(57)【要約】      （修正有）【課題】曲げ応力が引き起こされた際に保護能力を減らすこととなる微小クラックの発生を妨げつつ、フレキシブルで製造が簡単な装置を提供する。【解決手段】フレキシブル支持体１の上に設けられたマイクロ電池２のパッケージ装置であり、マイクロ電池２全体の上に積層された保護層３を形成する少なくとも１つの薄膜と、保護層３の上のフレキシブル補償カバー５と、を備える。カバー５は、アセンブリのニュートラル面がマイクロ電池２の表面に位置するような厚さｔｃｏｍｐとヤング率Ｅｃｏｍｐとを有する、例えば高分子といった材料から形成される。カバー５の厚さは、±３０％の精度を持って、式ｔｃｏｍｐ＝ｔｓｕｂ/√ηによって、計算され、この式において、ｔｓｕｂは、支持体１の厚さであり、ηは、カバー５と支持体１とのヤング率の比である。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヤング率Ｅｓｕｂと厚さｔｓｕｂとを有するフレキシブル支持体（１）の表面に設けられたマイクロ電池（２）のパッケージ装置であり、保護層（３）を形成し、且つ、前記マイクロ電池全体と前記マイクロ電池周辺において前記フレキシブル支持体の表面とを覆う薄膜を、少なくとも１つ備えるものであって、前記パッケージ装置は、前記保護層（３）の上に設けられ、且つ、ヤング率Ｅｃｏｍｐと厚さｔｃｏｍｐとを有する材料から形成されたフレキシブル補償カバー（５）を備え、前記ヤング率Ｅｃｏｍｐと前記厚さｔｃｏｍｐとは、±３０％の精度を持って、
【数１】
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なる式を満足するように選択される、ことを特徴とするパッケージ装置。
【請求項２】
前記精度が±１０％であることを特徴とする請求項１に記載のパッケージ装置。
【請求項３】
前記支持体（１）と前記カバー（５）とが、同じ材料から形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のパッケージ装置。
【請求項４】
前記カバー（５）を形成する材料は、高分子であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のパッケージ装置。
【請求項５】
前記カバー（５）は、前記マイクロ電池（２）と比して少なくとも５倍厚いことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のパッケージ装置。
【請求項６】
前記支持体（１）の上に前記マイクロ電池（２）を形成し、前記保護層（３）を形成し、及び、前記フレキシブルカバー（５）を形成することを備え、前記フレキシブルカバーは、ヤング率Ｅｃｏｍｐと厚さｔｃｏｍｐとを有し、前記ヤング率Ｅｃｏｍｐと前記厚さｔｃｏｍｐとは、±３０％の精度を持って、
【数２】
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なる式を満足するように選択される、ことを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つに記載のパッケージ装置の製造のための方法。
【請求項７】
連続的に、前記カバー（５）の上に薄膜を積層することにより前記保護層（３）を形成し、前記マイクロ電池（２）が設けられた前記支持体（１）の上に、前記保護層によって覆われた前記カバーを、接着剤により固定することを備えることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記接着剤は、エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記マイクロ電池（２）と前記支持体（１）との上にあらかじめ積層された前記保護層（３）の上への積層によって、前記カバー（５）を形成することを備えることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記カバー（５）の形成工程はスピンコートによって行われることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記カバー（５）を形成する材料は、エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項６から１０のいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヤング率Ｅｓｕｂと厚さｔｓｕｂとを有するフレキシブル支持体（flexible support）の表面に設けられたマイクロ電池（microbattery）のパッケージ装置（packaging device）に関し、装置は、保護層（protective barrier）を形成し、且つ、マイクロ電池全体とマイクロ電池周辺においてフレキシブル支持体の表面とを覆う薄膜を、少なくとも１つ備える。
【０００２】
また、本発明は、このような装置の製造のための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
リチウムマイクロ電池は、通常、電解質（electrolyte）によって分離された２つの電極（正極及び負極）から形成される。さらに、このようなマイクロ電池は、例えば、白金、タングステンから形成される金属カレントコレクター（metal current collector）を備える。正極は、例えばＴｉＯＳといった、良好なイオン伝導性（ionic conductivity）を有する材料から形成される。電解質は、ＬｉＰＯＮといった高いイオン伝導性を有する絶縁体（electric insulator）である。負極は、例えば、金属リチウムから形成される。リチウムを含む材料は、空気、特に、酸素、窒素、水蒸気（moisture）に対して敏感であり、リチウムを含む材料は、不活性ガス気密保護層（inert gas-tight protective barrier）により覆う必要がある。パッケージを極めることは、長時間マイクロ電池の効率を調整する主な要素である。
【０００４】
第１のパッケージの解決法は、通常ガラスで形成された厚さ約１ｍｍのカバーをコンポーネントの上に接着することで構成される。このパッケージ装置は、コンポーネント中における化学種（species）の拡散を大幅に減らすという利点を示すものである。しかしながら、このカバーは、電池の厚さと比べて厚く、フレキシブルなものではない。ＲＦＩＤタグ（無線ＩＣタグ（Radio Frequency Identification tags））や空気式タイヤ（pneumatic tire）と一体になったセンサーといった数多くのアプリケーションにおいては、マイクロ電池／パッケージ装置のアセンブルの高い程度のフレキシビリティは、維持される必要がある。
【０００５】
技術的解決法の一般的なものは、マイクロ電池の上の保護層を形成する少なくとも１つの薄膜を備えるパッケージ装置の積層から構成される。図１は、基板によって形成されたフレキシブル支持体１の上にあって、このような保護層３に覆われたマイクロ電池２を示す。薄膜の積層によるこれらのパッケージ装置の膜厚は、５０μｍを超えることはない。この膜厚を超えると、用いられた積層技術は、実際には、適切なものではなく、パッケージ装置の内部の機械的ストレスは、拡散バリヤー効果（diffusion barrier effect）の損失を招く。
【０００６】
高分子材料は、フレキシブルパッケージ装置（flexible packaging device）の製造に対して興味深い機械的性質を有する。しかしながら、これらは、リチウムと反応を起こす化学種の拡散を妨げるためには、十分な性質を示すものではない。従って、これらは、常に、セラミックス、又は、金属の高密度材料(dense material)の少なくとも１つの層と一体となる。
【０００７】
ＵＳ５，５６１，００４には、薄膜リチウム電池のためのパッケージ装置が記載されている。パッケージ装置は、マイクロ電池の上に積層された、例えば、パリレン（parylene）から形成された第１の高分子層を備える。この第１の層の目的の１つは、基板の粗さと関係する欠陥を制限することであり、もう１つは、コンポーネントを用いた場合、コンポーネントの変形を調整することである。装置は、必然的に、保護層を形成する第２層を備える。この保護層は、例えば、セラミックス材料、又は、金属材料によって形成される。効果をあげるために、この保護層は、セラミックス、又は、金属の層の重ね合わせ（superposition）で構成される。膜が薄いこと（数ミクロン）と高分子の性質とにより、この装置は、ガラスのカバーよりも高いフレキシブル性を示す。しかしながら、そのフレキシブルレンジ（flexional range）は、制限されている。実際には、高い曲げ応力（flexional stress）のために、微小クラック（microcracks）が薄膜パッケージ装置の中に生成し、その結果、保護能力（protection）を弱くする。
【０００８】
図２及び３に、それぞれ、静止時(rest)と屈曲時（flexion）とにおける、１次元構造（one-dimensional structure）４が示されている。図４は、屈曲時のこのような構造におけるストレスを模式的に示す。曲げることによる構造４の変形は、上面の減少と下面の増加とを与えることとなり、又、曲げる方向に応じては、逆の場合もある。従って、構造には、第１部分（図４の上部）における圧力（compressive stress）と、第２の部分（図４の下部）における引っ張り力（tension stress）と、が与えられる。構造４の中間においては、圧力と引っ張り力とは互いに補いあい、例えば、力（stress）がゼロとなる領域（一点斜線で示される）であるニュートラル面(neutral plane)を形成する。
【０００９】
従来においては、マイクロ電池は、機械的支持体として働く基板のうえに積層される。基板は、通常、１００μｍから数ミリメートルの間の厚さを有し、一方、マイクロ電池は、通常、５から１０μｍの間の厚さを有する。従って、図５及び６に示されるように、例えば基板といった構造４の表面に配置されたマイクロ電池２は、高いストレス領域中にあることとなる。よって、微小クラックは、パッケージ装置の中に存在する可能性がある（図５及び６中には図示せず）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、従来技術の欠点を克服するマイクロ電池パッケージ装置を提供することである。さらに、本発明の目的は、曲げ応力が引き起こされた際に保護能力を減らすこととなる微小クラックの発生を妨げつつ、フレキシブルで製造が簡単な装置を提供することである。
【００１１】
本発明によれば、この目的は、以下のこと、すなわち、ヤング率Ｅｓｕｂと厚さｔｓｕｂとを有するフレキシブル支持体の表面に設けられたマイクロ電池のパッケージ装置が、保護層を形成し、且つ、マイクロ電池全体とマイクロ電池周辺においてフレキシブル支持体の表面とを覆う薄膜を、少なくとも１つ備えることと、装置が、保護層の上に設けられ、且つ、ヤング率Ｅｃｏｍｐと厚さｔｃｏｍｐとを有する材料から形成されるフレキシブル補償カバー（flexible compensation cover）を備え、ヤング率Ｅｃｏｍｐと厚さｔｃｏｍｐとは、±３０％の精度を持って、以下の式を満足するように選択されることと、により達成される。
【数１】
2010287572.tif 000003
【００１２】
本発明のさらなる目的は、このような装置の製造のための方法を提供することである。
【００１３】
方法は、支持体の上にマイクロ電池を形成し、保護層を形成し、及び、フレキシブルカバーを形成することを備え、フレキシブルカバーは、±３０％の精度を持って、以下の式を満足するように選択されるヤング率Ｅｃｏｍｐと厚さｔｃｏｍｐとを有する。
【数２】
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【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来技術によるマイクロ電池のパッケージ装置を示す図である。
【図２】静止時の構造を模式的に示す図である。
【図３】曲げ応力を与えた時の構造を模式的に示す図である。
【図４】図３の構造における機械的ストレスを模式的に示す図である。
【図５】曲げた状態にある従来技術によるマイクロ電池を備える構造を示す図である。
【図６】図５の構造におけるストレスを模式的に示す図である。
【図７】曲げた状態にある本発明によるマイクロ電池を備える構造を示す図である。
【図８】図７の構造におけるストレスを模式的に示す図である。
【図９】本発明によるマイクロ電池パッケージ装置を示す図である。
【図１０】複合構造（composite structure）を示す図である。
【図１１】図１０の複合構造と等しい非複合構造(non-composite structure)を示す図である。
【図１２】カバーの厚さに対する図１０の構造におけるニュートラル面の位置を示す図である。
【図１３】本発明による装置の特有の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
他の利点及び特徴は、本発明の特定の実施形態についての下記の説明により、さらに明らかにされる。本発明の特定の実施形態は、単なる例示であって、本発明を限定するものではない。本発明の特定の実施形態は、添付の図面により示される。
【００１６】
図７の好ましい実施形態においては、その保護層（不図示）によって覆われた電池２は、構造４のニュートラル面（一点鎖線で示される）と可能な限り近くに位置する。ニュートラル面、又は、ニュートラル軸（neutral axis）と呼ばれるこの領域においては、曲げが生じた際の機械的ストレスが最小であり（図８）、保護層は完全な状態（integrity）を維持する。このような構造は図９に示される。フレキシブル支持体１の表面の上に配置されたマイクロ電池２のパッケージ装置は、保護層３を形成する少なくとも１つの薄膜と、フレキシブル補償カバー５と、を備える。カバー５によって覆われる保護層３は、マイクロ電池２の上と、マイクロ電池周辺における支持体１の上と、に配置される。
【００１７】
補償カバー５は、支持体１と等しい機械的性質から選択される厚さとヤング率とを有する材料から形成される。カバーの厚さとヤング率とは、フレキシブル支持体の上であって、この支持体／マイクロ電池／カバーの複合構造のニュートラル面と可能な限り近くに配置されるマイクロ電池に適したものから選択される。カバー５は、それだけで、化学種の拡散に対抗する保護膜（protective layer）を構成するのではなく、よって、マイクロ電池にできるかぎり近くに配置される保護層３を形成する少なくとも１つの薄膜と常に一体となる。保護層は、通常、誘電体もしくは金属の層により、又は、高分子／金属もしくは高分子／誘電体の層により、形成される。
【００１８】
図１０は、例えば、第１の材料の層と、第１の材料と異なる第２の材料の層との複合構造といった、複合構造を示す。上の層は、例えば、厚さｔｃｏｍｐとヤング率Ｅｃｏｍｐとを有する補償カバー５に対応する。下の層は、例えば、Ｅｃｏｍｐと異なるヤング率Ｅｓｕｂと、厚さｔｓｕｂとを有するフレキシブル支持体に対応する。基準材料として１つの層を決めた場合、他の層は、この基準層と同じ材料の層とみなすことができる。ただし、他の層は、ヤング率の比に比例した幅を持つ。例えば、図１１においては、フレキシブル支持体は基準材料から選択される（Ｅｓｕｂ及びｔｓｕｂ）。同じ材料（Ｅｓｕｂ）の補償カバーの幅ｂｃｏｍｐは、以下の式によって与えられる。
【数３】
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【００１９】
η＝Ｅｃｏｐｍ／Ｅｓｕｂは、２つの層のヤング率の比を表わす。従って、図１１は、図１０に示される構造と等しい非複合構造が示される。この等しい非複合構造から、ニュートラル面、又は、ニュートラル軸の位置の計算を行うことができる。Ｚ軸に沿ったニュートラル面の位置は、層の数ｎに対する以下の式によって与えられる。
【数４】
2010287572.tif 000006
【００２０】
Ｚｉは、各層のニュートラル軸のＺ軸の座標であり、例えば、各層の中間である。Ａｉは、Ｘ−Ｚ平面における各層の断面の表面である。例えば、図１１においては、ボトム層においては、Ｚｉ＝ｔｓｕｂ／２である。図１１の構造においては、式２は、以下のように表わされる。
【数５】
2010287572.tif 000007
【００２１】
支持体の幅ｂｓｕｂと式１によるヤング率の比ηとの関数として表わされる補償カバーの幅ｂｃｏｍｐは、この式を単純なものとする。
【数６】
2010287572.tif 000008
【００２２】
後者の式は、ヤング率の異なる材料のフレキシブル支持体／カバーの複合構造におけるニュートラル面のＺ軸上の位置を計算することを可能にする。
【００２３】
図１２は、異なる値のηごとの、１００μｍの支持体厚さｔｓｕｂにおける、補償カバーの厚さｔｃｏｍｐに対する位置Ｓを示す。図１２の異なるプロットは、例えば、１００μｍといった、支持体と補償カバーとの間の界面に、構造のニュートラル面を位置させる必要がないことを示す。補償カバーの厚さｔｃｏｍｐとヤング率Ｅｃｏｍｐとは、カバーの材料と関係があり、従って、支持体とカバーとの間の界面にニュートラル面が位置するように選択されるべきである。この場合、Ｓは、支持体の厚さｔｓｕｂに等しく、式４を単純なものとすることができる。
【数７】
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【００２４】
従って、式５は、カバーの厚さｔｃｏｍｐを、ヤング率と支持体の厚さｔｓｕｂとに従って計算することを可能にするものであり、それにより、この構造のニュートラル面を、支持体の上面の近くに位置させることとなる。この場合、この構造は、バランスがとれているといわれる。例えば、支持体／マイクロ電池／カバーといった３つの層を有する構造の場合、支持体／カバーの対についてバランスがとれている際には、ニュートラル面は、この例のマイクロ電池の中間層（intermediate layer）に位置することとなる。マイクロ電池がニュートラル面の近くに配置されている場合、マイクロ電池には、曲げられた際、少ないストレスが加えられることとなる。
【００２５】
図１２の例において、η＝０．０１、基板の厚さ１００μｍであって、１００μｍに配置されたニュートラル面は、１０００μｍとなるカバーの厚さｔｃｏｍｐを与える。カバー材料が支持体のものの１００分の１の大きさのヤング率を持つ場合、その厚さは、支持体のものの１０倍となる。他の例においては、η＝１００、カバーの厚さｔｃｏｍｐが１０μｍとして得られた場合、同様にして、ニュートラル面は１００μｍに位置する。
【００２６】
補償カバーの厚さは、±３０％の精度をもって、式５から計算される。好ましい実施形態においては、精度は、±１０％である。さらに、カバーの厚さは、好ましくは、マイクロ電池及び保護層のものと比べて少なくとも５倍であり、これによって、マイクロ電池の中のストレスレベルを減少させることができる。
【００２７】
先に述べたパッケージ装置は、フレキシブルであり、カバーの材料は、好ましくは、高分子群（polymer family）から選択される。カバー材料は、ヤング率（単位：ＭＰａ）を伴う、以下の網羅的でないリストから選択することができる。
ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）  ２３００から３２００
ポリアミド                          ３０００から５０００
ポリカーボネイト（ＰＣ）            ２３００
ポリエチレン（ＰＥ）                ２００から７００
ポリスチレン（ＰＳ）                ３０００から３４００
ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）            ３０００
ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）  ５００から１５００
ポリテトラフロロエチレン（ＰＶＦＥ）７５０
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）    ３５０から１１００
ポリプロピレン（ＰＰ）              １５００
ポリキシリレン（ＰＰＸ）            ２４００から３２００
シリコーン                          ５から５００
ポリイミド                          ３２００
エポキシ樹脂                        ３５００
【００２８】
実際には、カバーは、全ての場所において式５が通用するように、マイクロ電池としっかりと結合されなければならない。マイクロ電池及び保護層の上にカバーを積層する技術は、特に最適なものである。化学気相成長法（ＣＶＤ）、スピンコート、及び、インクジェット積層（ink-jet deposition）、を用いることができる。他の結合形成（bonding）技術、又は、高温ラミネーション（hot lamination）技術も可能である。一方で、周辺において接着繊維（adhesive thread）を用いる結合形成技術は、最適ではない。
【００２９】
図１３の特有の実施形態においては、補償カバー及び支持体は、例えば、カプトン（kapton）といった、同じ材料で形成される。マイクロ電池２は、厚さ１５０μｍのカプトンの基板の上に積層され、このカプトン基板は、機械的支持体１として働き、且つ、約２００ｎｍの厚さを持つタングステン層６に覆われている。保護層３は、例えば、約１００ｎｍの厚さの酸化シリコン（ＳｉＯ２）及び約５０ｎｍの厚さの窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）を交互に堆積した、５つの薄膜を連続的に積層することにより形成される。この保護層３は、厚さ１５０μｍのカプトンカバー５の上に積層される。保護層に覆われたカバー５は、重ねられることにより、マイクロ電池及び支持体の上に固定されている。接着剤は、例えばエポキシ樹脂といった、図１３中の層７として示される。カバー５を、マイクロ電池２及び支持体１に固定することができる接着剤の架橋結合（Cross-linking）は、好ましくは、紫外線に露光することにより、行われる。
【００３０】
他の実施形態においては、マイクロ電池は、約１００ｎｍの窒化シリコン層により覆われた５０μｍの厚さを持つポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）から形成される支持体の上に積層される。直接マイクロ電池及びその基板の上に積層された保護層は、真空蒸着により形成された厚さ２μｍのパリレン（parylene）層と、真空マグネトロンスパッタリングにより形成された厚さ約２００ｎｍのチタン層とを重ねることによって組み立てられる。最終的には、補償カバーは、３５μｍのエポキシ樹脂のスピンコートと、５０分間の紫外線露光による架橋結合とにより、形成される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【外国語明細書】
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