(57)【要約】【課題】特性劣化や誤動作のない集積回路と固体電池とのシステムインパッケージ、多層配線基板を提供すること。【解決手段】固体電池の保護膜を多層構造として、その内の一層の金属層が正の電位を有することにより、固体電池の充放電を担うイオンの集積回路への拡散防止を行うことができるので、特性劣化や誤動作のない集積回路と電池のシステムインパッケージや多層配線基板を提供することができる。【選択図】図３
2007026982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と、負極と、固体電解質と、を含む発電要素と、
前記発電要素の外部に保護膜とを有する固体電池であって、
前記保護膜を多層構造とし、その内の少なくとも一層が正の電位を有すること、
を特徴とする固体電池。
【請求項２】
配線基板と、
前記配線基板上に搭載された請求項１に記載の固体電池と、
配線基板上に搭載された半導体チップとを有すること、
を特徴とする電池搭載型集積回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体電池によるイオン汚染の防止に関するもので、イオン汚染を防止出来る固体電池およびそれを集積回路と共存させた電池搭載型集積回路装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化に伴い、システム・イン・パッケージ（以下、ＳｉＰともいう）と称し、複数のＩＣチップを同一パッケージに収納することが行われている（たとえば特許文献１参照）。ＳｉＰは低消費電力、高性能、実装面積削減というメリットを有するため、有望視されている。図７はチップスタック型と呼ばれる構造を示したものである。図７において、パッケージ４３の中に半導体チップ４１を３層重ね、その間をＡｕでできたワイヤー（図示せず）で接続しており、外部とは端子４２を介して接続される。
【０００３】
今後ますます実装面積削減が進むため、電池までもがＳｉＰの中に取り込まれることが予想される。そのなかでも高容量が見込めるリチウムイオン固体電池を内蔵したＳｉＰが有望視されている。
【特許文献１】特開２００４−２２８３２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、リチウムイオン固体電池において、充放電を担うリチウムイオンは半導体材料であるＳｉなどと合金を作ることが知られている。従って固体電池であっても、リチウムイオン固体池を内蔵した場合には、充放電を担うリチウムイオンによる半導体素子への汚染が懸念される。つまりリチウムイオンがリチウムイオン固体電池の保護膜を介して半導体基板へ拡散してしまい、シリコン基板上に形成された半導体素子のアルカリ金属汚染による特性劣化や誤動作の発生が懸念される。
【０００５】
本発明は、前記の課題を解決するもので、同一のパッケージや基板中に固体電池と半導体集積回路との搭載を可能とした固体電池および電池搭載集積回路装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、本発明の固体電池は、
正極と、負極と、固体電解質と、を含む発電要素と、
発電要素の外部に保護膜とを有する固体電池であって、
保護膜を多層構造とし、その内の少なくとも一層が正の電位を有すること、を特徴とする。
【０００７】
本構成により、保護膜を介して充放電を担うイオン（特にリチウムイオン）が固体電池外に拡散することを防止できる。
【０００８】
また、本発明の電池搭載集積回路装置は、
配線基板と、
配線基板上に搭載された本発明の固体電池と、
配線基板上に搭載された半導体チップとを有すること、を特徴とする。
【０００９】
本構成により、同一のパッケージや基板中に固体電池と半導体集積回路との搭載が可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の構成によれば、固体電池の充放電を担うイオンの集積回路への拡散を防止することができるので、固体電池と同一パッケージに形成される半導体素子が固体電池の充放電を担うイオンに汚染されることなくなる。従って半導体装置の特性劣化や誤動作を阻止できる。
【００１１】
さらに本発明の構成によれば、リチウムイオン電池に限らず、水素イオンを充放電を担うイオンとして用いる電池を用いた場合でも、半導体装置の特性劣化を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１および図２は、それぞれ本発明の多層保護膜を有する固体電池の概略上面図および概略断面図である。
【００１４】
図１および図２において、本発明に係る固体電池は、基板１１上に形成されている。基板１１として用いられるものは電池を構成する各層を形成するときの条件、例えば真空中でのガス放出が少ないことや、製膜時の温度などに耐えるものであれば、導電性材料でも絶縁性材料でも用いることができる。導電性基板の例としてはシリコンウエハや銅、ニッケル、チタン、モリブデン、タンタルといった金属材料などが挙げられる。また絶縁性基板としてはガラス、シリカ、アルミナ、といった無機材料、あるいはポリイミドやポリアミドといった耐熱性のプラスチックフィルムが挙げられる。
【００１５】
基板１１として用いられる材料が、リチウムと合金化反応をする場合には、反応を抑制するためのバリア層１２を設けることが必要である。例えばシリコンウエハを基板として用いた場合、その表面にプラズマＣＶＤなどの手法で酸化シリコン層といったバリア層１２を形成する必要である。
【００１６】
基板１１として絶縁性基板を用いた場合には、固体電池を形成する面に第一集電体層１３として導電性材料からなる層を形成する必要がある。一方、基板１１が導電性基板の場合には、基板の電気伝導度によるが、必要に応じて第一集電体１３を形成する。
【００１７】
その上に発電要素を形成する。まず正極活物質あるいは負極活物質のいずれかの第一活物質層１４を形成後、固体電解質層１５を形成し、その上に最初に形成した活物質層と対になる第二活物質層１６を形成する。さらに必要に応じて第二集電体層１７をその上に形成する。
【００１８】
この上に保護膜を形成するが、本発明ではこの保護膜を多層で構成し、そのうちの少なくとも１層が正の電位を有する。図１および図２では保護膜を２層で形成した例を示している。下部保護層１８を形成した後に、正の電位を印加する上部保護層１９を導電性材料で形成する。下部保護層１８で用いた材料で、上部保護層１９の上にさらに保護層を形成してもよい。またこの図１および図２では基板状１１上に形成された電池部分のみを保護膜が覆っているが、正極及び負極の集電体に接続される端子との絶縁を確保した上で、基板を含めた全体を保護膜で覆っても効果は同じである。例えばアルミラミネートフィルムを用いて発電要素全体を覆い、アルミラミネートフィルムのアルミ箔の部分に正の電位をかけてもよい。上部保護層１９に印加する正の電位が、０Ｖよりも大きく、負極に対する正極の電位よりも小さい範囲であっても、リチウムイオンが保護膜を介して拡散するのを抑制する効果は得られるが、負極に対する正極の電位以上であることが好ましい。正極以上の電位であれば、リチウムイオンが保護膜を介して拡散することはない。上限は半導体素子が絶縁破壊を起こさない程度の電圧であれば特に制限はない。
【００１９】
このようにして得られた固体電池を半導体装置（ＳｉＰ）に組み込んだ例を図３に示している。リードフレーム２１の上にまず固体電池２２を設置し、その上にマイコンチップといった半導体チップ２３を設置している。これらの装置全体を、エポキシ樹脂などで形成された半導体装置保護層２４により保護している。
【００２０】
電池のそれぞれの端子（図示せず）は半導体装置２３の電源端子（図示せず）に接続されている。さらに電池２２の正極端子は保護膜のうちの導電材料で形成された層（上部保護層１９）に接続されている。これにより半導体装置２３と固体電池２２との間に正の電位を有する層が設けられるので、電池反応に寄与するリチウムイオンが保護膜を透過して半導体装置２３へ拡散することを防止する。
【００２１】
本発明で使用できる電池としては高いエネルギー密度を持つリチウムイオン固体電池が望ましい。発電要素を形成する材料としては、正極活物質としてはコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウムあるいはこれらの混合あるいはＬｉＮｉｘＣｏ１−ｘＯ２（０＜ｘ＜１）といった複合化合物が適用できる。負極用活物質としては黒鉛やＳｎ、ＳｉおよびＮｉ３Ｓｎ４、Ｍｇ２Ｓｎといった合金や固溶体、ＳｎＯｘ（０＜ｘ＜２）、ＳｎＯ２、ＳｉＢ４、ＳｉＢ６といった化合物など、リチウムイオン電池に一般的に用いられる材料が使用できる。
【００２２】
固体電解質１４としては、有機溶媒に溶質を溶解した電解質溶液を含み高分子で非流動化されたいわゆるポリマー電解質層や、窒化リチウム（Ｌｉ３Ｎ）、リン酸リチウム（Ｌｉ３ＰＯ４）、ケイ酸リチウム（Ｌｉ４ＳｉＯ４）、硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）および窒化ホスホリルリチウム（ＬＩＰＯＮ）といったものあるいはそれらの複合体などが挙げられる。
【００２３】
発電要素を構成する各層を形成するためにはスパッタリング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、あるいはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの乾式薄膜プロセスや、活物質材料の粉体にバインダーと溶媒を加えてペーストを作り、それをドクターブレード法などで形成する方法などが適用できる。
【００２４】
発電要素を保護する保護膜を構成する材料としては、窒化シリコンといった無機物や、エポキシ樹脂といった有機材料を用いることができる。また正の電位を印加する層を形成する材料としては電気伝導性があるものであれば使用可能である。具体的にはアルミニウムや銅といった金属材料、ポリピロールやポリチオフェンといった導電性高分子材料などが使用できる。正の電位を印加する層の形成方法は発電要素を形成する場合と同様に、乾式薄膜プロセスやドクターブレード法などが適用できる。
【００２５】
以下、具体的な実施例により本発明を説明する。
【００２６】
（実施例１）
下記の手法にて図１に示す固体電池を作製した。基板１１としてサイズが縦１６ｍｍ×横１９ｍｍ厚み５２５μｍ、Ｐ型、比抵抗１０〜１５Ω・ｃｍのシリコン基板を用いて、表面にプラズマＣＶＤ法によってシリコン酸化膜でバリア層１２を１５００Å形成した。形成条件は反応ガスとしてＳｉＨ４およびＮ２Ｏ、周波数５０ｋＨｚ、出力４ｋＷでＲＦプラズマを発生させ、反応室内を３８０℃とした。その上に第一集電体１３として金属銅膜を真空蒸着装置により、縦１０ｍｍ×横１３ｍｍのパターンで形成し、その上に第一活物質１４としてグラファイトを厚み５μｍ、縦横８ｍｍで形成した。さらに、その上にＬｉ２Ｓ−ＳｉＳ２−Ｌｉ３ＰＯ４からなる固体電解質層１５を厚み２μｍ、縦横１２ｍｍで形成し、順にレーザーアブレーション法（１０−２Ｔｏｒｒ、ＹＡＧレーザー：２６６ｎｍ２０２５ｍＪ／ｃｍ２、周波数１０Ｈｚ、ショット数：３６０００）により積層した。さらにその上に、第二活物質層１６としてＬｉＣｏＯ２を厚み５μｍ、縦横８ｍｍの６４ｍｍ２でＲＦマグネトロンスパッタ法（２０ｍＴｏｒｒ、Ａｒ：Ｏ２＝３：１、導入ガス量＝２０ｍＳＣＣＭ、２００Ｗ）により形成した。それらの成膜はそれぞれ、前述のサイズが空いた金属マスク（ＳＵＳ３０４）を用いてパターニングする。その後で４００℃４時間アニールした。更にその上に第二集電体１７としてパターニングされた金属マスク（ＳＵＳ３０４）を用いて、真空蒸着法で金属アルミ膜を厚み１μｍ、縦１０ｍｍ×横１４ｍｍで形成した。
【００２７】
次にプラズマＣＶＤ法によって下部保護層１８としてシリコン窒化膜を厚み５０００Å、縦横１４ｍｍのパターンで形成した。形成条件は反応ガスとしてＳｉＨ４およびＮ２、周波数５０ｋＨｚ、出力４ｋＷでＲＦプラズマを発生させ、反応室を３８０℃とした。その上に上部保護層１９として金属アルミ膜を真空蒸着装置により、縦１２ｍｍ×横１４ｍｍのパターンで形成し、正極集電体１７と接続した。以上の成膜はそれぞれ、前述のサイズが空いた金属マスク（ＳＵＳ３０４）を用いてパターニングした。このようにして、本発明に係る固体電池２２を作製した。
【００２８】
また、比較用の固体電池として、作製方法は上記固体電池２２と同じとし、上記の上部保護層１９としての金属アルミ膜の無い固体電池Ａを作製した。図５および図６に比較例１で作製した固体電池の概略上面図および概略断面図を示す。図１および図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。このようにして得られた固体電池２２および固体電池Ａは、ぞれぞれ２００μＡｈの容量が得られた。
【００２９】
次に下記の手法にて図３に示す、固体電池を内蔵したＳｉＰを作製した。本パッケージ用に作製したリードフレーム２１（平井精密社製）上にＡｇペースト（ドータイト社製）を適量塗布して、更にその上に前述した固体電池２２を２００℃加熱により設置した。その上に液状エポキシ樹脂（日立化成工業社製：ＣＥＬ−Ｃ−１１０２）を適量塗布して、本評価用に作製したｎ型のＭＯＳトランジスタチップ２３（５Ｖ仕様、Ｖｔｈ：０．７Ｖ、松下電器産業社製試作品）を１５０℃−３時間で熱硬化にて設置した。その後、ポリウレタンで被覆された１００μｍ径の金ワイヤーで、２００℃に設定した半田コテを用いて、トランジスタ２３とリードフレーム２１、固体電池２２とリードフレーム２１をワイヤーリングした。ワイヤーリングは固体電池２２が充電されると、トランジスタ２３のドレインに電圧が印加されるようにした。この時、トランジスタ２３のゲートに１．０Ｖ以上の電圧を与えるとトランジスタ２３がオン状態となって、電流が流れ、固体電池２２が放電状態となるようにした。更にその上から液状エポキシ樹脂（日立化成工業社製：ＣＥＬ−Ｃ−１１０２）を適量塗布して、１５０℃−３時間で熱硬化してＳｉＰを作製した。
【００３０】
システムの評価はこのゲート電圧が変動するかどうかで評価した。かかる構成によれば、固体電池の表面が正極の高い電位に固定されるため、固体電池に含まれるリチウムイオンが、トランジスタへ拡散することを防止することが可能となり、汚染による半導体素子の特性劣化、誤動作の発生がない電池搭載集積回路装置となる。
【００３１】
比較用として以上のＳｉＰの作製方法と全く同じにして、前述した固体電池Ａを設置したＳｉＰも作製した。
【００３２】
（実施例２）
次に下記の手法にて図４に示す固体電池を内蔵した多層配線基板を作製した。本多層基板用に作製（松下電器社製試作品）したプリント配線基板３１上に本評価用に作製したｎ型のＭＯＳトランジスタチップ３２（５Ｖ仕様、Ｖｔｈ：０．７Ｖ、松下電器産業社製試作品）をＡｇペースト（ドータイト社製）で２００℃加熱にて設置した。その際のｎ型ＭＯＳトランジスタの端子パッドにははんだバンプが形成されており、基板３１の配線と電気的に接合するようにチップ３２を設置した。更にその上に液状エポキシ樹脂（日立化成工業社製：ＣＥＬ−Ｃ−１１０２）を適量滴下塗布して、その上に別のプリント配線基板３５を１５０℃３時間で熱硬化により設置して、その上に、実施例１で作製した固体電池２２と同じ構成を有する固体電池３３を半田で設置した。
【００３３】
ここで、プリント配線基板３１と３５とが電気的に接続するように、はんだで接続した。配線の接続は固体電池３３が充電されると、トランジスタ３２のドレインに電圧が印加されるようにした。この時、トランジスタ３２のゲートに１．０Ｖ以上の電圧を与えるとトランジスタ３２がオン状態となって、電流が流れ、固体電池３３が放電状態となるようにした。最後に液状エポキシ樹脂（日立化成工業社製：ＣＥＬ−Ｃ−１１０２）を滴下して、１５０℃−３時間で熱硬化し、多層配線基板をエポキシ樹脂３４で被覆した。システムの評価はこのゲート電圧が変動するかどうかで評価した。かかる構成によれば、固体電池の表面が正極の高い電位に固定されるため、固体電池に含まれるリチウムイオンが、トランジスタへ拡散することを防止することが可能となり、汚染による半導体素子の特性劣化、誤動作の発生がない電池搭載集積回路装置となる。
【００３４】
比較例として以上の作製方法と全く同じにして、実施例１で作製した固体電池Ａと同じ構成を有する固体電池を設置した多層配線基板も作製した。
【００３５】
（評価）
上記得られたシステムインパッケージ、多層配線基板の保存特性を次のように求めた。まず、トランジスタのゲートしきい値電圧（ドレイン電流は１μＡ）を測定したところ、１．０Ｖであった。次に充電を４０μＡの電流で４．２Ｖまで行った。その後、１５０℃の恒温槽に１０００時間保存後、トランジスタのゲートしきい値電圧を測定した。結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】
2007026982.tif 000003
【００３７】
表１から明らかなように、システムインパッケージおよび多層配線基板において、多層保護膜の固体電池と一体化したｎ型ＭＯＳトランジスタは、単層保護膜の固体電池と一体化した時に比べて、ゲートしきい値電圧の変動は小さい。これは固体電池の発電素子を覆う保護膜の表面が正電位に保たれているため、リチウムイオンが発電素子外部へ拡散し難いからと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係る固体電池は、固体電池の充放電を担うイオンの集積回路への拡散を防止することができるので、半導体装置の特性劣化や誤動作を阻止できる。
【００３９】
また、本発明に係る固体電池と半導体チップとを有する電池搭載型集積回路装置は、固体電池をＳｉＰの中に取り込めるため、実装面積を削減した電池搭載型集積回路装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明多層保護膜を有する固体電池の概略上面図
【図２】本発明多層保護膜を有する固体電池の概略断面図
【図３】本発明の実施の形態１における固体電池を内蔵したＳｉＰの概略断面図
【図４】本発明の実施例２における固体電池を内蔵した多層配線基板の概略断面図
【図５】従来の単層保護膜を有する固体電池の概略上面図
【図６】従来の単層保護膜を有する固体電池の概略断面図
【図７】従来のＳｉＰの概略断面図
【符号の説明】
【００４１】
１１    基板
１２    バリア層
１３    第一集電体層
１４    第一活物質層
１５    固体電解質層
１６    第二活物質層
１７    第二集電体層
１８    下部保護層
１９    上部保護層
２１    リードフレーム
２２    固体電池
２３    ＭＯＳトランジスタ
２４    封止樹脂
２５    Ａｕワイヤー
３１，３５    プリント配線基板
３２    ＭＯＳトランジスタ
３３    固体電解質膜
３４    封止樹脂
３６    はんだ
４１    半導体チップ
４２    端子
４３    パッケージ
【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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