堆叠式电池结构制造技术

公开了一种与电池结构有关的技术。制备基础衬底和具有支撑衬底的电池层。电池层包括形成在支撑衬底上的保护层，形成在该保护层上的薄膜电池元件以及覆盖该薄膜电池元件的绝缘体。将电池层放置在基础衬底上，并使支撑衬底的底部朝上。然后至少部分地通过蚀刻从电池层去除支撑衬底，并且通过保护层保护薄膜电池元件。还公开了包括基础衬底和两个或更多个电池层的堆叠式电池结构。

Stackable battery structure

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】堆叠式电池结构
本专利技术总体上涉及电池技术，更具体地，涉及一种堆叠式电池结构及其制造方法。本专利技术还涉及一种制造堆叠结构的方法。
技术介绍
最近，因其占地面积小并且安全，固体薄膜电池(STFB)作为用于物联网(IoT)设备的有前途的可充电电池引起了人们的关注。但是，通常，STFB没有足够的能量容量。由于阴极厚度的限制而限制了STFB的容量，并且已知STFB的增厚在技术上是困难的，因此堆叠(或3维包装)是使用STFB扩大电池容量的解决方案之一。然而，在其上制造STFB的衬底的厚度成为实现大容量电池的瓶颈。在半导体器件制造工艺领域中，晶片背面研磨，其作为通过机械研磨来减小晶片厚度的工艺，被称为晶片变薄的最通用技术。然而，在应用晶片背面研磨工艺以制造堆叠膜电池结构时存在若干缺点。这样的缺点包括可以通过机械研磨来变薄的衬底厚度的限制。即使晶片可以变薄至75至50微米，其厚度仍比STFB的厚度厚几倍，而STFB的厚度可以小于或等于十微米(微米)。已经提出了包括第一薄膜电池和第二薄膜电池的层压薄膜电池，其中正极集电器和负极集电器形成在第一表面上，并且第一薄膜电池和第二薄膜电池被层压在其中，这种类型使得各个第一表面彼此面对(美国专利号9,634,334)。然而，在其上制造薄膜电池的衬底的厚度仍然是实现大容量电池的瓶颈。还提出了包括多层锂电化学电池的单片集成的薄膜固态锂电池装置(美国专利申请US2012/0058380)。然而，由于通过物理气相沉积技术顺序地制造锂电化学电池的多层，因此在集成的薄膜固态锂电池装置中可用于正极的材料受到限制。诸如LiCoO2的阴极材料需要无法使用的高温退火工艺，因为从其他部件的耐热性的视角来看，这使得顺序堆叠变得困难。因此，需要一种新颖的电池结构，该电池结构能够在保持其容量的同时使电池结构的总厚度变薄。
技术实现思路
根据本专利技术的实施例，提供了一种用于制造堆叠式电池结构的方法。该方法包括制备基础衬底。该方法还包括制备形成在支撑衬底上的电池层，其中该电池层包括形成在支撑衬底上的保护层，形成在该保护层上的薄膜电池元件以及覆盖该薄膜电池元件的绝缘体。该方法还包括将电池层放置在基础衬底上，并使支撑衬底的底部朝上。该方法还包括至少部分地通过蚀刻从电池层去除支撑衬底，并且通过保护层保护薄膜电池元件。通过根据本专利技术的实施例的方法制造的堆叠式电池结构可以具有更薄的总厚度，同时保持堆叠式电池结构的容量和生产成本，其较低时由于在其上形成有薄膜电池的支撑衬底可以变薄或者通过蚀刻而去除，并且保护薄膜电池元件。在优选的实施例中，该方法还包括交替地重复：堆叠形成在另一支撑衬底的另一个电池层，该另一支撑衬底的底部朝上，并且通过蚀刻至少部分地从该另一电池层移除该另一支撑衬底，直到堆叠期望数量的电池层。附加电池层包括保护层、薄膜电池元件和绝缘体。从而，可以在保持电池结构的总厚度的同时增大堆叠的电池结构的容量。由于通过堆叠一层电池层而增加的厚度较小，因此在一定的厚度内可以增加堆叠的电池层的数量。在其他优选实施例中，去除支撑衬底包括湿蚀刻支撑衬底直到到达保护层。由于可以通过成本有效的湿法蚀刻完全去除支撑衬底，而不会损坏保护层后面的薄膜电池元件，因此可以在抑制由于衬底变薄而导致的制造成本增加的同时，尽可能减小总厚度。在另外的优选实施例中，支撑衬底由玻璃材料制成，湿法蚀刻可以包括使用缓冲氢氟酸(BHF)溶液的蚀刻，保护层用作对BHF溶液蚀刻停止层，并且基础衬底由对BHF溶液具有抵抗力的材料制成。因此，可以增加去除支撑衬底的产量，并且可以不需要用于保护基础衬底的工具或材料。在进一步的优选实施例中，提供基础衬底，其上形成有基础电池层，该基础电池层包括在基础衬底上形成的薄膜电池元件和覆盖在基础衬底上形成的薄膜电池元件的绝缘体。在将电池层放置在基础衬底上时，将电池层放置在基础电池层的绝缘体上。这使得制造工艺更有效。在其他优选的实施例中，各电池层中的薄膜电池元件具有集电器和与该集电器接触的电池单元。该方法还包括在电池层中形成通孔，以延伸穿过至少一层到该至少一层之下的层，其中通过蚀刻去除直到该层的支撑衬底。该方法还包括在通孔洞中填充导电材料或在通孔洞的内表面上沉积导电材料以形成电连接到电池层中的至少一个集电器的导电路径。由于可以共同制造延伸至少两个电池层的通孔，因此可以简化导电路径的制造工艺。在其他优选实施例中，形成通孔洞的步骤包括通过激光加工在电池层中钻通至少一个保护层和至少一个绝缘体并且保留集电器。因此可以减少导电路径的制造成本。在其他优选实施例中，通孔洞具有多个部分，并且多个部分具有至少一个水平尺寸，该水平尺寸在基础衬底上的堆叠的电池层中从底部到顶部扩大并且相对于基础衬底的水平面彼此重叠。导电路径与不同电池层中的多个集电器的具有触点，其中每个触点在多个集电器中的每个的表面处获得。因此，可以改善导电路径与集电器之间的触点的可靠性。根据本专利技术的其他实施例，提供了一种堆叠式电池结构，其包括基础衬底和在基础衬底上的两个或更多个电池层。每个电池层包括保护层、在保护层上形成的薄膜电池元件、覆盖薄膜电池元件的绝缘体。在堆叠式电池结构中，电池层相对于基础衬底以倒置的方式堆叠，使得每个绝缘体在基础衬底侧，每个保护层在与基础衬底侧和粘结到电池层的下一层的电池层的上一层绝缘体相反的一侧。根据本专利技术的实施例的堆叠式电池结构在保持其容量的同时可以具有更薄的总厚度，或者在保持电池结构的总厚度的同时可以具有大的容量。由于通过堆叠一层电池层而增加的厚度较小，因此在一定的厚度内可以增加堆叠的电池层的数量。在其他优选实施例中，电池层中的上一层的绝缘体具有结合到电池层中的下一层的保护层的表面。在另一优选实施例中，在上一层的绝缘体和下一层的保护层之间没有刚性材料。这使得可以减小总厚度。根据本专利技术的进一步的其他实施例，提供了一种包括电子部件和堆叠式电池结构的电子设备。堆叠式电池结构包括：基础衬底；在基础衬底上的两个或更多个电池层；以及用于将堆叠式电池结构与电子部件连接的布线层。每个电池层包括保护层。每个电池层还包括形成在保护层上的薄膜电池元件，该薄膜电池元件用于通过布线层向电子部件供电。每个电池层还包括覆盖薄膜电池元件的绝缘体。在电子设备中，电池层相对于基础衬底以倒置的方式堆叠，使得每个绝缘体在基础衬底侧，每个保护层在与基础衬底侧和粘结到电池层的下一层的电池层的上一层的绝缘体相反的一侧。根据本专利技术的另一实施例的电子设备可以具有大容量的电池，同时保持较小的电池占地面积。根据本专利技术的其他实施例，提供了一种堆叠式电池结构。通过将具有支撑衬底的电池层放置在基础衬底上且支撑衬底的底部朝上来制造堆叠式电池结构，其中电池层包括形成在支撑衬底上的保护层、形成在保护层上的薄膜电池元件、覆盖薄膜电池元件的绝缘体。通过进一步至少部分地通过蚀刻从电池层去除支撑衬底同时通过保护层保护薄膜电池元件来制造堆叠式电池结构。根据本专利技术的实施例的堆叠式电池结构可以在保持其容量的同时具有更薄的总本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制造堆叠式电池结构的方法，所述方法包括：/n制备基础衬底；/n制备形成在支撑衬底上的电池层，该电池层包括形成在所述支撑衬底上的保护层，形成在所述保护层上的薄膜电池元件以及覆盖所述薄膜电池元件的绝缘体；/n将所述电池层放置在所述基础衬底上，并使所述支撑衬底的底部朝上；以及/n至少部分地通过蚀刻从所述电池层去除所述支撑衬底，并且通过所述保护层保护所述薄膜电池元件。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170810 US 15/673,8191.一种用于制造堆叠式电池结构的方法，所述方法包括：
制备基础衬底；
制备形成在支撑衬底上的电池层，该电池层包括形成在所述支撑衬底上的保护层，形成在所述保护层上的薄膜电池元件以及覆盖所述薄膜电池元件的绝缘体；
将所述电池层放置在所述基础衬底上，并使所述支撑衬底的底部朝上；以及
至少部分地通过蚀刻从所述电池层去除所述支撑衬底，并且通过所述保护层保护所述薄膜电池元件。


2.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：直到堆叠期望数量的电池层为止，交替地重复：
堆叠另一个电池层，形成在另一个支撑衬底上，所述另一个支撑衬底的底部朝上，所述另一个电池层包括保护层、薄膜电池元件和绝缘体；以及
至少部分地通过蚀刻从所述另一个电池层去除所述另一个支撑衬底。


3.如权利要求2所述的方法，其中，每个电池层中的所述薄膜电池元件包括集电器和与所述集电器接触的电池单元，所述方法还包括：
在堆叠在所述基础衬底上的所述电池层中形成通孔洞，以贯穿至少一层延伸到该至少一层之下的一层，其中，通过蚀刻去除了向下到达该层的所述支撑衬底；以及
在所述通孔洞中填充导电材料或在所述通孔洞的内表面上沉积导电材料以形成电连接至所述电池层中的至少一个集电器的导电路径。


4.如权利要求3所述的方法，其中形成所述通孔洞包括：
通过激光加工在所述电池层中钻通至少一层保护层和至少一个绝缘体并且保留所述集电器。


5.如权利要求4所述的方法，其中，所述通孔洞具有多个部分，并且所述多个部分具有至少一个水平尺寸，所述水平尺寸在所述电池层中从底部到顶部扩大并且相对于所述基础衬底在水平面内彼此重叠，所述导电路径与不同电池层中的多个集电器具有触点，每个触点在所述多个集电器中的每个的表面处获得。


6.如权利要求3所述的方法，其中，所述方法还包括：
在所述电池层的所述顶部上构建布线层，所述布线层包括将所述导电路径与外部端子连接的导电图案。


7.如权利要求1所述的方法，其中，去除所述支撑衬底包括：
湿蚀刻所述支撑衬底直到到达所述保护层。


8.如权利要求7所述的方法，其中，所述支撑衬底由玻璃材料制成，所述湿法蚀刻包括使用缓冲的氢氟酸溶液进行蚀刻，所述保护层用作对所述缓冲的氢氟酸溶液的蚀刻停止层，并且所述基础衬底由对所述缓冲的氢氟酸溶液具有抵抗力的材料制成。


9.如权利要求1所述的方法，其中，提供所述基础衬底，其上形成有基础电池层，所述基础电池层包括在所述基础衬底上形成的薄膜电池元件和覆盖在所述基础衬底上形成的薄膜电池元件的绝缘体，在将所述电池层放置在所述基础衬底上时，将所述电池层放置在所述基础电池层的所述绝缘体上。


10.一种堆叠式电池结构，包括：
基础衬底；以及
两个或多个电池层，在所述基础衬底上，每个电池层包括：
保护层；
薄膜电池元件，在所述保护层上形成；以及
绝缘体，覆盖所述薄膜电池元件；
其中，所述电池层相对于所述基础衬底以倒置的方式堆叠，使得每个绝缘体在基础衬底侧，每个保护层在与所述基础衬底侧和粘结到所述电池层的下一层的所述电池层的上一层的所述绝缘体侧相反的一侧。


11.如权利要求10所述的堆叠式电池结构，其中，所述电池层中的所述上一层的所述绝缘体具有结合至所述电池层中的所述下一层的所述保护层的表面。


12.如权利要求11所述的堆叠式电池结构，其中，所述上一层的所述绝缘体和所述下一层的保护层之间没有刚性材料。


13.如权利要求10所述的堆叠式电池结构，其中，提供所述基础衬底，其设置有基础电池层，所述基础电池层包括在所述基础衬底上形成的薄膜电池元件和覆盖在所述基...

【专利技术属性】
技术研发人员：堀部晃启，渡边敬仁，末冈邦昭，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US