JP2021027024A - 電気供給システム及びそのパッケージ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】電気供給ユニットと一体化でき、電気供給システム内の総界面の量が減り、内部抵抗を下げ、電気性能も高める、パッケージ構造の電気供給システムの提供。【解決手段】第１の電流コレクタ３１１ａと第２の電流コレクタ３１２ａとの間に配置される可撓性の封止フレーム３１３であって、第１のシリコン層３１３ａのうちの一方は、前記第１の電流コレクタに接着し、該第１のシリコン層のうちの他方は、第２の電流コレクタに接着し、該２つの第１のシリコン層間に接着する第２のシリコン層３１３ｂを含む、可撓性の封止フレームを備え、電気供給システムの電気性能及び安全性がともに改善される。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、パッケージ構造及びその関連する電気供給システムに関し、特に、新規の電気伝導モジュール、並びに、耐湿性及び耐ガス性の優れた性能を有する、パッケージ構造及びその関連する電気供給システムに関する。

電子デバイス産業では、携帯性及び無線設計が主要な動向である。より軽量でより薄くより小さい設計以外に、電子機器の可撓性にも高い注目が集まっている。したがって、より小さい体積、より軽い重量及びより高いエネルギー密度を有する電気供給システムが、必然的に必要とされている。
しかし、寿命を延ばし、電気供給システムのエネルギー密度を高めるためには、一次電気供給システムは、明らかに、現在の電子機器の需要を満たすことができていない。これは、リチウムバッテリシステム、燃料電池システム、太陽電池システム等の二次電気供給システムが、それらの充電性能のために本流になっている理由である。リチウムバッテリシステムは、その高い発展形の例として挙げられる。

図１は、リチウムバッテリシステムの電流セルを示している。主な構造は、陰極電極及び陽極電極によって挟まれるセパレータ層によって構成される。周辺機器に電気的に接続されるリチウムバッテリシステム全体の外側の電極は、陰極電極及び陽極電極双方の電流コレクタ内に位置付けられるタブに個々に溶接されている。
図１に示されているように、リチウムバッテリ１は、セパレータ層１１、第１の活性材料層１２、第２の活性材料層１３、第１の電流コレクタ層１４、第２の電流コレクタ層１５及びパッケージユニット１６を含む。第１の活性材料層１２は、セパレータ層１１の上に位置付けられている。第１の電流コレクタ層１４は、第１の活性材料層１２の上に位置付けられている。第２の活性材料層１３は、セパレータ層１１の下に位置付けられている。第２の電流コレクタ層１５は、第２の活性材料層１３の下に位置付けられている。パッケージユニット１６は、２つのタブ１４１及び１５１を除いて、上述した積層構造全体を封止する。したがって、リチウムバッテリ１が電子デバイス２に電気を提供するときに（図１に示されている回路基板は、１つの実施形態に過ぎず、電子デバイス２を限定するものではない）、タブ１４１及び１５１は、電子デバイス２の電気入力端子２１及び２２に電気的に接続され、それによって、リチウムバッテリ１に蓄えられている電気が、電子デバイス２に移動する。その後、電気は、レイアウトによって電子デバイス２の素子エリア２３に移動する。
ここで言及される素子エリア２３は、回路レイアウト又は表面実装素子であってもよく、通常は、論理回路、能動素子及び受動素子等を含む。しかし、リチウムバッテリ１の電気性能及び安全性能は、セパレータ層１１と第１の活性材料層１２との間の界面、及び、セパレータ層１１と第２の活性材料層１３との間の界面の双方の特性によって著しく影響を受ける。現在のリチウムバッテリシステムの場合、これらの界面の特性は、リチウムバッテリシステムの良好な電気性能及び安全性能を確実にするために、ソリッド積層法又は高張力巻回法によって制御される。残念ながら、ソリッド積層法又は高張力巻回法によって作られるリチウムバッテリシステムには、明らかに可撓性がなく、さらには、撓むことが不可能である。積層されたバッテリ又は巻回されたバッテリを強制的に撓ませる場合、セパレータ層１１と第１の活性材料層１２との間、及び、セパレータ層１１と第２の活性材料層１３との間の界面に重大な損傷を与えることになる。

現在の電気供給システムの現在のパッケージユニットに関して、一次バッテリシステム又は二次バッテリシステムに関係なく、バッテリシステムのパッケージのほとんどは、円筒形のケース及び角柱のケースを含む硬質金属ケースを伴う。例えば、現在のノート型パソコンにおいて用いられるバッテリシステムのほとんどは、硬質金属ケースを有する１８６５０円筒型の形状のリチウムバッテリであり、現在のポータブル通信デバイスにおいて用いられるバッテリシステムのほとんどは、硬質金属ケースを有する３８３５６２角型の形状のリチウムバッテリである。
硬質金属ケースの利点は、セルを外力から守ることであり、また、湿気及び酸素等といった環境要因の影響を低減することである。したがって、末端の電子機器の場合、二次バッテリシステムは、実際に、より良好な電気性能及びより良好な安全性能を提供可能であるが、一定のサイズの硬質のケースは、電子機器の大部分との適合に関して大きな制約となる。現在の電子機器において用いられることの難しさを低減するために、ソフトパックのリチウムバッテリシステムが開発されているが、ソフトパックのリチウムバッテリシステムは、硬質金属パッケージを有するリチウムバッテリシステムと比較して、高温のプレス手順によって封止されなければならず、それによって、金属タブとソフトパッケージとの間の界面が劣化する。これは、タブの材料が金属であるのに対し、ソフトパッケージの材料は熱封止ポリマーであるためである。当然ながら、ソフトパッケージの、特に酸素に対する耐ガス性能及び耐湿性能は、溶接封止を用いる硬質金属ケースよりも劣る。さらに、複数回の充電及び放電後に、バッテリシステム全体の寸法は、膨張及び収縮を交互に受けることになる。ソフトパッケージの材料のより弱い応力に起因して、ソフトパッケージを有する二次バッテリは、それ自体の寸法を維持可能ではなく、この欠点は、電子機器の回路設計の致命的な問題である。

図１に示されているように、第１の活性材料層１２と第２の活性材料層１３との間のセパレータ層１１は、第１の電極基板（第１の活性材料層１１及び第１の電流コレクタ層１４を含む）と第２の電極基板（第２の活性材料層１３及び第２の電流コレクタ層１５を含む）との間の直接的な接続を防止するために主に使用される。第１の電極基板が第２の電極基板に直接的に接続すると、リチウムバッテリ１は、内部の短絡の問題を有することになる。
しかし、リチウムバッテリ１内のイオン移動が依然として必要であるため、セパレータ層１１の材料は、電気的に絶縁されるとともに多孔質でなければならず、それによって、セパレータ層１１の最も代表的な材料は、ＰＶＣ、ＰＣ及び任意の他のポリマーである。加えて、異なるポリマー又は異なる分子量を有する１つのポリマーのガラス転移温度及び軟化温度に従って、ポリマーの部分的な構造は、特定の温度範囲内で変化する場合がある。したがって、内部の短絡若しくは外部の短絡又は何らかの他の理由に起因してバッテリシステムの内部温度が上昇すると、セパレータ層１１の構造は、高温下での反応を回避するとともに、さらに、リチウムバッテリ１の爆発の可能性を低下させるために、リチウムバッテリ１内のイオン移動の経路を塞ぐように変化する。
リチウムバッテリ１の内部温度が特定の理由で依然として上昇する場合、セパレータ層１１の構造は、内部温度が１５０℃〜１８０℃に達するまで完全に融解する。この場合、融解したセパレータ層１１は、第１の電極基板と第２の電極基板との間にいかなる保護も提供できないため、リチウムバッテリ１は完全に短絡し、さらには発火するか又は爆発する。現在のセパレータ層１１は、リチウムバッテリ１の安全性にとって明らかに大きな脅威である。

上述した欠点に加えて、最も重要なことは、ほぼ全ての回路及び素子が、バッテリシステムを除いて可撓性のデバイスに適合するように可撓性に設計されていることである。現在まで、バッテリシステムの可撓性は、良好な電気性能及び安全性能と共存できていない。その一方で、バッテリシステムの寸法は、より小さくより薄いという要件を満たすのが容易ではなく、それによって、電子機器のほとんどは、バッテリシステムのスペースを確保しなければならず、これは、電子機器の寸法を低減することをはるかにより難しくする。

本発明の目的は、パッケージ構造及びその関連する電気供給システムを提供することである。本発明において言及するパッケージは、外部からの湿気及びガスをブロックする封止フレームとして作用するため、電気供給ユニットの化学的反応及び電気的反応が影響を受けない。

本発明の別の目的は、封止フレームを、スクリーン印刷又はコーティングによって第１の基板及び第２の基板上に迅速かつ正確に形成できる、パッケージ構造及びその関連する電気供給システムを提供することである。本発明において言及されるパッケージ構造は、より高い歩留まり率及びより速い生産速度で生産できる。

本発明の目的は、電気供給システムが、外部の電気素子に直接的に電気的に接続可能であるため、電子機器において用いられる素子の量を低減でき、電子機器の寸法もより小さくより薄くなることが可能である、パッケージ構造及びその関連する電気供給システムを提供することである。

本発明の目的は、電気供給ユニットと一体化でき、それによって、使用される材料が低減され、電子機器の生産コストも低減できる、パッケージ構造及びその関連する電気供給システムを提供することである。

本発明の目的は、電気供給システムが外力によって影響を受けると、電気供給ユニットが、パッケージ構造から直ちに分離され、保護開回路を形成するため、電気供給システムの安全性能が高まる、パッケージ構造及びその関連する電気供給システムを提供することである。

本発明の別の目的は、電気供給ユニットと一体化できるため、電気供給システム内の総界面の量が減り、電気供給システムの内部抵抗を下げるとともに、電気供給システムの電気性能も高める、パッケージ構造及びその関連する電気供給システムを提供することである。

上記を実現するために、本発明は、パッケージ構造及びその関連する電気供給システムを開示する。
第１の基板と第２の基板との間のスペースを封止するために可撓性の封止フレームが用いられ、それによって、スペース内に配置される電気供給ユニットを、外部の湿気及びガスから完全に隔離でき、電気供給システムの電気性能及び安全性能を確実にする。第１の基板及び第２の基板のうちの少なくとも一方は、回路基板であることができ、周辺の電子機器に電気的に接続し、それによって、電子機器内で用いられる素子の量が減り、より小さくより薄い設計を実現できる。

第１の電極は、第１の活性材料層及び第１の電流コレクタを含む。第１の電流コレクタは、第１の活性材料層に直接的に接触し、第１の封止領域を有する。第２の電極は、第２の活性材料層及び第２の電流コレクタを含む。第２の電流コレクタは、第２の活性材料層に直接的に接触し、第２の封止領域を有する。可撓性の封止フレームは、第１の電流コレクタの第１の封止領域と第２の電流コレクタの第２の封止領域との間に配置される。可撓性の封止フレームは、第１の活性材料、第２の活性材料及びセパレータ層を蓄積させるために包囲されたスペースを提供するように、第１の電流コレクタを第２の電流コレクタに接着させるために使用される。

可撓性の封止フレームは、２つの第１のシリコン層及び第２のシリコン層を含む。第１のシリコン層は、以下の化学調製物Ｉを主に含む。
[化１]

第２のシリコン層は、以下の化学調製物ＩＩを主に含む。
[化２]

第１のシリコン層及び第２のシリコン層の双方は、化学調製物Ｉ及び化学調製物ＩＩを含む。これは、気泡の問題又は基板が容易に剥離するという問題を解決する。シリコンの界面張力及び極性は、異なる材料の接着を高めるように、改質シリコン硬化層のために改質される。その上、封止フレームは、封止後に可撓性であり、内部に配置される可撓性の電気供給ユニットと完全に適合できる。また当然ながら、パッケージ構造は、可撓性の電子機器の要件を満たすことができる。

本発明の適用性の更なる範囲は、本明細書において以下で与えられる詳細な説明から明らかとなるであろう。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示すが、しかし専ら例示として与えられ、これは、本発明の主旨及び範囲内の様々な変更及び修正を、この詳細な説明から当業者に明らかとするためであることを理解されたい。

本発明は、本明細書において以下では専ら例示として与えられ、したがって、本発明を限定するものではない詳細な説明からより完全に理解される。

従来技術のリチウムバッテリシステムのセルの例を示す図である。 本発明の電気供給システムのパッケージ構造を示す図である。 図２ＡにおけるＡ−Ａ’線に沿った断面図の構造を示す図である。 パッケージ構造の第１の基板が本発明の回路基板として働く一実施形態を示す図である。 基板の伝導面が本発明の電流コレクタ層として働く一実施形態を示す図である。 基板の伝導面が本発明の電流コレクタ層として働かない一実施形態を示す図である。 本発明のパッケージ構造内に配置される多層電極を有する電気供給システムの断面構造を示す図である。 本発明のパッケージ構造内に配置される巻回型の電極を有する電気供給システムの断面構造を示す図である。 電気供給システムの２つの端子が本発明の２つの異なる基板に位置付けられる一実施形態を示す図である。 電気供給システムの２つの端子が本発明の１つの基板に位置付けられる一実施形態を示す図である。 ６０℃の温度及び９５％ＲＨの湿度という劣化試験条件下における、従来技術及び本発明のパッケージ構造の双方の劣化試験結果を示す図である。 図２ＡにおけるＡ−Ａ’線に沿った断面図構造を示す図である。 第１の封止領域の一実施形態を示す、本発明の第１の基板の第１の伝導面を示す図である。 第２の封止領域の一実施形態を示す、本発明の第２の基板の第２の伝導面を示す図である。

図２Ａは、本発明の電気供給システムのパッケージ構造の外観を示しており、図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図を示している。
本発明のパッケージ構造３１は、電気供給ユニット３２を配置するために使用される。パッケージ構造３１は、第１の基板３１１、第２の基板３１２及び封止フレーム３１３を含む。パッケージ構造３１は、一般的な環境では直接的に暴露でき、外力及び湿気の侵入に抵抗する能力を有する。第１の基板３１１は、少なくとも１つの第１の伝導面３１１ａを有し、第２の基板３１２は少なくとも１つの第２の伝導面３１２ａを有する。封止フレーム３１３は、第１の基板３１１と第２の基板３１２との間の縁を囲み、それによって、封止フレーム３１３、第１の基板３１１及び第２の基板３１２の間に形成されるスペースＳがある。スペースＳは、電気供給ユニット３２を配置するために使用される。

電気供給ユニット３２は、第１の基板３１１の第１の伝導面３１１ａに電気的に接続され、第２の基板３１２の第２の伝導面３１２ａにも接続される。封止フレーム３１３は、２つの第１のシリコン層３１３ａ及び第２のシリコン層３１３ｂを含む。２つの第１のシリコン層３１３ａは、第１の基板３１１及び第２の基板３１２にそれぞれ接着する。すなわち、第１の基板３１１及び第２の基板３１２は、第１のシリコン層３１３ａのうちの一方にそれぞれ接着する。
第２のシリコン層３１３ｂは、２つの第１のシリコン層３１３ａ間に位置付けられ、２つの第１のシリコン層３１３ａを付着させる。すなわち、第１の基板３１１に取り付けられている第１のシリコン層３１３ａ及び第２の基板３１２に取り付けられている第１のシリコン層３１３ａは、第２のシリコン層３１３ｂによって互いに接着する。

さらに、図９Ａを参照されたい。第１の基板３１１の第１の伝導面３１１ａは、第１の伝導面３１１ａの外周に沿って画成される第１の封止領域３１１ｂを有する。第１の封止領域３１１ｂによって囲まれる、第１の基板３１１の第１の伝導面３１１ａの残りのエリアは、主に、第１の活性材料層の接触エリアとして提供するためである。第１のシリコン層３１３ａのうちの一方は、第１の封止領域３１１ｂに接着する。
図９Ｂを参照されたい。第２の基板３１２の第２の伝導面３１２ａは、第２の伝導面３１２ａの外周に沿って画成される第２の封止領域３１２ｂを有する。他方の第１のシリコン層３１３ａは、第２の封止領域３１２ｂに接着する。第２の封止領域３１２ｂによって囲まれる、第２の基板３１２の第２の伝導面３１２ａの残りのエリアは、主に、第２の活性材料層の接触エリアとして提供するためである。

異なる接着特性を有する第１のシリコン層３１３ａ及び第２のシリコン層３１３ｂを製造するために、異なる添加剤又は調製物を使用して、第１のシリコン層３１３ａ及び第２のシリコン層３１３ｂの接着特性を変更する。第１のシリコン層３１３ａの界面張力及びシリコンの極性は、第１の伝導面３１１ａ及び第２の伝導面３１２ａの材料に応じて変更され、異なる材料の接着を高める。表面間の、金属基板及びシリコン等の異なる材料、すなわち第２のシリコン層３１３ｂとの第１の接着３１３ａの接着力は、改善される。したがって、第１のシリコン層３１３ａは、第１の基板３１１と第２の基板３１２との間でしっかりと接着される。他方で、第２のシリコン層３１３ｂは、２つの第１のシリコン層３１３ａを接着させるために使用される。したがって、同じ材料又は特性を有する表面間の第２の接着３１３ｂの接着力が改善される。したがって、第１の基板３１１及び第２の基板３１２は、第１のシリコン層３１３ａ及び第２のシリコン層３１３ｂによってしっかりと接着される。また、封止フレーム３１３、第１の基板３１１及び第２の基板３１２間に形成されるスペースＳは、外部の湿気及びガスから完全に隔離され、電気供給システムの電気性能及び安全性能を確実にする。

第１のシリコン層３１３ａは、以下の化学調製物Ｉを主に含む。

第２のシリコン層３１３ｂは、以下の化学調製物ＩＩを主に含む。

第１のシリコン層３１３ａ及び第２のシリコン層３１３ｂの双方は、化学調製物Ｉ及び化学調製物ＩＩの双方を含む。

第１のシリコン層３１３ａのそれぞれの内部の化学調製物Ｉの量は、第１のシリコン層３１３ａのそれぞれの内部の化学調製物ＩＩの量よりも多い。第２のシリコン層３１３ｂ内の化学調製物ＩＩの量は、第２のシリコン層３１３ｂ内の化学調製物Ｉの量よりも多い。

また、第２のシリコン層３１３ｂ内の化学調製物ＩＩの量は、重量／体積ベースで０．１％〜６０％だけ、第１のシリコン層３１３ａ内の化学調製物ＩＩの量よりも多い。第１のシリコン層３１３ａは、付加型シリコンの比率を高めるか、及び／又は、エポキシ、アクリル酸若しくはそれらの組み合わせをシリコンに付加することによって、改質される。

形成方法の一例として、例えばスクリーン印刷法又はコーティング法によって、第１のシリコン層３１３ａを、第１の基板３１１の第１の伝導面３１１ａ及び第２の基板３１２の第２の伝導面３１２ａにそれぞれ形成する。次に、第１の伝導面３１１ａ及び第２の伝導面３１２ａの表面特性を変更し、後続のプロセスにおける第２のシリコン層３１３ｂとの結合能力を高める。換言すると、第１のシリコン層３１３ａは、第１の基板３１１及び第２の基板３１２それぞれの表面改質層と考えられる。さらに、第１のシリコン層３１３ａは、第１の伝導面３１１ａ及び第２の伝導面３１２ａのそれらの内周に沿って接着する。

次に、硬化のために重合をゆっくりと行う。第１のシリコン層３１３ａの一方の面には何もなく、ゆっくりと硬化するプロセスが行われるため、生成されるガスを排出できる。また、第１のシリコン層３１３ａは、第１の基板３１１の第１の伝導面３１１ａ及び第２の基板３１２の第２の伝導面３１２ａそれぞれの材料に応じて改質される。良好な接着状況が、第１のシリコン層３１３ａと第１の基板３１１との間及び第１のシリコン層３１３ａと第２の基板３１２との間の界面に存在する。

第２のシリコン層３１３ｂを、第１のシリコン層３１３ａのうちの一方に配置する。次に、第１の基板３１１及び第２の基板３１２を、第２のシリコン層３１３ｂ及び第１のシリコン層３１３ａと組み合わせる。この重合は、しっかりと結合させるために２段階で形成される。加えて、プレスステップを重合プロセスと組み合わせることができる。
第１の段階の熱処理温度は、第２の段階の熱処理温度よりも低い。第１の段階の熱処理持続時間は、第２の段階の熱処理持続時間よりも長い。第１の段階のより低い温度の間、第２のシリコン層３１３ｂの化学調製物ＩＩは、第２のシリコン層３１３ｂにおいて結晶構造を形成するための主要な成分である。第２のシリコン層３１３ｂの厚さが薄いため、結晶構造は、本質的に、第２のシリコン層３１３ｂの主な水分ブロック構造とみなされる。結晶構造は、第２のシリコン層３１３ｂと第１のシリコン層３１３ａのいずれか一方との間の界面の水分ブロック能力を高めることができる。これは、リチウムバッテリ等の電気供給システムのパッケージ構造にとって非常に重要な機能である。

第２の段階のより高い温度の間に、第２のシリコン層３１３ｂの化学調製物Ｉは、主要な成分であり、化学調製物ＩＩよりも良好な結合能を有する。したがって、第２のシリコン層３１３ｂ及び第１のシリコン層３１３ａはしっかりと結合される。
好ましくは、第１の段階の熱処理温度は、第２の段階の熱処理温度よりも３０℃〜７０℃だけ低い。第１の段階の熱処理持続時間は、第２の段階の熱処理持続時間よりも８０秒〜３００秒だけ長い。第２のシリコン層３１３ｂが上述したプロセス中に変形することを防止するために、第２のシリコン層３１３ｂはスペーサを更に含む。スペーサは、二酸化ケイ素粒子、酸化チタン粒子又はそれらの組み合わせを含む。

第２のシリコン層３１３ｂは、同じか又は実質的に同じ材料、すなわちシリコンから作製される第１のシリコン層３１３ａ間に配置されるため、それらの間の接着力は高い。ガスが生成される場合であっても、接着構造は容易には弱まらない。また、シリコンは、第１の基板３１１及び第２の基板３１２ほど密ではない。極小の視点では、シリコンは、第１の基板３１１及び第２の基板３１２の材料よりも大きい穴を内部に有する。第２のシリコン層３１３ｂが硬化のために第１のシリコン層３１３ａ間に配置される場合であっても、生成されるガスは、第１のシリコン層３１３ａから容易に排出され、容易に集まって気泡を形成しない。
第２のシリコン層３１３ｂと第１のシリコン層３１３ａとの間の分子間力は等しい。ガスは、内部を一様に流れる。気泡は、容易に合流してより大きい気泡を形成しない。したがって、第１のシリコン層３１３ａと第２のシリコン層３１３ｂとの間の界面に良好な接着状況が存在する。第１のシリコン層３１３ａと第１の基板３１１との間、及び、第１のシリコン層３１３ａと第２の基板３１２との間の界面は、従来の界面よりも良好な界面接着を確実にする。

第１の基板３１１及び第２の基板３１２のうちの少なくとも一方は、プリント回路基板、多層回路基板及び可撓性のプリント回路基板等又は金属層といった回路基板である。第１の基板３１１又は第２の基板３１２に関係なく、第１の基板３１１及び第２の基板３１２のうちの少なくとも一方は、パッケージ構造３１内に配置される電気供給ユニット３２に電気的に接続するための伝導面（第１の伝導面３１１ａ及び／又は第２の伝導面３１２ａ）を有しなければならず、それによって、電気供給ユニット３２によって生成される電力は、伝導面（第１の伝導面３１１ａ及び／又は第２の伝導面３１２ａ）によって収集され、さらに、収集された電力は、異なる機械的設計に従って回路基板に移動できる。
例えば、図３は、回路基板として作用するとともに、１つの伝導面（ここでの例として第１の伝導面３１１ａ）を有する基板（ここでの例として第１の基板３１１）に関して、可能な実施形態のうちの１つを示しており、収集された電力を、伝導面（第１の伝導面３１１ａ）によって回路基板（第１の基板３１１）に直接的に移動できる。１つの伝導面（ここでの例として第２の伝導面３１２ａ）しか有しない基板（ここでの例として第２の基板３１２）に関して、収集された電力は、２つの基板（第１の基板３１１及び第２の基板３１２）間の電気的な接続によって移動される。少なくとも、電気供給ユニット３２内で完全なループが形成され、電力は、回路基板（第１の基板３１１）に実装される素子５に移動できる。
第１の基板３１１及び第２の基板３１２の双方が回路基板である場合、第１の基板３１１と第２の基板３１２との間の電気的な接続は、電力を提供するために使用されるだけではなく、第１の基板３１１及び第２の基板３１２に実装される素子の電気経路としても作用する。しかし、回路基板として作用することに加えて、第１の基板３１１及び第２の基板３１２は、金属基板、ガラス基板、金属−ポリマー複合基板といった複合基板等として作用することもできる。

上述した電気供給ユニット３２は、少なくとも２つの電極層３２１及び３２２並びに少なくとも１つのセパレータ層３２３を含む。２つの電極層３２１及び３２２は、（図２Ｂに示されているように）封止フレーム３１３に直接的に接触するように配置される。他の実施形態では、２つの電極層３２１、３２２のうちの一方は、（図８に示されているような）封止フレーム３１３、通常は陽極電極層に直接的に接触するように配置される。
図８において、封止フレーム３１３に直接的に接触しない電極層３２１は、通常は陰極電極層である。また、電極層３２１が封止フレーム３１３に直接的に接触しないため、第１の伝導面３１１ａの一部が封止フレーム３１３と電極層３２１との間で暴露される。電気供給ユニット３２は、リチウム電池のリチウムイオン伝導機能層である。

第１のシリコン層３１３ａは、電極層３２１、３２２間の平衡応力関係を得るために電気供給ユニット３２を支持するように使用される。したがって、第１のシリコン層３１３ａの厚さは、電極層３２１、３２２の厚さに近い。
第１のシリコン層３１３ａのそれぞれは、セパレータ層３２３及び第１の活性材料層（電極層３２１）の厚さの和に対して、又は、セパレータ層３２３及び第２の活性材料層（電極層３２２）の厚さの和に対して７０パーセント〜９０パーセントの範囲の厚さを有する。好ましくは、第１のシリコン層３１３ａのそれぞれは、セパレータ層３２３及び第１の活性材料層（電極層３２１）の厚さの和に対して、又は、セパレータ層３２３及び第２の活性材料層（電極層３２２）の厚さの和に対して８０パーセント〜８５パーセントの範囲の厚さを有する。

第２のシリコン層３１３ｂは、本発明では結合層として働き、その厚さは、第１のシリコン層３１３ａに応じて変化しない設定値である。第２のシリコン層３１３ｂの厚さは０．５μｍ〜２．５μｍである。第２のシリコン層３１３ｂの厚さが薄すぎる場合、すなわち、０．５μｍよりも薄い場合、接着が弱くなりすぎる。第２のシリコン層３１３ｂの厚さが厚すぎる場合、すなわち、２．５μｍよりも厚い場合、水バリア硬化が悪くなりすぎる。好ましくは、第２のシリコン層３１３ｂの厚さは１μｍ〜２μｍである。

それぞれのセパレータ層３２３は、隣接する２つの電極層３２１及び３２２間に位置付けられる。セパレータ層３２３の目的のうちの１つは、電極層３２１が電極層３２２に直接的に接続することを防止することである。電極層３２１及び３２２並びにセパレータ層３２３は全て、液相電解質、ゲル状電解質及び固相電解質を含む電解質によって湿潤される。セパレータ層３２３の材料は、ポリマー、セラミクス又はガラス繊維を含む。

電極層３２１は活性材料層Ａ１を含み、電極層３２２は活性材料層Ａ２を含む。図４Ａに示されているように、第１の基板３１１は、第１の電流コレクタとして働く第１の伝導面３１１ａを有し、第２の基板３１２は、第２の電流コレクタとして働く第２の伝導面３１２ａを有する。活性材料層Ａ１は、第１の基板３１１の第１の伝導面３１１ａに直接的に接触するか又は第１の基板３１１の第１の伝導面３１１ａ上に形成され、活性材料層Ａ２は、第２の基板３１２の第２の伝導面３１２ａに直接的に接触するか又は第２の基板３１２の第２の伝導面３１２ａ上に形成される。すなわち、活性材料層Ａ１と第１の基板３１１の第１の伝導面３１１ａとの間にはいずれの他の構造も存在せず、活性材料層Ａ２と第２の基板３１２の第２の伝導面３１２ａとの間にもいずれの他の構造は存在しない。活性材料層Ａ１及びＡ２の形成方法は、活性材料層Ａ１及びＡ２を伝導面３１１ａ及び３１２ａ上に直接的に形成すること、並びに、活性材料層Ａ１及びＡ２が、真空封止等の機械的設計によって伝導面３１１ａ及び３１２ａに接触することを含むことができる。どの種類の形成方法を用いるかにかかわらず、活性材料層Ａ１及びＡ２によって生成される電力は、第１の基板３１１及び３１２の伝導面３１１ａ及び３１２ａに直接的に移動できる（この実施形態では、基板３１１及び３１２の双方が回路基板として作用する）。
図４Ｂでは、示されている電流コレクタ層は、図４Ａに示されている電流コレクタ層が基板の一部であるのに対して、独立した構成要素である。図４Ｂに示されている電流コレクタ層Ｃ１及びＣ２は、独立した構成要素であるのに対し、基板３１１及び３１２の伝導面３１１ａ及び３１２ａは、図４Ｂに示されている電流コレクタ層として作用する。図４Ｂに示されている実施形態では、電極層３２１の定義は、活性材料層Ａ１及び電流コレクタ層Ｃ１を含み、活性材料層Ａ１は電流コレクタ層Ｃ１上に形成される。電極層３２２の定義は、活性材料層Ａ２及び電流コレクタ層Ｃ２を含み、活性材料層Ａ２は電流コレクタ層Ｃ２上に形成される。電気供給ユニット３２とパッケージ構造３１との間の電気的な接続は、電流コレクタ層Ｃ１及びＣ２と基板３１１及び３１２の伝導面３１１ａ及び３１２ａとの間の直接的な接続によって、又は、電流コレクタ層Ｃ１及びＣ２と基板３１１及び３１２の伝導面３１１ａ及び３１２ａとの間の間接的な接続によって実現される。ここで言及される間接的な接続は、電流コレクタ層Ｃ１及びＣ２と基板３１１及び３１２の伝導面３１１ａ及び３１２ａとの間の電気的な接続であるように、追加の伝導ワイヤ、タブ、又は、金属片、薄い金属板等のような任意の他の伝導構成要素を用いることによって実現できる。

したがって、本発明のパッケージ構造３１は、電気供給ユニット３２に電気的に接続され、電気供給ユニット３２とパッケージ構造３１との間の電気的な接続は、直接的かつ電気的な接続又は間接的かつ電気的な接続であり得る。パッケージ構造３１及び電気供給ユニット３２のそのような設計は、電気的な接続の接触エリアを大きく増大させるだけではなく、電気供給ユニット３２の抵抗も著しく低下させることができる。同時に、電気供給システム３が衝撃、落下又は爪の貫入等に起因して損傷を受けると、電極層３２１及び３２２の活性材料層Ａ１及びＡ２並びに／又は電極層３２１及び３２２の電流コレクタ層Ｃ１及びＣ２は、部分的な高温又は破損した構造の発生のために、電極層３２１及び３２２から直ちに分離される。それによって、電気供給ユニット３２とパッケージ構造３１との間の電気的な接続は完全に破断され、すなわち、電気供給システム３全体が開回路状態になるため、電気供給ユニット３２内の化学反応を収束し、電気供給ユニット３２内で生じる一連の連鎖反応に起因する電気供給システム３の爆発又は発火を回避できる。

言及した電気供給ユニット３２の構造は、図５Ａに示されているように、１つの陰極電極層３２１、１つのセパレータ層３２３及び１つの陽極電極層３２２の積層構造、又は、複数の陰極電極層３２１、複数のセパレータ層３２３及び複数の陽極電極層３２２の積層構造であり得る。また、電気供給ユニット３２’の構造は、図５Ｂに示されているような巻回構造であることができる。当然ながら、本発明において言及される電気供給ユニット３２の構造は、限定することなく任意の種類の構造であることができる。これは、本発明と従来技術との主な違いが、電気供給ユニット３２とパッケージ構造３１との間の電気的な接続であるのに対し、現在の電気供給システムと現在のパッケージ構造との間にはいずれの電気的な接続もないためである。

パッケージ構造３１は少なくとも２つの端子Ｔ１及びＴ２を含む。端子Ｔ１の一端は、電気供給ユニット３２の陰極電極層３２１に電気的に接続され、一方で、端子Ｔ１のもう一方の端は、パッケージ構造３１の第１の基板３１１に位置付けられ、周辺機器（図示せず）に接続するための接続点として作用する。端子Ｔ２の一端は、電気供給ユニット３２の陽極電極層３２２に電気的に接続され、一方で、端子Ｔ２の他端は、パッケージ構造３１の第２の基板３１２に位置付けられ、周辺機器（図示せず）に接続するための接続点として作用する。端子Ｔ１及びＴ２は、同じ基板３１１若しくは３１２に位置付けるか、又は、異なる基板３１１若しくは３１２に位置付けることができる。
図６Ａに示されているように、端子Ｔ１は第１の基板３１１に位置付けられており、端子Ｔ２は第２の基板３１２に位置付けられている。電極層３２１は、基板３１１の伝導面３１１ａと電気供給ユニット３２の電極層３２１との間の電気的な接続に起因して、端子Ｔ１に電気的に接続される。電極層３２２は、基板３１２の伝導面３１２ａと電気供給ユニット３２の電極層３２２との間の電気的な接続に起因して、端子Ｔ２に電気的に接続される。また、端子Ｔ１と電極３２１との間、及び、端子Ｔ２と電極３２２との間の電気的な接続は、直接的な回路レイアウト又は任意の伝導構成要素によって実現できる。
図６Ｂにおいて、２つの端子Ｔ１及びＴ２は、同じ基板３１１又は３１２に位置付けられているため、電極層３２１及び３２２は、基板３１１及び３１２の伝導面３１１ａ及び３１２ａと電気供給ユニット３２の電極層３２１及び３２２との間の電気的な接続に起因して、端子Ｔ１及びＴ２に個々に電気的に接続される。このように、伝導性接着剤等の伝導性素子６によって、基板３１１の電極層３２１によって生成される電力は、基板３１１の伝導面３１１ａ上の端子Ｔ１から、基板３１２の伝導面３１２ａ上の端子Ｔ２に移動可能である。

上述したパッケージ構造は、主に４つの機能を有する。
第１の機能は、パッケージ構造内の電気供給システムを完全に封止することである。既知であるように、電気供給システム内で生じる化学電気反応が作用可能であることができるように、大量の電解質が電気供給システムによって含浸されなければならない。幸いにも、封止フレーム及び電解質の極性は互いに異なるため、２つの基板上に第１のシリコン層を形成するとともに少なくとも１つの第１のシリコン層上に第２のシリコン層を形成した後で、電解質が付着する接着層は、接着層上に付着する電解質がはじかれるため、依然として互いに接着可能であることができる。このように、基板への第１のシリコン層の接着能及び第２のシリコン層への第１のシリコン層の接着能は、電気供給システムが大量の電解質に浸漬されても影響を受けない。加えて、電解質及び接着層の反発によって、電解質の大部分は、プレスプロセス中に電気供給システム内に保たれる。
第２の機能は、リチウム金属形成の可能性を低下させることである。この主な理由は、封止フレームの材料が金属ではなくポリマーであるためである。電気化学反応が約０Ｖで生じると、リチウムイオンは、銅又はニッケル等の金属材料と接触する場合に、リチウム金属を容易に形成する。
第３の機能は、熱硬化プロセス後であっても優れた可撓性を提供することである。封止フレームの材料は主にシリコンであるため、材料は熱可塑性材料ではなく、これが、封止フレームが熱処理下であってもその可撓性を保つことが可能な理由である。
第４の機能は、耐湿性を高めることである。また、封止フレームは或る種の疎水性構成要素である。封止フレームが疎水性であるため、封止フレーム内の湿気は、拡散によってしか移動できない。湿気が封止フレーム内に完全に拡散し、すなわち、封止フレームの含水率が飽和に達すると、次に、湿気は、パッケージ構造内の電気供給システム内に徐々に侵入可能である。したがって、封止フレームは、湿気の侵入の速度を遅らせるのに役立つ。
図７に示されているように、従来技術と比較して、６０℃の温度及び９５％ＲＨの湿気の劣化試験条件下で、本発明のパッケージ構造は、最初の７日間の試験ではより高い水分含量であるが、実際には、１４日間の試験及び２１日間の試験でははるかに低い水分含量でもある。この劣化試験に従って、最初の７日間の結果を、通常の条件下でのパッケージ構造の１年使用とすることができ（パッケージ構造は、１年の室温及び湿気下で動作した）、１４日間の結果及び２１日間の結果は、２年の使用状況及び３年の使用状況を個々に明らかにする。パッケージ構造は、明らかに長期の使用に関してより良好な耐湿性能を示す。

パッケージ構造の２つの基板は電気供給システムの電流コレクタとして直接的又は間接的に働くため、電気供給システムは、回路基板と直接的に一体化でき、通常のＰＣＢ又はＳＭＴプロセスによって処理もできる。例えば、電気供給システムは、ＳＭＴの素子とみなすことができ、それによって、ＳＭＴプロセスを電気供給システムの作製に用いることも可能であり、当然ながら、プロセスのコストを下げることができる。加えて、基板の表面を、幾つかの周辺機器の電子素子又は電気回路を実装するために使用でき、電子機器の寸法をはるかにより小さくより薄くできる。

本発明をこのように記載したが、本発明を多くの方法で変更できることは自明である。そのような変更は、本発明の主旨及び範囲から逸脱するものとみなされるべきではなく、全てのそのような修正は、当業者には自明であるように、以下の特許請求の範囲内に含まれることが意図される。

Claims (15)

1. 電気供給システムであって、
   第１の活性材料層、及び、該第１の活性材料層に直接的に接触するとともに第１の封止領域を有する第１の電流コレクタを有する第１の電極、
   第２の活性材料層、及び、該第２の活性材料層に直接的に接触するとともに第２の封止領域を有する第２の電流コレクタを有する第２の電極、
   前記第１の電極と前記第２の電極層との間に位置付けられるセパレータ層、並びに、
   前記第１の電流コレクタの前記第１の封止領域と前記第２の電流コレクタの前記第２の封止領域との間に配置される可撓性の封止フレームであって、前記第１の活性材料、前記第２の活性材料及び前記セパレータ層を蓄積させるために包囲されたスペースを提供するように前記第１の電流コレクタを前記第２の電流コレクタに接着させ、該可撓性の封止フレームは、２つの第１のシリコン層であって、該第１のシリコン層のうちの一方は、前記第１の電流コレクタの前記第１の封止領域に接着し、該第１のシリコン層のうちの他方は、前記第２の電流コレクタの前記第２の封止領域に接着し、前記第１のシリコン層のそれぞれは、化学式１の化学調製物Ｉを含む、２つの第１のシリコン層、
   

   

   及び、前記２つの第１のシリコン層間に位置付けられて該２つの第１のシリコン層間に接着する第２のシリコン層であって、該第２のシリコン層は、化学式２の化学調製物ＩＩを含む、第２のシリコン層、
   

   

   を含む、可撓性の封止フレーム、を備え、
   前記第１のシリコン層及び前記第２のシリコン層の双方は、前記化学調製物Ｉ及び前記化学調製物ＩＩを含み、
   前記第１のシリコン層のそれぞれは、前記セパレータ層及び前記第１の活性材料層の厚さの和に対して、又は、前記セパレータ層及び前記第２の活性材料層の厚さの和に対して、７０パーセント〜９０パーセントの範囲の厚さを有することを特徴とする、
   電気供給システム。
2. 前記第１の電流コレクタの前記第１の封止領域は、前記第１の電流コレクタの外周に沿って画成され、前記第２の電流コレクタの前記第２の封止領域は、前記第２の電流コレクタの外周に沿って画成されることを特徴とする、請求項１に記載の電気供給システム。
3. 前記第１の電流コレクタ及び前記第２の電流コレクタのうちの少なくとも一方は、プリント回路基板の金属層であることを特徴とする、請求項１に記載の電気供給システム。
4. 前記第１の活性材料層は前記可撓性の封止フレームに直接的に接触し、前記第２の活性材料層は前記可撓性の封止フレームに接触しないことを特徴とする、請求項１に記載の電気供給システム。
5. 前記第１の活性材料層は陽極活性材料層であり、前記第２の活性材料層は陰極活性材料層であることを特徴とする、請求項４に記載の電気供給システム。
6. 前記第２の電流コレクタは、前記可撓性の封止フレームと前記第２の活性材料層との間で暴露されることを特徴とする、請求項４に記載の電気供給システム。
7. 前記第１のシリコン層は、付加型シリコンの比率を高めることによって改質されることを特徴とする、請求項１に記載の電気供給システム。
8. 前記第１のシリコン層は、エポキシ、アクリル酸又はそれらの組み合わせをシリコンに付加することによって改質されることを特徴とする、請求項１に記載の電気供給システム。
9. 前記第２のシリコン層はスペーサを更に含み、該スペーサは、二酸化ケイ素粒子、酸化チタン粒子又はそれらの組み合わせを含むことを特徴とする、請求項１に記載の電気供給システム。
10. 前記第２のシリコン層内の前記化学調製物ＩＩの量は、重量／体積ベースで０．１％〜６０％だけ、前記第１のシリコン層のそれぞれの内部の前記化学調製物ＩＩの量よりも多いことを特徴とする、請求項１に記載の電気供給システム。
11. 前記第２のシリコン層の厚さは、０．５μｍ〜２．５μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の電気供給システム。
12. 前記第２のシリコン層の厚さは、１μｍ〜２μｍであることを特徴とする、請求項１１に記載の電気供給システム。
13. 前記第１のシリコン層のそれぞれは、前記セパレータ層及び前記第１の活性材料層の厚さの和に対して、又は、前記セパレータ層及び前記第２の活性材料層の厚さの和に対して、７５パーセント〜８０パーセントの範囲の厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の電気供給システム。
14. 前記第２のシリコン層は、水分ブロック結晶構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の電気供給システム。
15. 前記第２のシリコン層の厚さは設定値であり、該設定値は、前記第１のシリコン層の厚さに応じて変化しないことを特徴とする、請求項１に記載の電気供給システム。

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