液に代えて、固体電解質を用いる全固体薄膜リチウムイオン二次電池の開発も進められている。 A typical chemical battery for mobile devices is a lithium ion secondary battery. On the other hand, lithium ion secondary batteries also have dangers such as expansion, rupture, and fire for safety. With the aim of improving the safety and adaptability of lithium ion secondary batteries, development of all-solid-state thin film lithium ion secondary batteries that use solid electrolytes instead of organic electrolytes is also underway.
全固体薄膜リチウムイオン二次電池は、安全、高耐熱、軽量、フレキシブルといった特徴を持つ。超小型の電子機器やロボット、マイクロセンサー、無線ICタグ、医療用体内埋め込み機器などのエネルギー源として期待されている。 The all-solid-state thin film lithium ion secondary battery has features such as safety, high heat resistance, light weight, and flexibility. It is expected as an energy source for ultra-compact electronic devices, robots, micro sensors, wireless IC tags, medical implantable devices and the like.
このような、全固体二次電池は、環境発電素子と一体化して、センサーネットワーク機器の電源とすることも考えられており、環境発電素子としては、太陽電池の他、温度差があれば発電できる熱電発電素子が有力である(例えば、特許文献1乃至特許文献3参照)。 Such an all-solid-state secondary battery is considered to be integrated with an energy harvesting element to be used as a power source for sensor network equipment. A thermoelectric power generation element that can be produced is prominent (see, for example, Patent Documents 1 to 3).
センサーネットワーク機器の電源として、様々な状況、様々なシーンで適用でき、また独立した電源デバイスとして、様々なセンサーデバイスや無線デバイスに適用できるようにすることが望まれる。そのため、二次電池や熱電発電素子を埋め込み実装し、通常のプリント基板への実装よりも、より小型に、より環境適応性を向上させることが検討されている。 It is desired that the power source of the sensor network apparatus can be applied in various situations and various scenes, and that it can be applied to various sensor devices and wireless devices as an independent power source device. For this reason, it has been studied to embed and mount a secondary battery or a thermoelectric power generation element to make it smaller and improve environmental adaptability than mounting on a normal printed circuit board.
電源デバイスとして、熱電発電素子を選択する場合、温度差があればあるほど発電で得られる電力は大きいため、熱電発電素子を搭載したモジュールの片面は、高温にさらされることが考えられる。熱電発電素子と全固体二次電池を同時にモールド樹脂に埋め込む場合、熱電素子は、その両面がモールド樹脂でできた基体の表裏に露出された構造となり、片面で加熱、片面で冷却を行うことにより発電する。 When a thermoelectric power generation element is selected as a power supply device, the power obtained by power generation increases as the temperature difference increases. Therefore, one side of the module on which the thermoelectric power generation element is mounted may be exposed to a high temperature. When the thermoelectric generator and the all-solid-state secondary battery are embedded in the mold resin at the same time, the thermoelectric element has a structure in which both sides are exposed on the front and back of the base made of mold resin, by heating on one side and cooling on one side Generate electricity.
埋め込みに使用する材料は、リジッドなモールド材を使用する。モールド材は、主にエポキシ樹脂などの樹脂材料と、シリカなどの無機材料から成るフィラーで構成されている。フィラーは、シリコンチップとの熱膨張率を同等程度にするために50〜90wt%と大量に混合されており、そのため熱伝導率が高い。なお、エポキシ樹脂のみである場合、熱伝導率は0.2〜0.3W/Kmであるが、モールド樹脂全体では1W/Km以上になる。 The material used for embedding uses a rigid mold material. The mold material is mainly composed of a resin material such as an epoxy resin and a filler made of an inorganic material such as silica. The filler is mixed in a large amount of 50 to 90 wt% in order to make the thermal expansion coefficient of the silicon chip comparable, so that the thermal conductivity is high. In addition, when only an epoxy resin is used, the thermal conductivity is 0.2 to 0.3 W / Km, but the entire mold resin is 1 W / Km or more.
ここで、図11を参照して、EH(エネルギーハーベスティング)電源を備えた小型電源モジュールの一例を説明する。図11は小型電源モジュールの説明図であり、図11(a)は概念的断面図であり、図11(b)は全固体Liイオン電池近傍の断面図である。小型電源モジュールは、全固体Liイオン電池20、熱電発電素子41、太陽電池42及びチップコンデンサ43をシリカフィラーを含有するモールド樹脂31でモールドされている。図において、構成を理解しやすいように、全固体Liイオン電池20、熱電発電素子41、太陽電池42及びチップコンデンサ43を一列に整列させて図示しているが、実際の配置は任意である。なお、図における符号511〜542はそれぞれの素子に設けた電極であり、また、符号53は熱電発電素子41に設けた伝熱板である。
Here, with reference to FIG. 11, an example of a small power supply module provided with an EH (energy harvesting) power supply will be described. FIG. 11 is an explanatory diagram of a small power supply module, FIG. 11 (a) is a conceptual cross-sectional view, and FIG. 11 (b) is a cross-sectional view in the vicinity of an all-solid-state Li-ion battery. In the small power module, the all-solid-state Li-
この小型電源モジュールを熱源39に当接させて熱電発電素子41で熱を電気に変換して、全固体Liイオン電池20を充電する。また、太陽電池42も周囲の光を電気に変換して全固体Liイオン電池20を充電する。このように環境で使用されていなかった微弱な熱や光を有効に電力に変換することができる。
The small power supply module is brought into contact with the heat source 39 and heat is converted into electricity by the
図11(b)に示すように、全固体Liイオン電池20は、シリコン基板21上にSiO2膜22を介して正極側集電体23及び負極側集電体24を設け、正極側集電体23上に正極25を設けている。正極25及び負極側集電体24を覆うように固体電解質26を設け、この固体電解質26を覆うように負極27を設ける。正極側集電体23に引出電極281を設け、負極側集電体24にも引出電極282を設け、保護樹脂29でモールドし、露出した引出電極281,282に電極511,512を形成する。この場合、全固体Liイオン電池20には、図において矢印で示すように、熱源39からの熱が伝達される。
As shown in FIG. 11 (b), the all-solid-state
しかし、全固体リチウムイオン二次電池をはじめとする二次電池チップは熱に弱く、チップ温度が10℃上昇すると寿命が半減すると言われている。したがって、加熱時間が十分短い場合は、二次電池チップの温度はあまり上昇しないが、連続して加熱されている場合は、モールド樹脂を通して熱が伝わり、電池寿命が劣化する虞がある。 However, secondary battery chips, such as all solid lithium ion secondary batteries, are vulnerable to heat, and it is said that the lifetime is halved when the chip temperature rises by 10 ° C. Therefore, when the heating time is sufficiently short, the temperature of the secondary battery chip does not increase so much, but when it is continuously heated, heat is transmitted through the mold resin and the battery life may be deteriorated.
したがって、小型電源モジュールに搭載された二次電池チップの熱劣化を低減することを目的とする。 Therefore, it aims at reducing the thermal deterioration of the secondary battery chip | tip mounted in the small power supply module.
開示する一観点からは、支持基板と前記支持基板上に設けられた二次電池本体部を有する二次電池チップと、熱電発電素子と、前記二次電池チップと前記熱電発電素子を埋め込む埋込樹脂と、前記二次電池本体部の前記支持基板と接する面と前記埋込樹脂との間に前記埋込樹脂の熱伝導率より熱伝導率の低い熱遮蔽機構とを有する小型電源モジュールが提供される。 From one aspect to be disclosed, a secondary battery chip having a support substrate, a secondary battery main body provided on the support substrate, a thermoelectric power generation element, and an embedding in which the secondary battery chip and the thermoelectric power generation element are embedded. Provided is a compact power supply module having a resin and a heat shielding mechanism having a thermal conductivity lower than that of the embedded resin between the embedded resin and a surface of the secondary battery main body contacting the support substrate. Is done.
また、開示する別の観点からは、支持基板と前記支持基板上に設けられた二次電池本体部を有する二次電池チップと、熱電発電素子と、前記二次電池チップ或いは前記熱電発電素子を電源とする半導体装置と、前記二次電池チップ、前記熱電発電素子及び前記半導体装置を埋め込む埋込樹脂と、前記二次電池本体部の前記支持基板と接する面と前記埋込樹脂との間に前記埋込樹脂の熱伝導率より熱伝導率の低い熱遮蔽機構とを有する半導体モジュールが提供される。 From another viewpoint to be disclosed, a secondary battery chip having a support substrate and a secondary battery main body provided on the support substrate, a thermoelectric power generation element, the secondary battery chip or the thermoelectric power generation element are provided. A semiconductor device as a power source, an embedded resin that embeds the secondary battery chip, the thermoelectric generator, and the semiconductor device, and a surface that contacts the support substrate of the secondary battery main body and the embedded resin A semiconductor module having a heat shielding mechanism having a thermal conductivity lower than that of the embedded resin is provided.
開示の小型発電装置及び半導体モジュールによれば、小型電源モジュールに搭載された二次電池チップの熱劣化を低減することが可能になる。 According to the disclosed small power generator and semiconductor module, it is possible to reduce the thermal deterioration of the secondary battery chip mounted on the small power supply module.
ここで、図1を参照して、本発明の実施の形態の小型電源モジュールを説明する。図1は、本発明の実施の形態の小型電源モジュールの説明図であり、図1(a)は、本発明の実施の形態の小型電源モジュールの概念的断面図であり、図1(b)は二次電池チップの説明図である。 Here, with reference to FIG. 1, the small-sized power supply module of embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is an explanatory diagram of a small power supply module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1 (a) is a conceptual cross-sectional view of the small power supply module according to the embodiment of the present invention. These are explanatory drawings of a secondary battery chip.
小型電源モジュール10は、二次電池チップ11、熱電発電素子15、発電素子16及び電子デバイス17を埋込樹脂18でモールドするとともに、二次電池チップ11の底面側に熱遮蔽機構19を設ける。
In the
熱電発電素子15としては、太陽電池等の光起電力素子やMEMS振動発電素子が挙げられる。また、電子デバイス17としては、半導体集積回路装置、昇圧回路素子、チップコンデンサ、或いは、発信機等が挙げられる。
Examples of the thermoelectric
埋込樹脂18としては、シリカなどの無機材料から成るフィラーを含有したエポキシ樹脂が典型的なものであるが、リジッドな樹脂であれば良い。フィラーは、二次電池チップ11との熱膨張率を同等程度にするために50〜90wt%と大量に混合され、その結果、埋込樹脂18の熱伝導率は1W/Km以上になる。
The embedding
このように、熱伝導率が高くならざるを得ない埋込樹脂18でモールドする場合、熱に弱い二次電池チップ11の熱劣化を低減するために、二次電池チップ11の底面側に熱遮蔽機構19を設ける。
As described above, when molding is performed with the embedded
二次電池チップ11としては、全固体Liイオン電池、全固体Naイオン電池、全固体Mgイオン電池或いは全固体Caイオン電池等の全固体イオン電池が典型的なものであるが、チップ化が可能なものであれば、液体電解質を用いたイオン電池でも良い。
The
図1(a)は、二次電池チップの説明図であり、二次電池チップ11は支持基板12上に二次電池本体部13を設けており、露出面側には電極141,142が設けられている。この二次電池チップ11の底面側に熱遮蔽機構19を設ける。
FIG. 1A is an explanatory diagram of a secondary battery chip. The
熱遮蔽機構19としては、支持基板12の背面に設けた埋込樹脂18の熱伝導率より低い熱伝導率の樹脂層や、中空ガラスビーズ等の中空フィラーを含有した中空フィラー含有樹脂層等を用いれば良い。なお、樹脂層の熱膨張係数が支持基板と大幅に異なる場合には、フィラー含有樹脂層を介在させることが望ましい。
As the
熱遮蔽機構19として、支持基板に形成したスリット状凹部或いは穴を用いても良く、スリット状凹部或いは穴の内部には埋込樹脂が侵入しないので中空となり、空気が断熱材として作用することになる。熱伝導率の低い空気の熱伝導率は0.0257W/Km@20℃であり、0.2〜0.3W/Kmのエポキシ樹脂よりもさらに低い。また、スリット状凹部或いは穴を覆う蓋部材を設けても良く、蓋部材は、ガラスやSi等無機材料でも良いが、より熱伝導率の低い樹脂フィルム等を使用するとさらに効果がある。
As the
スリット状凹部或いは穴の形成方法としては、ブレードを用いて機械加工しても良いし、或いは、エッチングを用いても良い。エッチングで形成する場合には、SF6+O2によるディープRIE(反応性イオンエッチング)を用いても良いし、SF6とC4F8と交互に切り替えてエッチングするボッシュ法を用いても良い。 As a method for forming the slit-shaped recess or hole, machining may be performed using a blade, or etching may be used. In the case of forming by etching, deep RIE (reactive ion etching) using SF 6 + O 2 may be used, or a Bosch method in which etching is alternately switched between SF 6 and C 4 F 8 may be used.
なお、スリット状凹部或いは穴を用いる場合には、スリット状凹部或いは穴の最小径を埋込樹脂18に含有されるフィラーの平均直径より小さくすることが望ましく、それにより熱伝導率の大きなフィラーがスリット状凹部或いは穴に侵入することがなくなる。
In addition, when using a slit-shaped recessed part or a hole, it is desirable to make the minimum diameter of a slit-shaped recessed part or a hole smaller than the average diameter of the filler contained in the embedding
このような小型電源モジュール10にMEMS振動センサや生体センサ等のセンサ素子、センサ素子を制御する半導体集積回路装置及びセンサ素子のセンシング結果に基づいて警報を発信する発信機を設けることで、センサモジュールを構成することができる。
By providing such a small
このように、本発明の実施の形態においては、二次電池チップの背面側に熱遮蔽機構19を設けているので、熱源から埋込樹脂18を介して伝わる熱を効果的に遮蔽することができ、それによって、二次電池チップの熱劣化を低減することができる。
As described above, in the embodiment of the present invention, since the
次に、図2及び図3を参照して、本発明の実施例1の小型発電モジュールを説明する。まず、図2(a)に示すように、全固体Liイオン電池20の背面に厚さが100μmの中空ガラスビーズ含有エポキシシート30を貼り付け、150℃で1時間加熱して硬化させる。なお、この全固体Liイオン電池20は、5mm×5mmのシリコン基板21上にSiO2膜22を介して厚さが0.2μmのPt膜を成膜して正極側集電体23及び負極側集電体24を形成する。次いで、厚さが20μmのLiCoO2を堆積したのち、結晶化を行って正極25を形成する。
Next, with reference to FIG.2 and FIG.3, the small electric power generation module of Example 1 of this invention is demonstrated. First, as shown in FIG. 2A, a hollow glass bead-containing
次いで、厚さが1.5μmのLiPONからなる固体電解質26を形成したのち、厚さが10μmのInを堆積して負極27を形成する。次いで、引出電極281,282を形成したのち、保護樹脂29でモールドする。この時、全固体Liイオン電池20の全体の厚さが200μmになるようにシリコン基板21の厚さを調整する。
Next, after forming the
次いで、図2(b)に示すように、UV剥離テープ(図示を省略)の接着面に全固体Liイオン電池20、熱電発電素子41、太陽電池42及びチップコンデンサ43をフェイスダウンで固定する。なお、図においては、理解しやすいように各素子を整列させているが、配置は任意である。
Next, as shown in FIG. 2B, the all-solid-state Li-
次いで、80%のシリカフィラーを含有するエポキシ樹脂からなるモールド樹脂31を塗布し、脱気しながら100kNで加圧し、110℃で加熱して成形し、成形後に加熱硬化させて全体をモールドする。なお、このモールド樹脂31の熱伝導率は1W/K程度になる。
Next, a
次いで、図3(a)に示すように、電極露出面を表面として、裏面を研削して熱電発電素子41の裏面を露出させる。この時、全固体Liイオン電池20の背面は露出せず、全固体Liイオン電池20の背面におけるモールド樹脂31の厚さは200μmとなり、全体の厚さは500μmとなる。
Next, as shown in FIG. 3A, the back surface of the
次いで、図3(b)に示すように、UV剥離テープを剥離したのち、各素子に電極511〜542を形成するとともに、熱電発電素子41の背面に伝熱板53を形成することによって、本発明の実施例1の小型電源モジュールの基本構成が完成する。
Then, as shown in FIG. 3 (b), after peeling off the UV peelable tape, thereby forming the electrodes 51 1 to 54 2 to each element, by forming the
本発明の実施例1においては、熱遮蔽機構として、空気と同程度の熱伝導率を有する中空ガラスビーズを含んだエポキシ樹脂を用いているので、中空ガラスビーズ含有エポキシシート30の熱伝導率は0.1W/K以下となり高い断熱効果を有する。なお、中空ガラスビーズの含有量は、中空ガラスビーズの種類に応じてシリコン基板21の熱膨張係数に近くなるように含有させれば良い。
In Example 1 of the present invention, since the epoxy resin containing hollow glass beads having the same thermal conductivity as air is used as the heat shielding mechanism, the thermal conductivity of the hollow glass bead-containing
次に、図4を参照して、本発明の実施例2の小型発電モジュールを説明するが、基本的製造工程は上記の実施例1と同様であるので、構造のみを説明する。図4は、本発明の実施例2の小型電源モジュールの説明図であり、図4(a)は全固体Liイオン電池の断面図であり、図4(b)は小型電源モジュールの概念的断面図である。
Next, the small power generation module according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4. Since the basic manufacturing process is the same as that of the first embodiment, only the structure will be described. FIG. 4 is an explanatory diagram of a small power module according to
図4(a)に示すように、本発明の実施例2においては、全固体Liイオン電池20の背面に厚さが100μmのエポキシシート33を設ける。但し、エポキシ樹脂の熱膨張係数は62×10−6K−1であり、Siの2.4××10−6K−1と大きく異なる。したがって、全固体Liイオン電池20の背面にエポキシシート33が接した状態で加熱された場合には、全固体Liイオン電池20にクラックが入る等のダメージを受ける惧れがある。
As shown in FIG. 4A, in Example 2 of the present invention, an
そこで、全固体Liイオン電池20の背面とエポキシシート33との間に、モールド樹脂31と同様なシリコンフィラーを含有する厚さが100μmのフィラー含有エポキシシート32を介在させる。これらのシートは、全固体Liイオン電池20の背面にラミネートしたのち、加熱硬化させる。なお、フィラー含有エポキシシート32の熱膨張係数は、モールド樹脂31と同程度の10×10−6K−1である。
Therefore, a filler-containing
図4(b)はモールド樹脂31でモールドした状態の小型電源モジュールの断面図であり、実施例1と同様に全体の厚さが500μmであるので、全固体Liイオン電池20の背面側のモールド樹脂31の厚さは100μmになる。
FIG. 4B is a cross-sectional view of the small power supply module molded with the
本発明の実施例2においては、熱遮蔽機構として、フィラーを含有しないエポキシシートを用いており、エポキシ樹脂の熱伝導率は0.2W/Kであるので、高い断熱効果を有する。それによって、全固体Liイオン電池20の熱劣化を低減することができる。
In Example 2 of this invention, the epoxy sheet which does not contain a filler is used as a heat shielding mechanism, and since the thermal conductivity of an epoxy resin is 0.2 W / K, it has a high heat insulation effect. Thereby, thermal degradation of the all-solid-state
次に、図5及び図6を参照して、本発明の実施例3の小型電源モジュールを説明するが、製造工程及び基本的なサイズ等は上記の実施例1と同様である。図5は本発明の実施例3の小型電源モジュールの説明図であり、図5(a)は全固体Liイオン電池の断面図であり、図5(b)は小型電源モジュールの概念的断面図である。 Next, with reference to FIG. 5 and FIG. 6, the small power supply module according to the third embodiment of the present invention will be described. The manufacturing process, basic size, and the like are the same as those of the first embodiment. FIG. 5 is an explanatory view of a small power module according to Embodiment 3 of the present invention, FIG. 5 (a) is a cross-sectional view of an all-solid-state Li-ion battery, and FIG. 5 (b) is a conceptual cross-sectional view of the small power module. It is.
図5(a)に示すように、シリコン基板21の背面側に幅が40μmのスリット34をシリコン基板21の厚さの3/4の深さまで、L&S(ラインアンドスペース)が1:1になるように形成する。
As shown in FIG. 5A, a
図5(b)は実施例1と同様にモールド樹脂でモールドした後の断面図である。シリカフィラー35の径は50μm以上であるので、幅が40μmのスリット34の内部に侵入することはない。また、モールド樹脂31の成分であるエポキシ樹脂はスリット34の深さの最大で1/3程度まで入り込み、残りの2/3空気層となる。スリット34の深さまでの熱抵抗は3.5×10−4K/Wであり、スリット34を形成しないシリコン基板21の熱抵抗8.9×10−5K/Wと比較して熱抵抗が一桁向上し、断熱性が改善される。
FIG. 5B is a cross-sectional view after molding with a mold resin in the same manner as in the first embodiment. Since the
本発明の実施例3においては、熱遮蔽機構として、シリコン基板21にスリット34を形成し、スリット34内の空気層を断熱機構として利用しているので、全固体Liイオン電池20の熱劣化を低減することができる。
In the third embodiment of the present invention, the
図6は、本発明の実施例3におけるスリットの形成方法の説明図であり、図6(a)は加工途中の断面図であり、図6(b)は加工後の断面図である。図6(a)に示すように、ブレード36を用いて幅が40μmで深さがシリコン基板21の厚さの3/4となるスリット34を80μmのピッチで順次形成する。
6A and 6B are explanatory diagrams of a slit forming method according to the third embodiment of the present invention. FIG. 6A is a cross-sectional view in the middle of processing, and FIG. 6B is a cross-sectional view after processing. As shown in FIG. 6A, slits 34 having a width of 40 μm and a depth of 3/4 of the thickness of the
次に、図7を参照して、本発明の実施例4を説明するが、スリットの形成方法が異なるだけで、他の条件は上記の実施例3と同様であるので、スリットの形成方法のみを説明する。 Next, Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG. 7, but only the slit forming method is different because the other conditions are the same as in Embodiment 3 except that the slit forming method is different. Will be explained.
図7は、本発明の実施例4におけるスリットの形成工程の説明図であり、図7(a)に示すように、幅が20μmのレジストパターン37を40μmのピッチで設けてL&Sが1:1レジストパターン37を形成する。
FIG. 7 is an explanatory view of a slit forming process in Example 4 of the present invention. As shown in FIG. 7A, resist
次いで、図7(b)に示すように、レジストパターン37をマスクとしてSF6+O2を用いたディープRIEを用いて、シリコン基板21の厚さの4/5の深さのスリット34を形成する。次いで、レジストパターン37を剥離することによって、熱遮蔽機構を備えた全固体Liイオン電池20が完成する。
Next, as shown in FIG. 7B, a
次に、図8を参照して、本発明の実施例5を説明するが、スリットの形成方法が異なるだけで、他の条件は上記の実施例3と同様であるので、スリットの形成方法のみを説明する。ここでは、SF6とC4F8とを交互に切り替えてエッチングするボッシュ法を用いてエッチングを行う。 Next, Embodiment 5 of the present invention will be described with reference to FIG. 8 except that the slit forming method is different and the other conditions are the same as in Embodiment 3 above, so that only the slit forming method is used. Will be explained. Here, etching is performed using a Bosch method in which SF 6 and C 4 F 8 are alternately switched and etched.
図8は、本発明の実施例5におけるスリットの形成工程の説明図であり、図8(a)に示すように、幅が20μmのレジストパターン37を40μmのピッチで設けてL&Sが1:1レジストパターン37を形成する。次いで、レジストパターン37をマスクとしてSF6を用いたRIEでエッチングモードのエッチングを行って浅いスリット34を形成する。
FIG. 8 is an explanatory diagram of a slit forming process in Example 5 of the present invention. As shown in FIG. 8A, resist
次いで、図8(b)に示すように。C4F4を用いたRIEでパッシベーションモードのエッチングを行ってスリット34の表面にSiO2膜38を形成する。次いで、図8(c)に示すように、再び、SF6を用いたRIEでエッチングモードのエッチングを行ってスリット34を深くして行く。この工程を、スリット34の深さが、シリコン基板21の厚さの4/5の深さになるまで繰り返す。
Then, as shown in FIG. A passivation mode etching is performed by RIE using C 4 F 4 to form a SiO 2 film 38 on the surface of the
次に、図9を参照して、本発明の実施例6の小型電源モジュールを説明するが、基本的な構成は上記の実施例3と同様であるが、ここでは、スリットを覆う蓋部材を設けるとともに、二次電池として全固体Naイオン電池を用いている。図9(a)は全固体Naイオン電池の断面図であり、図8(b)は小型電源モジュールの概念的断面図である。 Next, with reference to FIG. 9, the small power supply module according to the sixth embodiment of the present invention will be described. The basic configuration is the same as that of the third embodiment described above, but here, a lid member covering the slit is used. While providing, the all-solid-state Na ion battery is used as a secondary battery. FIG. 9A is a cross-sectional view of an all-solid Na ion battery, and FIG. 8B is a conceptual cross-sectional view of a small power supply module.
この全固体Naイオン電池60は、図9(a)に示すように、5mm×5mmのシリコン基板61上にSiO2膜62を介して厚さが0.2μmのPt膜を成膜して正極側集電体63及び負極側集電体64を形成する。次いで、厚さが20μmのTiS2結晶を正極65として形成する。
As shown in FIG. 9A, the all-solid-state
次いで、立方晶Na3PS4が析出したセラミックガラスからなる固体電解質66を形成したのち、Na−Sn合金を堆積して負極67を形成する。次いで、引出電極681,682を形成したのち、保護樹脂69でモールドする。この時、全固体Naイオン電池60の全体の厚さが200μmになるようにシリコン基板61の厚さを調整する。
Next, after forming a
この場合も、実施例3と同様に、ブレードを用いて幅が40μmのスリット70をシリコン基板61の厚さの3/4の深さになるように、80μmのピッチで形成する。次いで、エポキシ樹脂からなる樹脂シート71でスリット70の開放端を覆う。
Also in this case, similarly to the third embodiment, the
図9(b)は実施例3と同様にモールド樹脂でモールドした後の断面図である。スリット70の開放端は樹脂シート71により覆われているので、モールド樹脂31の成分であるエポキシ樹脂がスリット70の内部に侵入することはない。したがって、スリット70内の空気層全体が断熱材となるので、スリット70の断熱効果をさらに高めることができる。
FIG. 9B is a cross-sectional view after molding with a mold resin in the same manner as in Example 3. Since the open end of the
次に、図10を参照して、本発明の実施例7のEH(エネルギーハーベスティング)電源素子を備えた振動センサモジュールを説明する。図10は、本発明の実施例7のEH電源素子を備えた振動センサモジュールの概念的平面図である。この振動センサモジュールは、全固体Liイオン電池20、熱電発電素子41、太陽電池42とともに、昇圧回路素子44,45、制御用半導体集積回路装置46、MEMS振動センサ47及び発信機48をモールド樹脂31により一体にモールドしたものである。
Next, with reference to FIG. 10, a vibration sensor module including an EH (energy harvesting) power supply element according to the seventh embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a conceptual plan view of a vibration sensor module including an EH power supply element according to Example 7 of the present invention. This vibration sensor module includes the all-solid-state Li-
この振動センサモジュールにおいては、熱及び光等の環境エネルギーを熱電発電素子41及び太陽電池42で電気に変換し、昇圧回路素子44,45で出力電圧を昇圧したのち、全固体Liイオン電池20を充電する。制御用半導体集積回路装置46は、全固体Liイオン電池20を電源とし、MEMS振動センサ47で検知した地震や異常振動を発信機48により近隣の通行車両等に警報を発する。
In this vibration sensor module, environmental energy such as heat and light is converted into electricity by the thermoelectric
このように、本発明の実施例7においては、環境エネルギーを全固体Liイオン電池20に蓄積して電源としているので、外部配線フリーのセンサモジュールを実現することができる。
Thus, in Example 7 of this invention, since environmental energy is accumulate | stored in the all-solid-state
ここで、実施例1乃至実施例7を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
(付記1)支持基板と前記支持基板上に設けられた二次電池本体部を有する二次電池チップと、熱電発電素子と、前記二次電池チップと前記熱電発電素子を埋め込む埋込樹脂と、前記二次電池本体部の前記支持基板と接する面と前記埋込樹脂との間に前記埋込樹脂の熱伝導率より熱伝導率の低い熱遮蔽機構とを有する小型電源モジュール。
(付記2)前記熱遮蔽機構が、前記支持基板と前記埋込樹脂との間に設けられ樹脂層であり、前記樹脂層の熱伝導率が前記埋込樹脂の熱伝導率より低いことを特徴とする付記1に記載の小型電源モジュール。
(付記3)前記熱遮蔽機構が、前記支持基板と前記埋込樹脂との間に設けられた中空フィラー含有樹脂層からなることを特徴とする付記1に記載の小型電源モジュール。
(付記4)前記熱遮蔽機構が、前記支持基板に形成されたスリット状凹部或いは穴であり、前記スリット状凹部或いは穴の内部の半分以上が空隙であることを特徴とする付記1に記載の小型電源モジュール。
(付記5)前記支持基板が、二次電池本体部との接する面の側に絶縁膜を備えたシリコン基板であることを特徴とする付記4に記載の小型電源モジュール。
(付記6)前記埋込樹脂がフィラーを含んでおり、前記スリット状凹部或いは穴の最小直径が前記フィラーの平均直径より小さいことを特徴とする付記4または付記5に記載の小型電源モジュール。
(付記7)前記スリット状凹部或いは穴の開放端側に前記埋込樹脂の侵入を阻止する蓋部材が設けられていることを特徴とする付記4乃至付記6のいずれか1に記載の小型電源モジュール。
(付記8)前記二次電池チップが、固体電解質部を備えた全固体二次電池であり、前記固体電解質部における伝導性を示すイオンが、リチウムイオン、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン或いはカルシウムイオンのいずれかであることを特徴とする付記1乃至付記7のいずれか1に記載の小型電源モジュール。
(付記9)前記埋込樹脂にさらに、光起電力素子或いは振動エネルギーを電気に変換する振動発電素子の少なくとも一方が埋め込まれていることを特徴とする付記1乃至付記8のいずれか1項に記載の小型電源モジュール。
(付記10)支持基板と前記支持基板上に設けられた二次電池本体部を有する二次電池チップと、熱電発電素子と、前記二次電池チップ或いは前記熱電発電素子を電源とする半導体装置と、前記二次電池チップ、前記熱電発電素子及び前記半導体装置を埋め込む埋込樹脂と、前記二次電池本体部の前記支持基板と接する面と前記埋込樹脂との間に前記埋込樹脂の熱伝導率より熱伝導率の低い熱遮蔽機構とを有する半導体モジュール。
(付記11)前記半導体装置が半導体集積回路装置と半導体センサとを含み、前記半導体集積回路装置は前記熱電発電素子或いは前記環境発電素子の出力電圧を昇圧する昇圧回路と、前記半導体センサの動作を制御する制御回路とを含んでいることを特徴とする付記10に記載の半導体モジュール。
(付記12)前記埋込樹脂に発信機が埋め込まれており、前記半導体センサの検出出力に応じて、前記発信機からセンサ情報を発信することを特徴とする付記11に記載の半導体モジュール。
Here, the following supplementary notes are attached to the embodiments of the present invention including Examples 1 to 7.
(Supplementary note 1) A secondary battery chip having a support substrate, a secondary battery main body provided on the support substrate, a thermoelectric power generation element, an embedded resin for embedding the secondary battery chip and the thermoelectric power generation element, A compact power supply module having a thermal shielding mechanism having a thermal conductivity lower than that of the embedded resin between a surface of the secondary battery main body contacting the support substrate and the embedded resin.
(Supplementary Note 2) The thermal shielding mechanism is a resin layer provided between the support substrate and the embedded resin, and the thermal conductivity of the resin layer is lower than the thermal conductivity of the embedded resin. The small power supply module according to Supplementary Note 1.
(Additional remark 3) The said heat shielding mechanism consists of a hollow filler containing resin layer provided between the said support substrate and the said embedding resin, The small power module of Additional remark 1 characterized by the above-mentioned.
(Additional remark 4) The said heat shielding mechanism is a slit-shaped recessed part or a hole formed in the said support substrate, and more than half of the inside of the said slit-shaped recessed part or a hole is a space | gap, The additional remark 1 characterized by the above-mentioned. Small power module.
(Supplementary note 5) The small power module according to supplementary note 4, wherein the support substrate is a silicon substrate provided with an insulating film on a side in contact with the secondary battery main body.
(Supplementary note 6) The small power supply module according to supplementary note 4 or supplementary note 5, wherein the embedded resin contains a filler, and a minimum diameter of the slit-shaped recess or hole is smaller than an average diameter of the filler.
(Supplementary note 7) The small power source according to any one of supplementary notes 4 to 6, wherein a lid member that prevents the embedded resin from entering is provided on an open end side of the slit-shaped recess or hole. module.
(Additional remark 8) The said secondary battery chip | tip is an all-solid-state secondary battery provided with the solid electrolyte part, and the ion which shows the conductivity in the said solid electrolyte part is any of lithium ion, sodium ion, magnesium ion, or calcium ion The small power supply module according to any one of supplementary notes 1 to 7, wherein
(Appendix 9) In any one of appendices 1 to 8, wherein at least one of a photovoltaic element or a vibration power generation element that converts vibration energy into electricity is embedded in the embedded resin. Small power supply module as described.
(Supplementary Note 10) A secondary battery chip having a support substrate, a secondary battery main body provided on the support substrate, a thermoelectric power generation element, and a semiconductor device using the secondary battery chip or the thermoelectric power generation element as a power source The embedded resin that embeds the secondary battery chip, the thermoelectric power generation element, and the semiconductor device, and the heat of the embedded resin between the embedded resin and the surface of the secondary battery body that contacts the support substrate. A semiconductor module having a heat shielding mechanism having a thermal conductivity lower than the conductivity.
(Supplementary Note 11) The semiconductor device includes a semiconductor integrated circuit device and a semiconductor sensor, and the semiconductor integrated circuit device boosts an output voltage of the thermoelectric power generation element or the environmental power generation element, and operates the semiconductor sensor. The semiconductor module according to
(Supplementary note 12) The semiconductor module according to
10 小型電源モジュール
11 二次電池チップ
12 支持基板
13 二次電池本体部
141,142 電極
15 熱電発電素子
16 発電素子
17 電子デバイス
18 埋込樹脂
19 熱遮蔽機構
20 全固体Liイオン電池
21,61 シリコン基板
22,62 SiO2膜
23,63 正極側集電体
24,64 負極側集電体
25,65 正極
26,66 固体電解質
27,67 負極
281,282,681,682 引出電極
29,69 保護樹脂
30 中空ガラスビーズ含有エポキシシート
31 モールド樹脂
32 フィラー含有エポキシシート
33 エポキシシート
34,70 スリット
35 シリカフィラー
36 ブレード
37 レジストパターン
38 SiO2膜
39 熱源
41 熱電発電素子
42 太陽電池
43 チップコンデンサ
44,45 昇圧回路素子
46 制御用半導体集積回路装置
47 MEMS振動センサ
48 発信機
511〜542 電極
53 伝熱板
60 全固体Naイオン電池
71 樹脂シート
10
Claims (5)
熱電発電素子と、
前記二次電池チップと前記熱電発電素子を埋め込む埋込樹脂と、
前記二次電池本体部の前記支持基板と接する面と前記埋込樹脂との間に前記埋込樹脂の熱伝導率より熱伝導率の低い熱遮蔽機構と
を有する小型電源モジュール。 A secondary battery chip having a support substrate and a secondary battery main body provided on the support substrate;
A thermoelectric generator,
An embedded resin for embedding the secondary battery chip and the thermoelectric power generation element;
A compact power supply module having a thermal shielding mechanism having a thermal conductivity lower than that of the embedded resin between a surface of the secondary battery main body contacting the support substrate and the embedded resin.
前記樹脂層の熱伝導率が前記埋込樹脂の熱伝導率より低いことを特徴とする請求項1に記載の小型電源モジュール。 The heat shielding mechanism is a resin layer provided between the support substrate and the embedded resin;
The small power supply module according to claim 1, wherein the thermal conductivity of the resin layer is lower than the thermal conductivity of the embedded resin.
熱電発電素子と、
前記二次電池チップ或いは前記熱電発電素子を電源とする半導体装置と、
前記二次電池チップ、前記熱電発電素子及び前記半導体装置を埋め込む埋込樹脂と、
前記二次電池本体部の前記支持基板と接する面と前記埋込樹脂との間に前記埋込樹脂の熱伝導率より熱伝導率の低い熱遮蔽機構と
を有する半導体モジュール。 A secondary battery chip having a support substrate and a secondary battery main body provided on the support substrate;
A thermoelectric generator,
A semiconductor device using the secondary battery chip or the thermoelectric generator as a power source;
An embedded resin for embedding the secondary battery chip, the thermoelectric generator and the semiconductor device;
A semiconductor module having a thermal shielding mechanism having a thermal conductivity lower than a thermal conductivity of the embedded resin between a surface of the secondary battery main body contacting the support substrate and the embedded resin.
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