专利名称：微型电池以及制造微型电池的方法
技术领域：
本发明涉及包括薄膜组件的微型电池，其从第一基板开始顺序形成第一集电器、第一电极、电解质、第二电极和第二集电器。本发明还涉及制造微型电池的方法。
背景技术：
微型电池也称为“完全固态”电池，由活性的固态薄膜的堆叠形成。这样的微型电池的工作原理基于至少一个电极中的碱性金属离子或质子的嵌入和脱出，也称为嵌脱。主系统采用锂阳离子(Li+)作为离子物质。实际上，微型锂电池由于它们的高质量密度、高有用能量存储表面面积和低毒性是特别有利。
为了保护活性的微型电池堆叠，通常加以封装以阻隔堆叠与外部接触，由此避免任何的环境污染。微型电池具有很多工业应用，尤其是在部件的小型化和自主性需要使用尺寸更小且寿命更长的更强大蓄电池的微电子领域中。改善微型电池的性能和制造这样微型电池的方法是电子学中的主要问题,尤其是在给诸如芯片卡、智能标签的集成电路电子部件供电或者给内部时钟和微型系统供电时。这样的应用尤其要求所有的微型电池制造步骤要与工业微电子工艺兼容，以能够易于将所述微型电池集成到电子器件，同时要特别避免集成电路电子部件恶化。为了适应微电子的需要，文献中已经提供了制造微型电池的很多方法。特别是，文件US-A-20040258984和US-B-6650000提供了在诸如微机电系统(MEM)、发光二极管或晶体管的集成电路电子部件所使用的同一基板上形成微型电池。这些制造方法能把微型电池和集成电路集成在同一基板中。微型电池和部件的某些制造步骤是共同的。这样的单块方法统称为〃片上系统〃(SOC)。SOC在同一基板上集合了通过共同整合不同部件制造步骤而集中形成的部件。因此，这样的方法具有增加空间和促进装置小型化的益处。此外，与外部电池供电的电子装置相比，微型电池的集成改善了部件和微型电池的可靠性和性能，同时减少了系统制造成本。特别是，文件US-A-20040258984描述了根据从微电子领域借用的诸如光刻和蚀刻的技术制造微型电池的方法，该微型电池包括含有锂的电极、氧化硅电解质(SiO2)以及对电极。文件US-A-20020093029公开了集成电路中的微型电池，其在一个或若干电子部件下相对于集成电路直接形成在互连的位置。然而，这种单块方法因其需要非常高的技术效率和很高的生产量以分担共同整合的成本而受到制约。此外，微型电池的尺寸，且更主要的是微型电池的结构，受到了共同整合的影响。然而，已经知晓微型电池的尺寸对微型电池固有性质有影响，并且特别是其容量上的影响。因此，该方法限制了微型电池的可能的结构和尺寸范围。此外，文件US-A-2007275300描述了一种微型部件，其包括通过密封装置彼此连接的第一和第二基板。该密封装置由聚合物类型的各向异性导电膜ACF形成，即由允许相对于膜的平面而垂直导电且在膜平面中电绝缘的膜形成。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷而提供微型电池和制造微型电池的方法。特别是，本发明针对于具有良好电学性能的微型电池和制造微型电池的方法，该方法易于执行、经济可行且与微电子中所用的技术兼容。根据本发明，该目的这样实现，设置薄膜组件在第一基板和第二基板之间，并且用机械连接所述第一和第二基板的焊料接合部形成第二电极。根据本发明，该目的还通过形成微型电池的方法实现，该方法包括以下步骤-在第一基板上形成薄膜的堆叠，其从第一基板开始顺序包括第一集电器、第一电 极、电解质和第一金属膜，-在第二基板的表面上形成第二集电器，以及-形成第二电极，所述形成第二电极的步骤包括通过预先沉积在第一金属膜的接触面上或第二集电器的接触面上的至少一个焊球焊接第一金属膜和第二集电器而装配所述第一和第二基板，所述第一和第二基板在装配期间设置为彼此面对。
通过下面对本发明特定实施例的描述，其它的优点和特征将变得更加清楚易懂，该特定实施例仅以非限定性的示例目的给出且表示在附图中，其中图I至4示意性地示出了根据本发明第一具体实施例的制造微型电池方法的不同步骤的截面图。图5示意性地示出了根据本发明第一具体实施例的制造方法一变型的截面图。图6至8示意性地示出了根据本发明第二具体实施例的制造微型电池方法的不同步骤的截面图。
具体实施例方式根据图I至4所示的第一实施例，制造微型电池的方法包括根据任何已知方法在第一基板2上形成薄膜堆叠I。特别是，微型电池的薄膜通过传统的微电子技术，尤其通过物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)，顺序沉积在第一基板2上。薄膜厚度一般在
O.I μ m和10 μ m之间变化。如图I所不，从第一基板2开始，由第一集电器3、第一电极4、电解质5和第一金属膜6顺序形成堆叠I。第一基板2传统上是硅晶片或包含特定用途集成电路(ASIC)的硅晶片。第一基板2也可覆盖有设置在第一集电器3下的钝化膜(未示出)。该钝化膜一般由诸如二氧化硅(SiO2)的电介质形成或者由SiO2膜和氮化硅膜(Si3N4)顺序形成的双层而形成。第一集电器3传统上是金属的，例如由钼(Pt)、铬(Cr)、金(Au)、钛(Ti)、钨(W)、钥(Mo)、镍(Ni)或钒(V)制造。第一电极4产生Li+离子，就是说，它包括活性锂嵌入材料。用作第一电极4的活性材料的材料可为诸如硫化铜或二硫化铜(Cu或CuS2)、氧硫化鹤(WOySz)、二硫化钛(TiS2),氧硫化钛(TiOxSy)或氧化钒(VxOy)的不含锂材料，或者为诸如混合锂基氧化物的含锂材料，该混合锂基氧化物例如为锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍氧化物(LiNiO2)、锂锰氧化物(LiMn2O4)、五氧化锂钥;(LiV2O5)或锂离子磷酸盐(LiFePO4X电解质5由允许离子，优选允许锂离子Li+导电的材料形成。优选选择电绝缘且离子导电材料。电解质5优选为诸如锂磷氧氮(LiPON)或掺氮的锂硅磷酸盐(LiSiPON)的锂基化合物。如图I所示，该制造方法还包括在第二基板8的表面上形成第二集电器7的步骤。该步骤独立于形成堆叠I的上述步骤执行，就是说，在形成堆叠I之前或之后执行。第二基板8不同于且独立于第一基板2。第二基板8优选包括旨在电连接到微型电池的至少一个电子部件9。第二基板8可与基板2 —样由娃晶片形成,或者由包含集成电路的一个或若干电子部件的硅晶片形成。第二基板8可包括设置在第二基板8和第二集电 器7之间的钝化膜(未示出)。然后，焊球10沉积在第二集电器7的接触面7a上。该焊球10根据任何已知的方法形成在第二集电器7上(图1)，以在第二基板8的表面上形成凸起或凸块(图I)。第二集电器7有益地显现出对第二基板8的良好粘性，具有对于形成焊球10的材料的良好湿润性，并具有低内部机械应力。第二集电器7优选包括提供接触表面7a的第二金属膜，所述接触表面7a具有在其上形成的焊球10。第二金属膜有益地与第一金属膜6不同，以避免焊球10和第二金属膜之间的任何金属物质的相互扩散。第二金属膜形成金属化膜，称其为UBM或〃凸块下金属化〃，以促使焊球10粘合到第二基板8或第二基板8的钝化膜。此外，第二金属膜优选形成阻挡层以防止涉及在微型电池中发生电化学反应的物质的扩散，特别是防止Li+离子。第二金属膜优选由选自Pt、Cr、Au、Ti、W、Mo、Ni或V及它们合金的一个或若干金属制造。第二金属膜可为由若干堆叠的金属膜形成的多层，以获得适当的机械特性。如图I所示，第二集电器7可以仅由第二金属膜制造。在堆叠I中，第一金属膜6优选由选自铜、锡和铜-锡合金的金属制造。作为一种变型，第一金属膜6可由金属基膜的堆叠形成。堆叠中的膜之一提供有接触面6a (图I中的顶面)，该接触面6a旨在与焊球10接触并且由选自铜、锡和铜-锡合金的金属制造。焊球10由与第一金属膜6的材料不同的材料制造。焊球10由导电材料制造，该导电材料有益地选自以下材料的合金锡(Sn)、银(Ag)、铟(In)、金(Au)和 / 或铜(Cu),优选选自 SnAgCu> AuSn> SnCu 和 AgIn 合金。制造微型电池的方法的下一步骤是形成第二电极11。该步骤包括至少通过焊球10焊接第一基板2的第一金属膜6和第二基板8的第二集电器7而装配第一基板2和第二基板8。这里的〃装配〃是指永久装配，其机械地连接第一基板2和第二基板8。所采用的机械装配类似于已知的倒装片连接，其中将要连接的表面面对面装配，而不是传统配线连接的并排连接。该装配的显著特点在于它优化了体积，且不需要保留第二基板8用于粘合的附加表面面积。第一基板2和第二基板8在装配期间设置为面对面，以设置焊球10使之与第一金属膜6接触。因此，第二基板8的焊球10设置在第一基板2的堆叠I的前方，使焊球10设置在第一金属膜6的前方。如图2和3所示，在接触的同时执行焊球10的再熔化步骤。再熔化步骤优选为热处理。热处理可通过采用再熔化炉子执行。如图2所示，再熔化最初导致来自焊球10和第一金属膜6的金属物质在它们的交界处相互扩散。“金属物质”例如以金属间化合物的形式表示有掺杂的或无掺杂的金属元 素。焊球10的再熔化促使金属物质从焊球10迁移到第一金属膜6中。热处理和金属物质的迁移引发了在焊球10和第一金属膜6之间的交界处的化学反应以形成新的金属间化合物。如图3所示，界面反应使在焊球10和第一金属膜6之间的交界处形成金属间膜，该金属间膜随后形成了第二电极11。因此，第二电极11在装配步骤期间通过再熔化焊球10而形成。第二电极11由从至少一个金属间化合物形成的焊料接合部形成，其中该至少一个金属间化合物从焊球10和第一金属膜6的金属物质的相互扩散获得。为了形成第二电极11以及第二集电器7与第二电极11之间的导电膜12，焊球10可在该装配步骤期间部分地消耗。然后，由焊球10的与第一金属膜6没有发生反应的部分形成导电膜12。导电膜12由与焊球10相同的材料制造。此外，形成第二电极11的焊料接合部机械地连接第一基板2和第二基板8。因此，焊接步骤能形成第二电极11且能装配第一基板2和第二基板8。热处理的参数取决于第一金属膜6、第二集电器7和焊球10的性质。特别是，温度保持时间根据第二电极11的希望厚度决定。焊接步骤的热处理的参数，尤其是热处理时间，能够控制所形成的金属间膜的厚度。作为示例，可采用第一金属铜膜6和由SnAgCu合金制造的焊球10。SnAgCu合金对应于已知的共晶结构，包括95. 5%的Sn、3. 8%的Ag和O. 7%的Cu，并且由分散在Sn基材中的金属间化合物Cu6Sn5和Ag3Sn制造。热处理可在170° C至260° C的温度范围下执行，温度保持时间在I分钟至5分钟之间。热处理也可包括在170° C和260° C之间的若干温度段。如 Fouassier 等人在文章 “Conception of a consumable copper reactionzonefor a Ni Ti/SnAgCu composite material，，( Composites, Part A 33(2002)1391-1395)所示，Sn-Cu金属间膜通过再熔化铜膜上的SnAgCu合金而获得。此外，Fouassier等人示出了 Sn-Cu金属间膜的成分和厚度尤其取决于在恒定温度下的温度保持时间。第二电极11由焊球10和第一金属膜6之间的相互扩散得到的至少一个金属间铜和锡化合物制造。特别是，第二电极11由金属间化合物Cu6Sn5和/或Cu3Sn制造，其作为微型电池电极材料呈现为活性的，并且在本领域中阐述为有希望替代传统的锂嵌入材料。实际上，在Weihua 等人的文章"Electrodeposition of Sn-Cu alloy anodesforlithium batteries〃中描述了由Sn-Cu合金制造的电极上执行的工作。Weihua等人表示由金属间Sn-Cu化合物制造的电极具有良好的性能，尤其是对于充电和放电能力以及循环电阻。因此，上述制造方法能获得包括在第一基板2和第二基板8之间设置的薄膜组件的微型电池，该薄膜组件由第一基板2、第一集电器3、第一电极4、电解质5、由焊料接合部形成的第二电极11以及第二集电器7 (图3)顺序形成。·
微型电池还可包括在第二电极11和第二集电器7之间的导电膜12。第二集电器7有益地由第二金属膜形成，其能电连接第二基板8中集成的电子部件9。第二电极11保证了第一基板2和第二基板8之间的机械连接。由至少一个金属间化合物制造的第二电极11体积膨胀小，并且保证了微型电池的机械强度。如图4所示，接着形成第二电极11的步骤的是根据任何已知方法的封装微型电池的步骤。微型电池由封装膜13封装，封装膜13相对于形成微型电池的元件是惰性的。封装膜13旨在密封微型电池，并且保护它不受外部污染。封装膜13由半导体封装树脂制造或者由用于倒装型连接的称为“底部填料”的树脂制造。封装膜13优选由掺杂有非晶硅颗粒的合成环氧基树脂制造。在该类型的树脂中包含非晶硅，提高了材料的总体硬度，降低了热膨胀系数，并且对内部水分的形成构成较大抵抗。根据图5所示的一变型，该制造方法与第一具体实施例的区别在于，在装配步骤前，将焊球10设置在第一金属膜6的接触面接触6a上，而不是第二集电器7的接触面接触7 Jn ο然后，通过设置焊球10使之与第二集电器7的接触面7a接触且再熔化焊球10而执行第一基板2和第二基板8的装配。其它的步骤与前述第一实施例的相同。根据未示出的另一个变型，微型电池包括设置在电解质5和第二电极11之间的第三电极。制造这种微型电池的方法与上述第一实施例的相同，但是最初形成的堆叠I顺序包括第一基板2、第一集电器3、第一电极4、电解质5、第三电极和第一金属膜6。根据图6至8所示的第二实施例，制造微型电池的方法与上述第一实施例的相同，但是微型电池具有非平面的结构。如图6所示，第一基板2是织构化的。因此，通过在第一基板2上连续沉积薄膜而形成堆叠I前，诸如沟槽的图案在第一基板2的表面上形成。堆叠I顺序包括第一基板2、第一集电器3、第一电极4、电解质5和第一金属膜6。第一金属膜6在堆叠I表面(图6的顶部)形成金属迹线以形成接触表面6a。第二基板8包括第二集电器7，并且焊球10以与上述第一实施例相同的方式形成在接触面7a上。如图7所示，第二基板8的焊球10与金属轨迹6a对准，然后与金属轨迹6a接触。
第一基板2和第二基板8根据与前述相同的方法通过焊接第一金属膜6和第二集电器7而装配。第一基板2中形成的图案优选通过再熔化焊球10和第一金属膜6而填充(图7)。如图8所示，第二电极11在该方法的装配步骤期间形成，然后对形成的微型电池以与第一具体实施例相同的方式封装。非平面结构提高了微型电池的性能。第一基板2表面的纹理能够增加电解质5与第一电极4和第二电极11之间的接触表面面积。这样的非平面构造促进离子交换，并且因此改善微型电池的容量。本发明不限于前述作为非限定性示例的实施例。特别是，焊接可根据任何已知方法通过若干焊球10实现。根据本发明的制造方法易于实施，并且与微电子中所实施的技术相兼容。该制造 方法一般能以很低的成本将微型电池结合在集成电路中，尤其是为这样的集成电路的微型部件供电。与现有技术的制造方法不同，在制造方法中采用两个基板提供了制造各种尺寸微型电池的可能并提高了与集成电路的制造步骤相兼容的可能。根据本发明的制造方法涉及的制造步骤可与基板中要集成的那些微型部件共享。此外，该制造方法能考虑共同的制造模式和若干微型电池之间的连接。此外，根据本发明的微型电池具有较高的电性能，尤其是由于基板的面对面装配，减小了微型电池连接到微型部件的电迹线的长度，并且因此降低了噪声和寄生信号。
权利要求
1.一种微型电池，包括薄膜组件，其从第一基板(2)开始顺序形成第一集电器(3)、第一电极(4)、电解质(5)、第二电极(11)和第二集电器(7)，其特征在于，所述薄膜组件设置在该第一基板(2 )和第二基板(8 )之间，并且该第二电极(11)由焊料接合部形成且保证所述第一基板和第二基板(2、8)之间的机械连接。
2.根据权利要求I所述的微型电池，其特征在于，该第二基板(8)包括至少一个电子部件(9)。
3.一种制造微型电池的方法，其特征在于，包括以下步骤 -在第一基板(2 )上形成薄膜堆叠(I)，该薄膜堆叠(I)从该第一基板(2 )开始顺序包括第一集电器(3)、第一电极(4)、电解质(5)和第一金属膜(6), -在第二基板(8)的表面上形成第二集电器(7)，以及 -形成第二电极(11)，所述形成该第二电极(11)的步骤包括通过预先沉积在该第一金属膜(6)的接触面(6a)或该第二集电器(7)的接触表面(7a)上的至少一个焊球(10)将第一金属膜(6)和该第二集电器(7)焊接在一起而装配所述第一和第二基板(2、8)，所述第一基板和第二基板(2、8)设置为在装配期间彼此面对。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该第二集电器(7)包括提供有接触面(7a)的第二金属膜。
5.根据权利要求3和4中任一项所述的方法，其特征在于，该第二电极(11)在该装配期间通过再熔化该焊球(10)而形成。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其特征在于，该第二电极(11)由来自该焊球(10)和来自该第一金属膜(6)的金属物质的相互扩散而得到的至少一个金属间化合物制造。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其特征在于，该焊球(10)在所述焊接期间部分地消耗以形成该第二电极(11)以及该第二集电器(7)和该第二电极(11)之间的导电膜(12)，所述导电膜(12)由形成该焊球(10)的材料制造。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的方法，其特征在于，该焊球(10)由导电材料制造，该导电材料有益地选自锡、银、铟、金和/或铜的合金，且优选选自SnAgCu、AuSn、AgIn和SnCu合金。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的方法,其特征在于,该第一金属膜(6)由选自铜、锡和铜-锡合金的金属制造。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的方法，其特征在于，该第一金属膜(6)由金属基膜的堆叠制造，并且所述膜之一提供有该接触面(6a)，该接触面(6a)旨在与该焊球(10)接触且由选自铜、锡和铜-锡合金的金属制造。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，装配该第一基板和第二基板(2、8)包括设置该焊球(10)使之与该第一金属膜(6)接触且通过热处理再熔化该焊球(10)。
12.根据权利要求3至11中任一项所述的方法，其特征在于，该第一金属膜(6)由铜制造且该焊球(10)由SnAgCu合金制造，并且该热处理在170° C和260° C之间的温度范围执行。
13.根据权利要求3至12中任一项所述的方法，其特征在于，该第二基板(8)包括至少一个电子部件(9)。
14.根据权利要求3至13中任一项所述的方法，其特征在于，接着形成该第二电极(11)的步骤的是封装该微型电池的步骤。
全文摘要
本发明涉及微型电池，其从第一基板(2)开始顺序包括第一集电器(3)、第一电极(4)、电解质(5)、由焊料接合部组成的第二电极(11)、第二集电器(7)和第二基板(8)。本发明还涉及制造微型电池的方法，其包括以下步骤形成多层薄膜，其从第一基板(2)开始顺序包括第一集电器(3)、第一电极(4)、电解质(5)和第一金属膜；在第二基板(8)的表面上形成第二集电器(7)；以及通过将第一金属膜和第二集电器(7)焊接在一起而形成第二电极(11)，所述基板(2、8)在装配期间设置为彼此面对。
文档编号H01M10/052GK102986077SQ201180030220
公开日2013年3月20日 申请日期2011年5月31日 优先权日2010年6月21日
发明者S.欧卡斯, N.度诺耶尔, R.萨洛特 申请人:原子能和代替能源委员会