JP2014523082A - 電池およびそれをカプセル封入するための手段 - Google Patents

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Abstract

第１の電流コレクタ（１１ａ）および第２の電流コレクタ（１１ｂ）を設けられたマイクロバッテリー（１０）と、導電性粒子（２０）を含むポリマー材料で製造されたマトリクス（１９）によって形成された導電性の密封層（１８）を含むカプセル封入手段とを含む電池。導電性材料で製造された第１の接続パッド（１７ａ）および第２の接続パッド（１７ｂ）は、マイクロバッテリー（１０）の第１の電流コレクタ（１１ａ）および第２の電流コレクタ（１１ｂ）にそれぞれ電気的に接続される。カプセル封入手段はまた、マイクロバッテリーに対向してかつ密封層（１８）によってマイクロバッテリーから分離して配置される、第１の電流コレクタ（１１ａ’）および第２の電流コレクタ（１１ｂ’）を設けられた追加のマイクロバッテリー（３０）も含む。追加のマイクロバッテリー（３０）の第１の電流コレクタ（１１ａ’）および／または第２の電流コレクタ（１１ｂ’）は、導電性粒子（２０）の少なくとも一部を介して第１の接続パッド（１７ａ）および／または第２の接続パッド（１７ｂ）にそれぞれ電気的に接続される。

Description

本発明は、第１および第２の電流コレクタ、ならびに導電性粒子を含むポリマー材料マトリクスによって形成された密封性の電気絶縁層を含むカプセル封入手段を設けられた、マイクロバッテリーを含む電池に関する。
本発明はまた、そのような電池を製造する方法にも関する。
マイクロバッテリー、特にリチウム・マイクロバッテリーをカプセル封入するためのいくつかの解決策が、文献で提供されている。これらの解決策は、２つの族、すなわち薄膜カプセル封入および追加要素を使ったカプセル封入に分けられることもある。
薄膜カプセル封入の解決策は、マイクロバッテリーを少なくとも１つの薄膜で覆うことを含む。薄膜は、マイクロバッテリーの構成要素および動作に適合する電気的、熱機械的、および化学的特性を有する異なる材料に基づくこともある。例として、国際特許出願ＷＯ−２００５／０３８９５７は、マイクロバッテリー構成要素に直接堆積されたセラミック／金属二重層によるマイクロバッテリーのカプセル封入を開示する。セラミック材料は、化学的に安定であり、一般に効果的な電気絶縁体を形成するけれども、その機械的もろさは、このカプセル封入様式の採用にとって主要な障害である。
材料の他の組合せが、特にマイクロバッテリー構成要素に直接堆積されたポリマー材料の層を含む、多層カプセル封入を達成しようと試みられてきた。ポリマー材料は、基板粗さに起因する欠陥を制限しかつマイクロバッテリーの構成要素のその使用中の変形を吸収することを可能にするので、構造の観点から有利である。さらに、ポリマー材料層は有利には、マイクロバッテリーの電流コレクタの一部を形成する金属粒子を含むこともある。しかしながら、ポリマー材料は、マイクロバッテリーの活性部分と反応することもある、ある汚染物質に対して透過性がある。それによって、ポリマー材料を含む多層でのカプセル封入はまた、汚染物質に対して効果的なシールドを形成する追加の層の存在も必要とする。
例として、特許出願ＷＯ−２００５／０６７６４５は、金属層で覆われた少なくとも１つのポリマー層のスタックによって形成される多層カプセル封入を開示する。しかしながら、そのようなカプセル封入を製造する方法は、技術的ステップを増やすことを必要とし、そのことは、かなりの生産原価および時間を誘発する。マイクロバッテリーの横方向保護は、空気および湿気などの汚染物質に対してほとんど信頼性がないままである。
追加要素を使ったカプセル封入の解決策は、例えばガラスまたは再び積層ポリマー材料で製造されたキャップを接着することを含む。この種類のカプセル封入は、リチウム・マイクロバッテリーの効果的な保護を形成する。しかしながら、保護キャップは一般に、マイクロバッテリーの全厚さと比べて厚い。追加要素を使ったカプセル封入のシステムは、一定の表面容量について薄膜カプセル封入の解決策よりも大きな容積を有する。
ある応用では、特に電子機器では、形成するのが容易で、隙間無く詰まり、改善された機械的性質を有する電池を提供する必要性がある。
この必要性は、第１および第２の電流コレクタを設けられたマイクロバッテリーと、導電性粒子を含むポリマー材料マトリクスによって形成された電気絶縁性の密封層を含むカプセル封入手段とを含む電池を提供することによって満たされる傾向がある。電池は、マイクロバッテリーの第１および第２の電流コレクタにそれぞれ電気的に接続される、導電性材料で製造された第１および第２の接続パッドを含む。カプセル封入手段はまた、第１および第２の電流コレクタを設けられた追加のマイクロバッテリーも含み、その追加のマイクロバッテリーは、マイクロバッテリーに対向してかつ密封層によってマイクロバッテリーから分離して配置される。追加のマイクロバッテリーの第１および／または第２の電流コレクタは、導電性粒子の少なくとも一部を介して第１および／または第２の接続パッドにそれぞれ電気的に接続される。
マイクロバッテリーに対向して第１および第２の電流コレクタを設けられた追加のマイクロバッテリーを配置し、あらかじめ第１および第２の接続パッドを設けられかつ密封層で覆われるマイクロバッテリーとともに追加のマイクロバッテリーを押圧することによってマイクロバッテリーをカプセル封入することを含むそのような電池を製造する方法もまた、提供される。押圧は、第１および／または第２の接続パッドと追加のマイクロバッテリーのそれぞれ第１および／または第２の電流コレクタとの間の電気的接続が導電性粒子の一部を介して得られるまで行われる。
他の利点および特徴は、非制限的な例のためだけに与えられかつ添付の図面で表される本発明の特定の実施形態の次の説明からよりはっきりと明らかになる。
本発明の第１の具体的実施形態による電池を横断面図で概略的に示す図である。 本発明の第２の具体的実施形態による電池を横断面図で概略的に示す図である。 本発明の別の実施形態による電池の部分図を斜視図で概略的に示す図である。 本発明の具体的実施形態による電池を製造する方法の連続的ステップを横断面図で概略的に示す図である。 本発明の具体的実施形態による電池を製造する方法の連続的ステップを横断面図で概略的に示す図である。 本発明の具体的実施形態による電池を製造する方法の連続的ステップを横断面図で概略的に示す図である。 本発明の具体的実施形態による電池を製造する方法の連続的ステップを横断面図で概略的に示す図である。 本発明の具体的実施形態による電池を製造する方法の連続的ステップを横断面図で概略的に示す図である。 本発明の具体的実施形態による電池を製造する方法の連続的ステップを横断面図で概略的に示す図である。
図１で示される特定の実施形態によると、電池は、基板１２上に配置された第１の電流コレクタ１１ａおよび第２の電流コレクタ１１ｂを設けられたマイクロバッテリー１０を含む。第１の電流コレクタ１１ａおよび第２の電流コレクタ１１ｂは、導電性材料、例えばチタンまたはタングステンで製造されている。第１の電流コレクタ１１ａおよび第２の電流コレクタ１１ｂは、約２５０ｎｍの厚さをそれぞれ有する共平面層の形に見える。基板１２は従来通り、シリコン、窒化シリコン、または再びガラスで製造されていてもよい。
図１で示されるように、マイクロバッテリー１０はまた、マイクロバッテリー１０の電気化学的に活性な部分を形成する薄い固体層のスタック１３も含む。スタック１３は、電解質１５によって分離された第１の電極１４および第２の電極１６で形成される。
第１の電極１４は、マイクロバッテリー１０の第１の電流コレクタ１１ａまたは第２の電流コレクタ１１ｂの１つ、例えば第１のコレクタ１１ａを部分的にかつ一意的に覆うように配置されてもよい。第１の電極１４は、カソードであってもよく、第１の電流コレクタ１１ａは、カソード電流コレクタであってもよい。第１の電極１４は好ましくは、１．５μｍの厚さを有する。第１の電極１４は例えば、チタン・オキシ硫化物（ＴｉＯＳ）、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、および二硫化チタン（ＴｉＳ２）の中から選択された材料で製造されている。
図１で示されるように、電解質１５は、電流コレクタ１１ａの一部、第２の電流コレクタ１１ｂの一部、第１の電極１４全体、および第１の電流コレクタ１１ａと第２の電流コレクタ１１ｂとの間に配置された基板１２の露出した部分を覆うように配置される。固体電解質１５は、例えばリン酸リチウム・オキシナイトライド（ＬｉＰＯＮ）で製造された高イオン伝導度の電気絶縁材料であってもよい。
第２の電極１６は、固体電解質１５の大部分を覆い、第２の電流コレクタ１１ｂと接触するように配置されてもよい。第２の電極１６は、アノードであってもよく、第２の電流コレクタ１１ｂは、アノード電流コレクタであってもよい。特に、第２の電極は、リチウム化合物を含有する。有利には、第２の電極１６は、３μｍ程度の厚さを有する。
導電性材料で製造された第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂは、マイクロバッテリー１０の第１の電流コレクタ１１ａおよび第２の電流コレクタ１１ｂにそれぞれ電気的に接続される。
図１で示される具体的実施形態によると、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂは、マイクロバッテリー１０の第１の電流コレクタ１１ａおよび第２の電流コレクタ１１ｂの上にそれぞれ配置される。第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂは、異なる幾何学的形状、例えば球形状を有してもよい。第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂは有利には、金で製造されており、その２つの底面が平面（ｙｏｚ）に属する、水平に延びる回転円柱の形状を有する。好ましくは、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂは、同一であり、水平に延びる円柱の形状を有する。円柱直径は、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂの厚さに対応し、好ましくは６から１５０μｍの範囲である（図３）。
電池はまた、電気絶縁性の密封層１８を含むカプセル封入手段を含む。密封層１８は、導電性粒子２０を含む、好ましくは電気絶縁性のポリマー材料マトリクス１９によって形成される。
カプセル封入手段はまた、マイクロバッテリー１０について述べられた要素に似た要素を設けられた追加のマイクロバッテリー３０も含む。特に、追加のマイクロバッテリー３０は、第１の電流コレクタ１１ａ’および第２の電流コレクタ１１ｂ’を設けられた基板１２’の表面に配置された第１の電流コレクタ１１ａ’および第２の電流コレクタ１１ｂ’を含む。マイクロバッテリー１０についてと同じ方法で、薄い固体層のスタック１３’が、基板１２’の表面に配置される。スタック１３’は、第１の電流コレクタ１１ａ’および第２の電流コレクタ１１ｂ’とそれぞれ接触する第１の電極１４’と第２の電極１６’との間に挿入された電解質１５’を含む。スタック１３および１３’を形成する要素は、同一であってもよくまたは異なってもよい。
図１で示されるように、追加のマイクロバッテリー３０は、マイクロバッテリー１０に対向し、かつ密封層１８によってマイクロバッテリー１０から分離されて配置される。第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂは、密封層１８で覆われてこの層に完全に埋め込まれる。好ましくは、マトリクス１９は、例えばエポキシ／アクリレート型の可塑性ポリマーで製造された粘着性マトリクスである。導電性粒子２０は例えば、直径ｄの球形状を有する。粒子２０は、銀で覆われたガラス球で形成されてもよい。有利には、導電性粒子２０は、マトリクス１９中で１／ｄ３よりも小さくかつ０よりも大きい密度ρを有する。好ましくは、密封層１８は、異方性導電膜、ＡＣＦの層、例えば３Ｍによって商品化された３Ｍ７３７１ＡＣＦ層である。
追加のマイクロバッテリー３０の第１の電流コレクタ１１ａ’および／または第２の電流コレクタ１１ｂ’は、導電性粒子２０の少なくとも一部２１を介して第１の接続パッド１７ａおよび／または第２の接続パッド１７ｂにそれぞれ電気的に接続される。言い換えれば、第１の電流コレクタ１１ａ’および第２の電流コレクタ１１ｂ’の少なくとも１つは、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂの１つに電気的に接続される。実際、マトリクス１９は、追加のマイクロバッテリー３０の第１の電流コレクタ１１ａ’および／または第２の電流コレクタ１１ｂ’とそれぞれ第１の接続パッド１７ａおよび／または第２の接続パッド１７ｂとの間の電気的接続を提供するように配置された、導電性粒子２０の一部２１を含む。その他の導電性粒子２０は、好ましくはマイクロバッテリー１０および追加のマイクロバッテリー３０の要素との接触を避けるために、マトリクス１９に分散される。
それ故に、本発明による電池の形成は有利には、追加のマイクロバッテリー３０を介して効率的にカプセル封入されるマイクロバッテリー１０を形成することを可能にする。２つのマイクロバッテリーが互いに対向して配置されることで、各マイクロバッテリーは、特に電池の上部および下部に厚い保護壁を形成する基板１２および１２’に起因して、もう一方のマイクロバッテリーのための保護を形成する。さらに、マイクロバッテリー１０および追加のマイクロバッテリー３０は有利には、電気的に相互接続される。それ故に、そのような率直な配置は、電池の形成を簡略化し、マイクロバッテリーのカプセル封入を改善し、製造時間および原価を減らすことを可能にする。
図１で示されるように、マイクロバッテリー１０の第１の電流コレクタ１１ａおよび第２の電流コレクタ１１ｂは有利には、マイクロバッテリー１０と追加のマイクロバッテリー３０との間に置かれる対称面ＡＡ’に関して追加のマイクロバッテリー３０の第１の電流コレクタ１１ａ’および第２の電流コレクタ１１ｂ’と対称を成す。好ましくは、追加のマイクロバッテリー３０は、スタック１３および１３’をそれぞれ含む基板１２および１２’の表面に平行である平面ＡＡ’に関してマイクロバッテリー１０と対称を成す。そのような対称性は有利には、マイクロバッテリー１０および追加のマイクロバッテリー３０の位置合わせおよび電気的接続を容易にし、それ故にデバイス製造時間を最適化する。
マイクロバッテリー１０は、並列構成でマイクロバッテリー３０に電気的に接続されてもよい。言い換えれば、マイクロバッテリー１０および追加のマイクロバッテリー３０の第１の電流コレクタ１１ａおよび１１ａ’はそれぞれ、同じバイアス（ｂｉａｓｉｎｇ）を有する。同様に、マイクロバッテリー１０および追加のマイクロバッテリー３０の第２の電流コレクタ１１ｂおよび１１ｂ’はそれぞれ、同じバイアスを有する。この構成によると、追加のマイクロバッテリー３０の第１の電流コレクタ１１ａ’および／または第２の電流コレクタ１１ｂ’は、導電性粒子２０の少なくとも一部２１を介して第１の接続パッド１７ａおよび／または第２の接続パッド１７ｂにそれぞれ電気的に接続される。
「電流コレクタのバイアス」は、電流コレクタが接触するマイクロバッテリー電極のバイアスまたは型を意味する。もし電極が正であるならば、電流コレクタは、カソード電流コレクタ（または正にバイアスされたコレクタ）と呼ばれ、もし電極が負であるならば、この電極に接続されたコレクタは、アノード電流コレクタ（または負にバイアスされたコレクタ）と呼ばれる。
マイクロバッテリー１０および追加のマイクロバッテリー３０を並列に電気的に接続するということは有利には、増加した表面容量を有する隙間無く詰まった電池を形成することを可能にする。実際、電池の表面容量は、この構成では、マイクロバッテリー１０および追加のマイクロバッテリー３０の表面容量の合計に相当する。
変形形態によると、マイクロバッテリー１０は、直列構成でマイクロバッテリー３０に電気的に接続されてもよい。言い換えれば、マイクロバッテリー１０および追加のマイクロバッテリー３０の第１の電流コレクタ１１ａおよび１１ａ’はそれぞれ、異なるバイアスを有する。同様に、マイクロバッテリー１０および追加のマイクロバッテリー３０の第２の電流コレクタ１１ｂおよび１１ｂ’はそれぞれ、異なるバイアスを有する。しかしながら、２つのマイクロバッテリー１０および３０を短絡させることを避けるために第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂの１つを接続しないことが、確認されるべきである。この構成を得るために、電気絶縁材料の層が、例えば導電性粒子２０の一部２１と追加のマイクロバッテリー３０の第１の電流コレクタ１１ａ’または第２の電流コレクタ１１ｂ’のそれぞれ１つとの間に挿入されてもよい。この構成によると、追加のマイクロバッテリー３０の第１の電流コレクタ１１ａ’および第２の電流コレクタ１１ｂ’の１つだけが、導電性粒子２０の少なくとも一部２１を介して第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂの１つに電気的に接続される。
それ故に、直列に電気的に接続されたマイクロバッテリー１０および追加のマイクロバッテリー３０を含む電池は有利には、電池の出力電圧を調節することを可能にする。
図１で示されるように、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂは有利には、スタック１３の厚さｅ１３よりも大きい厚さｅａおよびｅｂを有する。厚さｅ１３は、第１の電流コレクタ１１ａに関して突出するスタック１３の部分の厚さである。「接続パッドの厚さ」は、軸（ｏｚ）に沿った接続パッドの最大寸法を意味する。好ましくは、厚さｅａおよびｅｂは、スタック１３の厚さｅ１３よりも少なくとも２倍大きい。厚さｅａおよびｅｂはまた、スタック１３と１３’との間のどんな可能性のある接触も避けるために、２つのマイクロバッテリー１０および３０の異なる要素の寸法に従って選択されもする。
図２で示される具体的実施形態によると、電池は有利には、第１の接続パッド１７ａまたは第２の接続パッド１７ｂとマイクロバッテリー１０のそれぞれ第１の電流コレクタ１１ａまたは第２の電流コレクタ１１ｂとの間に挿入された少なくとも１つの接着層２５を含む。有利には、電池はまた、導電性粒子２０の一部２１と追加のマイクロバッテリー３０の第１の電流コレクタ１１ａ’または第２の電流コレクタ１１ｂ’のそれぞれ１つとの間に挿入された少なくとも１つの接着層２５’も含む。好ましくは、接着層２５および２５’は別々に、アルミニウム、銅、または金で製造されている。接着層２５および２５’はそれぞれ、２５０ｎｍから１，０００ｎｍの範囲の厚さを有する。接着層２５および２５’は、第１の接続パッド１７ａまたは第２の接続パッド１７ｂの接着を改善することを可能にする。第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂのそれぞれの厚さｅａおよびｅｂは、スタック１３のレリーフよりも大きい第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂのレリーフを得るように選択される。それ故に、厚さｅａおよびｅｂは、スタック１３と１３’との間のどんな可能性のある接触も避け、スタック１３の外側壁に面しかつ第２の電極１６を超えて延びるバリアを形成するレリーフを得るように調整される。
図３で示される具体的実施形態によると、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂは、マイクロバッテリー１０のスタック１３を横方向に区切る。特に、各接続パッド１７ａおよび１７ｂは、スタック１３の外側壁と同じ数の円柱状要素を提供するために導電性材料で製造された少なくとも２つの円柱状要素で形成されてもよい。第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂのそのような配置は有利には、スタック１３を横方向に保護することを可能にする。この具体的実施形態の先の実施形態との組合せによると、第１および第２の接続パッド１７ａおよび１７ｂならびに接着層（複数可）２５は全部で、スタック１３の横方向保護を形成する。言い換えれば、この具体的実施形態によると、接着層２５ならびに第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂは、スタック１３を横方向に区切る。
このことはまた、スタック１３の前に配置される、追加のマイクロバッテリー３０のスタック１３’（図３では示されず）の横方向保護を提供することも可能にする。さらに、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂのこの配置は、電場力線を均一にし、それ故に電池の性能を改善することを可能にする。
代替実施形態によると、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂの少なくとも１つは、導電性粒子２０の一部２１と接触する平面接続領域を含む。「接続領域」は、粒子２０の一部２１と接触する接続パッドの領域を意味する。それ故に、この領域は、前記パッドと追加のマイクロバッテリー３０の電流コレクタの１つとの間の電気的接続を提供する。好ましくは、２つの接続パッド１７ａおよび１７ｂのそれぞれはまた、平面接続領域も含む。そのような構造特性は有利には、第１の接続パッド１７ａまたは第２の接続パッド１７ｂと、導電性粒子２０の一部２１との間の長続きする高性能な電気的接触を提供することを可能にする。
具体的実施形態によると、上で述べられたような電池を製造する方法は、任意の周知の方法に従ってマイクロバッテリー１０を形成することを含む。マイクロバッテリー１０は、基板１２、第１の電流コレクタ１１ａおよび第２の電流コレクタ１１ｂ、スタック１３ならびに有利には接着層２５を含む。
図４で示されるように、第１の電流コレクタ１１ａおよび第２の電流コレクタ１１ｂは、任意の周知の方法に従って、例えばＰＶＤと記される物理的気相堆積法、またはＣＶＤと記される化学的気相堆積法などの薄膜堆積法によって基板１２の表面に形成される。第１の電流コレクタ１１ａおよび第２の電流コレクタ１１ｂは、共平面であってかつ互いに間隔をあけられるように、任意の周知の方法に従って、好ましくはフォトリソグラフィによって構造化される。好ましくは、第１の電流コレクタ１１ａおよび第２の電流コレクタ１１ｂは、チタンで製造されており、約２５０ｎｍの厚さを有する。
マイクロバッテリー１０の電気化学的に活性な部分を形成する薄い固体層のスタック１３は、第１の電流コレクタ１１ａおよび第２の電流コレクタ１１ｂを含む基板１２の表面に形成される。スタック１３は、第１の電極１４、電解質１５、および第２の電極１６を含む。
第１の電極１４は、マイクロバッテリー１０の第１の電流コレクタ１１ａまたは第２の電流コレクタ１１ｂの１つ、例えば第１のコレクタ１１ａを部分的にかつそれだけを覆うように形成される。第１の電極１４は、第１のコレクタ１１ａの覆われない部分と第２のコレクタ１１ｂとの間に水平に配置される。第１の電極１４は、任意の周知の方法に従って、例えば真空堆積法またはカソード・スパッタリング法によって形成される。第１の電極１４は、カソードであってもよく、第１の電流コレクタ１１ａは、カソード電流コレクタであってもよい。好ましくは、第１の電極１４は、約１．５μｍの厚さを有する。
電解質１５は、電流コレクタ１１ａの一部、第２の電流コレクタ１１ｂの一部、第１の電極１４全体、および第１の電流コレクタ１１ａと第２の電流コレクタ１１ｂとの間に配置された基板１２の露出した部分を覆うように形成される。固体電解質１５は、例えばＰＶＤによって堆積され、約１．５μｍの厚さを有する。
第２の電極１６は、固体電解質１５の大部分を覆うように形成されてスタック１３を形成し、第２の電流コレクタ１１ｂと接触する。第２の電極１６は、リチウムで製造されていてもよく、金属リチウムを加熱することによる高真空堆積法によって形成されてもよい。第２の電極１６は好ましくは、約３μｍの厚さを有する。
図５で示されるように、接着層２５が有利には、第１の電流コレクタ１１ａまたは第２の電流コレクタ１１ｂの上に形成される。好ましくは、接着層２５は、マイクロバッテリー１０の第１の電流コレクタ１１ａおよび第２の電流コレクタ１１ｂのそれぞれの上に形成される。各接着層２５は、任意の周知の方法によって、例えばＰＶＤまたは真空堆積法によって形成される。接着層２５は好ましくは、２５０ｎｍから１，０００ｎｍの間に及ぶ厚さを有する。接着層２５は、スタック１３が２つの接着層２５の間に水平に配置されるように配置される。
同様に、追加のマイクロバッテリー３０が、任意の周知の方法に従って形成される。追加のマイクロバッテリー３０は、マイクロバッテリー１０について述べられた要素に似ておりかつ同様の方法で形成される要素を含む。それ故に、追加のマイクロバッテリー３０は、第１の電流コレクタ１１ａ’および第２の電流コレクタ１１ｂ’、スタック１３’ならびに有利には接着層２５’を含み、これらはすべて基板１２’の表面にある。電気化学的に活性な部分を形成するスタック１３’は、第１の電極１４’、電解質１５’、および第２の電極１６’を含む（図８）。
図５で示されるように、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂは、２つのマイクロバッテリー１０および３０の１つ、例えばマイクロバッテリー１０の上に形成される。第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂは、マイクロバッテリー１０のそれぞれ第１の電流コレクタ１１ａおよび第２の電流コレクタ１１ｂと電気的に接続されるように形成される。第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂは、マイクロバッテリー１０の第１の電流コレクタ１１ａおよび第２の電流コレクタ１１ｂの上に直接か、または接着層２５の上に形成されてもよい。接続パッドは有利には、アルミニウムまたは金で製造されている。
第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂは、ワイヤ・ボンディング技術によって形成されてもよい。有利には、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂは、超音波ウェッジ・ボンディング技術によって形成されてもよい。この技術は、圧力および超音波振動を組み合わせることによって接続パッド、例えば１７ａまたは１７ｂと、接続されるべき領域、例えば接着層２５の１つとの間に接続を形成することを可能にする。超音波ウェッジ・ボンディング技術は、低温はんだ付けと考えられてもよい。実際、超音波エネルギーは、温度上昇によって得られる効果に似た接続パッドの軟化を引き起こす。周囲温度で行われてもよいのが、ワイヤ・ボンディング技術である。超音波ウェッジ・ボンディング技術は、１８０℃に近い融解温度を有する、リチウム・マイクロバッテリーを形成する方法に適合する。
この技術は、接続されるべき領域を１６０℃から２００℃の範囲のより高い温度に維持することを必要とするボール・ボンディングなどの他のワイヤ・ボンディング技術より好まれる。さらに、超音波ウェッジ・ボンディング技術は、金属間化合物の形成を避けることを可能にする、低温はんだ付けである。それ故に、マイクロバッテリーを０．１から１Ωの範囲の電気抵抗と相互接続する能力がある電気的接続を得ることができる。
有利には、各接続パッド１７ａまたは１７ｂは、第１の電流コレクタ１１ａおよび第２の電流コレクタ１１ｂを設けられた基板１２の主表面に平行な平面に置かれた円柱の形状を有する。第１の円柱状接続パッド１７ａおよび第２の円柱状接続パッド１７ｂは、スタック１３を取り囲むように配置される。それによって、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂは、マイクロバッテリー１０の電気化学的に活性な部分のための横方向保護バリアを形成する。さらに、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂは、円柱形状および円柱状接続パッドと接着層２５との間のより大きな接触面積に起因してマイクロバッテリー１０中の電場力線のより優れた均一性を提供する。
図６で示されるように、本製造方法は次いで、第１の接続パッド１７ａまたは第２の接続パッド１７ｂを押圧することによって平らにするステップを含む。押圧することによって平らにするこのステップは好ましくは、１００ＭＰａから４００ＭＰａの範囲の圧力Ｆの下で行われる。押圧するステップは、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂのそれぞれの上に平面接続領域を形成し、特に電気的界面の質を改善することを可能にする。
図７で示されるように、接続パッドの形成、およびオプションとして接続パッドを圧力で平らにすることの後、第１および第２の接続パッド１７ａおよび１７ｂを設けられたマイクロバッテリー１０は、密封層１８、例えばＡＣＦ異方性導電材料の層で覆われる。密封層１８は、導電性粒子２０を含むポリマー材料で製造された電気絶縁性マトリクス１９によって形成される。密封層１８は、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂを埋め込むようにマイクロバッテリー１０の上に配置される。好ましくは、マトリクス１９は、可塑性ポリマー、一般にはエポキシ／アクリレート型のポリマーで製造された粘着性マトリクスである。マトリクス１９は、電気絶縁性であり、好ましくは１０８から１０１３Ω・ｃｍの範囲の抵抗率を有する。例えば、３Ｍ７３７１ＡＣＦが、密封層１８として使用されてもよい。密封層１８がマイクロバッテリー１０の要素ならびに接続パッド１７ａおよび１７ｂをより良く覆って埋め込むことを可能にするために、密封層１８は、９０℃の温度で１秒間の熱処理および／または１から１５ｋｇ／ｃｍ２の範囲の圧力Ｆ’を受けてもよい。
図８で示されるように、第１の電流コレクタ１１ａ’および第２の電流コレクタ１１ｂ’を設けられた追加のマイクロバッテリー３０は、第１のマイクロバッテリー１０の前に配置される。マイクロバッテリー１０は、あらかじめ第１および第２の接続パッド１７ａおよび１７ｂを設けられ、密封層１８で覆われる。追加のマイクロバッテリー３０の第１および第２の電流コレクタ１１ａ’および１１ｂ’は、２つのマイクロバッテリー１０および３０が互いに対向して置かれるとき、それぞれ第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂの前にあるように配置される。もし追加のマイクロバッテリー３０が、接着層２５’を含むならば、各接着層２５’は、第１の接続パッド１７ａまたは第２の接続パッド１７ｂに対向して配置される。
有利には、マイクロバッテリー１０の第１の電流コレクタ１１ａおよび第２の電流コレクタ１１ｂは、基板１２に平行な平面ＡＡ’に関して追加のマイクロバッテリー３０の第１および第２の電流コレクタ１１ａ’および１１ｂ’と対称を成すように形成される。好ましくは、２つのマイクロバッテリー１０および３０は、この平面に関して対称である。そのような対称性は有利には、マイクロバッテリー１０と追加のマイクロバッテリー３０との間の容易で高性能な位置合わせを提供し、カプセル封入ステップをより容易にする。
図９で示されるように、第１および第２の電流コレクタ１１ａ’および１１ｂ’を設けられた追加のマイクロバッテリー３０は次いで、マイクロバッテリー１０に対して押圧される。取り付けおよび押圧は、同時にまたは連続して行われてもよい。これらのステップの実行はまた、２つのマイクロバッテリー１０および３０の電気的接続も提供する。「２つのマイクロバッテリー１０と３０との間の電気的接続」は、接続パッドと追加のマイクロバッテリー３０の電流コレクタとの間の電気的接続を意味する。圧力は、マイクロバッテリー１０または追加のマイクロバッテリー３０に加えられて、それらを互いの方へ近づけさせる。このカプセル封入ステップの間に、押圧は、電気的接続が第１の接続パッド１７ａおよび／または第２の接続パッド１７ｂとそれぞれ第１の電流コレクタ１１ａ’および第２の電流コレクタ１１ｂ’との間で得られるまで行われる。この電気的接続は、密封層１８の導電性粒子２０の一部２１およびおそらくは追加のマイクロバッテリー３０の接着層２５’によって確保される。例として、３Ｍ７３７１ＡＣＦによって形成された電気絶縁性の密封層１８については、圧力は、１０から２０ｋｇ／ｃｍ２の範囲、好ましくは約１５ｋｇ／ｃｍ２であってもよい。この圧力は、密封層１８の粒子２０を破砕することを避けながら電気的接続を確保するように選択される。マイクロバッテリー１０のカプセル封入のステップの間に、熱処理が有利には、リチウムの融解温度に近い温度である１８０℃よりも低い温度にマトリクス１９を到達させるように行われる。好ましくは、そのような熱処理は、約１４０℃の温度で２０秒間行われる。
好ましくは、密封層１８の導電性粒子２０は、最初は直径ｄを持つ球状である。例として、導電性粒子２０は、銀で覆われたガラス玉で形成される。マトリクス１９に存在する粒子２０の濃度は、上で述べられたカプセル封入ステップ中のどんな透過も避けるように選択される。粒子２０の透過のこの現象は、スタック１３と１３’との間で短絡を生じさせることもあり、そのことは、マイクロバッテリー１０および追加のマイクロバッテリー３０を含む電池に悪影響を及ぼす。
透過現象を避けるために、密封層１８の粒子２０は有利には、電気的接続の前に、次式、０＜ρ＜１／ｄ３に従って直径ｄおよび密度ρを有する。密封層１８のこの特性は、２つのマイクロバッテリー１０および３０の組み立て時には基板１２に平行な方向（ｏｙ）に沿って、かつ第１の接続パッド１７ａと第２の接続パッド１７ｂとの間に配置された領域では方向（ｏｚ）に沿って電気絶縁性を提供する。それによって、２つのスタック１３および１３’は、押圧するステップの後は電気的に絶縁されたままである。好ましくは、マトリクス１９中の導電性粒子２０の密度ρは、電気的接続の前は、式、１／２７×ｄ３＜ρ＜１／８×ｄ３に従う。密度ρのこの範囲は有利には、湿気バリア容量を改善することを可能にする。例として、マトリクス１９を形成する３Ｍ７３７１ＡＣＦポリマーは、１０−１ｇ／ｍ２／日程度の湿気バリア値を有する。１０μｍの直径および１／２７×ｄ３から１／８×ｄ３の範囲の密度を有する粒子のこのポリマーへの導入は、湿気バリアの値を２桁に至るまで改善することを可能にする。
さらに、マイクロバッテリー１０および３０の押圧は、（ｏｚ）に沿った最大レリーフの近くで、すなわち第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂと接着層２５’との間で粒子２０の集中をもたらす（図９）。そのようなカプセル封入ステップを使用する製造方法は、大きなレリーフを形成する接続パッドを特別に有するマイクロバッテリーのトポロジーに特に適合される。
実際、１μｍよりも小さい電気的接続パッドの厚さを有する従来のマイクロバッテリーとは反対に、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂは、スタック１３の突出部の厚さｅ１３よりも大きい厚さｅａおよびｅｂを有する。厚さｅａおよびｅｂは、６から１５０μｍの範囲であってもよく、好ましくは約２５μｍに等しくてもよい。接着層２５ならびに第１および第２の接触パッド１７ａおよび１７ｂは、軸（ｏｚ）に沿って大きなレリーフを作るように形成される。それ故に、粒子２０の一部は、マイクロバッテリー１０のカプセル封入を目的とした押圧するステップの間に第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂと接着層２５’との間に集中されてもよい。厚さｅａおよびｅｂはまた、押圧するステップの間にスタック１３と１３’との間のどんな接触も避けるように選択されもする。
図９で示されるように、接続パッドと接着層２５’との間に閉じ込められた粒子２０の一部２１は、それぞれ第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂと追加のマイクロバッテリー３０の第１の電流コレクタ１１ａ’および第２の電流コレクタ１１ｂ’との間の電気的接続を提供する。粒子２０の一部２１のそのような閉じ込めを容易にするために、最初に球状である導電性粒子２０の直径ｄは、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂの最小寸法よりも小さい。それ故に、マイクロバッテリー１０および追加のマイクロバッテリー３０は、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂならびに粒子２０の一部２１を介して電気的に接続される。
本発明による電池を製造する方法は、マイクロバッテリー１０および追加のマイクロバッテリー３０の高性能なカプセル封入を行うことを可能にする。実際、各マイクロバッテリーは、厚いバリアを形成し、それ故にスタック１３および１３’の上下で効果的である基板１２および１２’に起因してもう一方のマイクロバッテリーを保護する。さらに、第１の接続パッド１７ａおよび第２の接続パッド１７ｂならびに密封層１８は、電池を両側で保護する効果的な横方向シールドを形成する。それ故に、マイクロバッテリー技術の要件に適合する、１０−３ｇ／ｍ２／日よりも小さい湿気バリア値を得ることが、可能となった。
上述の製造方法はまた、形成するのが容易であり、一度に２つのマイクロバッテリーの能動的カプセル封入を行うことを可能にする点でも注目に値する。本発明による製造方法は有利には、２つのマイクロバッテリーの横方向保護もまた提供する接続パッドを用いて２つのマイクロバッテリーを一緒に電気的に接続することを可能にする。さらに、接続パッドは、平面領域を含んでもよく、それ故に２つのマイクロバッテリーの容易で高性能な長続きする組立ておよびカプセル封入を可能にする。

Claims (16)

  1. − 第１の電流コレクタ（１１ａ）および第２の電流コレクタ（１１ｂ）を設けられたマイクロバッテリー（１０）と、
    − 導電性粒子（２０）を含むポリマー材料マトリクス（１９）によって形成された電気絶縁性の密封層（１８）を含むカプセル封入手段とを含む電池であって、
    − 導電性材料で製造された第１の接続パッド（１７ａ）および第２の接続パッド（１７ｂ）が、前記マイクロバッテリー（１０）の前記第１の電流コレクタ（１１ａ）および前記第２の電流コレクタ（１１ｂ）にそれぞれ電気的に接続され、
    − 前記カプセル封入手段が、前記マイクロバッテリー（１０）に対向してかつ前記密封層（１８）によって前記マイクロバッテリー（１０）から分離して配置される、第１の電流コレクタ（１１ａ’）および第２の電流コレクタ（１１ｂ’）を設けられた追加のマイクロバッテリー（３０）を含み、
    − 前記追加のマイクロバッテリー（３０）の前記第１の電流コレクタ（１１ａ’）および／または前記第２の電流コレクタ（１１ｂ’）が、前記導電性粒子（２０）の少なくとも一部（２１）を介して前記第１の接続パッド（１７ａ）および／または前記第２の接続パッド（１７ｂ）にそれぞれ電気的に接続されることを特徴とする電池。
  2. 前記電池が、前記第１の接続パッド（１７ａ）または前記第２の接続パッド（１７ｂ）と前記マイクロバッテリー（１０）のそれぞれ前記第１の電流コレクタ（１１ａ）または前記第２の電流コレクタ（１１ｂ）との間に挿入された接着層（２５）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電池。
  3. 前記マイクロバッテリー（１０）が、電解質（１５）によって分離された第１の電極（１４）および第２の電極（１６）によって形成されるスタック（１３）を含むこと、ならびに前記第１の接続パッド（１７ａ）および前記第２の接続パッド（１７ｂ）が、前記スタック（１３）を横方向に区切ることを特徴とする、請求項１および２のいずれかに記載の電池。
  4. 前記マイクロバッテリー（１０）の前記第１の電流コレクタ（１１ａ）および前記第２の電流コレクタ（１１ｂ）が、マイクロバッテリー（１０）と追加のマイクロバッテリー（３０）との間に配置された対称面ＡＡ’に関して前記追加のマイクロバッテリー（３０）の前記第１の電流コレクタ（１１ａ’）および前記第２の電流コレクタ（１１ｂ’）と対称を成すことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の電池。
  5. 第１の接続パッド（１７ａ）および第２の接続パッド（１７ｂ）の少なくとも１つが、前記導電性粒子（２０）の前記一部（２１）と接触する平面接続領域を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の電池。
  6. 前記第１の接続パッド（１７ａ）および前記第２の接続パッド（１７ｂ）の厚さ（ｅａ、ｅｂ）が、前記スタック（１３）の厚さ（ｅ１３）の２倍よりも少なくとも大きいことを特徴とする、請求項３に記載の電池。
  7. 前記マイクロバッテリー（１０）および前記追加のマイクロバッテリー（３０）の前記第１の電流コレクタ（１１ａ、１１ａ’）がそれぞれ、同じバイアスを有することを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の電池。
  8. 前記マイクロバッテリー（１０）および前記追加のマイクロバッテリー（３０）の前記第１の電流コレクタ（１１ａ、１１ａ’）がそれぞれ、異なるバイアスを有することを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の電池。
  9. 電池を製造する方法であって、前記方法が、第１の電流コレクタ（１１ａ）および第２の電流コレクタ（１１ｂ）を設けられたマイクロバッテリー（１０）に対向して第１の電流コレクタ（１１ａ’）および第２の電流コレクタ（１１ｂ’）を設けられた追加のマイクロバッテリー（３０）を配置し、あらかじめ第１の接続パッド（１７ａ）および第２の接続パッド（１７ｂ）を設けられかつ導電性粒子（２０）を含むポリマー材料で製造されたマトリクス（１９）によって形成された電気絶縁性の密封層（１８）で覆われた前記マイクロバッテリー（１０）とともに前記追加のマイクロバッテリー（３０）を押圧して、前記導電性粒子（２０）の一部（２１）を介して前記第１の接続パッド（１７ａ）および／または前記第２の接続パッド（１７ｂ）と前記追加のマイクロバッテリー（３０）のそれぞれ前記第１の電流コレクタ（１１ａ’）および／または前記第２の電流コレクタ（１１ｂ’）との間の電気的接続を得ることによって、前記マイクロバッテリー（１０）をカプセル封入するステップを含むことを特徴とする方法。
  10. 前記第１の接続パッド（１７ａ）および前記第２の接続パッド（１７ｂ）が、超音波ウェッジ・ボンディング技術によって形成されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
  11. 前記方法が、前記第１の接続パッド（１７ａ）および前記第２の接続パッド（１１ｂ）を設けられた前記マイクロバッテリー（１０）を、前記電気絶縁性の密封層（１８）によって覆う前に、前記第１の接続パッド（１７ａ）または前記第２の接続パッド（１７ｂ）を押圧することによって平らにするステップを含むことを特徴とする、請求項９および１０のいずれかに記載の方法。
  12. 前記圧力で平らにするステップが、１００ＭＰａから４００ＭＰａの範囲の圧力下で行われることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記カプセル封入ステップの間に、前記マトリクス（１９）が、１８０℃よりも低い温度に到達させられることを特徴とする、請求項９から１２のいずれかに記載の方法。
  14. 前記電気的接続の前に、前記電気絶縁性の密封層（１８）の前記粒子（２０）が、次式、０＜ρ＜１／ｄ３に従って直径ｄおよび密度ρを有することを特徴とする、請求項９から１３のいずれかに記載の方法。
  15. 前記電気的接続の前に、前記マトリクス（１９）中の前記導電性粒子（２０）の密度ρが、式、１／（２７×ｄ３）＜ρ＜１／（８×ｄ３）に従うことを特徴とする、請求項９から１４のいずれかに記載の方法。
  16. 前記電気絶縁性の密封層（１８）の前記粒子（２０）が、前記第１の接続パッド（１７ａ）および前記第２の接続パッド（１７ｂ）の最小寸法よりも小さい直径ｄを有することを特徴とする、請求項９から１５のいずれかに記載の方法。
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