(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板に搭載された少なくとも２つ以上の電気化学素子を有する積層型電気化学素子であって、
前記電気化学素子は、１対の電極と固体電解質とからなり、
それぞれの電気化学素子は絶縁層を介して前記電極面に垂直な方向に積層されており、
前記電極はタブを有し、前記タブ同士が前記電極面に垂直な方向から投影した際に重複しない位置関係に配されており、
前記基板は、前記電気化学素子が直列あるいは並列接続となるようにパターン形成されており、
前記タブは、前記パターン形成された基板に導電性物質により接続されていることを特徴とする積層型電気化学素子。
【請求項２】
前記基板がリードフレームまたはプリント配線基板であることを特徴とする請求項１記載の積層型電気化学素子。
【請求項３】
前記導電性物質はワイヤ、バンプ、ＴＡＢテープのいずれか一つであることを特徴とする請求項１記載の積層型電気化学素子。
【請求項４】
前記電気化学素子はリチウム二次電池である、請求項１から３のいずれか１項に記載の積層型電気化学素子。
【請求項５】
前記電気化学素子はキャパシタである、請求項１から３のいずれか１項に記載の積層型電気化学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型電気化学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電気化学素子としては電池、キャパシタ、エレクトロクロミック素子といったものがあるが、これらはイオンを電荷担体とするイオニクス装置である。これらのイオニクス装置ではイオンが移動する媒体として、水、有機溶媒といった液体が用いられていた。
【０００３】
イオニクス装置の一例として電池を挙げると、近年の携帯電話をはじめとする機器の小型化・高性能化に伴い、その電源である電池に対する要望も高まり、なかでも高エネルギー密度であるリチウムイオン電池の研究開発・商品化が急速に進んでいる。しかしながら、リチウムイオン電池ではイオンが移動する媒体として有機溶媒が用いられていることから少なからず漏液の可能性がある。さらに、有機溶媒は可燃性であるために漏液した際に、引火の恐れもある。これらの信頼性に関わる課題を解決するために、リチウム電池の全固体化の研究が進められている。たとえば高分子固体電解質を用いた全固体電池としては特開２０００−２５１９３９号公報、無機固体電解質を用いた全固体電池としては特開昭６０―２５７０７３号公報、特開平１０―２４７５１６号公報などがある。
【０００４】
近年ではこれら全固体電池の薄膜化の検討も多くなされるようになってきているが、電池は体積でエネルギーが決定されてしまうため、薄膜、小面積の単セルで構成した場合には、電気エネルギーを十分に得ることが困難である。この課題を解決し、容量の増大あるいは高電圧化を図るべく、同一基板内にマスクを用いたパターニングにより複数の固体電解質電池を形成し、直列または並列の接続を行うこと（特開昭６１−１６５９６５号公報）、外装体を兼ねる正極集電体と負極集電体を相対し、その間に正極活物質、固体電解質及び負極活物質を配すると共に、該集電体の周縁域を熱接着性樹脂枠体で互いに接着し、該周縁域の外側に該枠体をはみ出させた薄形電池を複数個積層し、前記枠体のはみ出た部分同士を接着して一体化すること（特開平０８−０６４２１３号公報）が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、特開昭６１−１６５９６５号公報に開示されたように同一基板内への複数の電池の形成は、高電圧あるいは高容量を得ようとした場合には、大きな投影面積が必要となる。さらに、電池構成際に煩雑なマスク工程が必要であるために、生産コストが上がるという課題がある。
【０００６】
一方、特開平０８−０６４２１３号公報に開示された方法では、厚さ方向への積層となるため、大きな投影面積は必要とならず、また、煩雑なマスク工程も含まないので生産コスト的にも特開昭６１−１６５９６５号公報に比べると有利である。しかし、プリント基板への実装に有利な薄膜で電池を形成したにもかかわらず、電極の取り出しが上下面（厚さ方向）でしか取り出すことが出来ず、別途電池ホルダー等、電池の固定器具が必要となり、基板実装が困難である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層型電気化学素は、基板と、基板に搭載された少なくとも２つ以上の電気化学素子を有する積層型電気化学素子であって、
電気化学素子は、１対の電極と固体電解質とからなり、
それぞれの電気化学素子は絶縁層を介して電極面に垂直な方向に積層されており、
電極はタブを有し、タブ同士が電極面に垂直な方向から投影した際に重複しない位置関係に配されており、
基板は、電気化学素子が直列あるいは並列接続となるようにパターン形成されており、
タブは、パターン形成された基板に導電性物質により接続されていることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、煩雑なマスク工程を用いることなく、厚さ方向に順次積層・形成された電気化学素子を基板に搭載し、ワイヤ、バンプ、ＴＡＢのいずれかの方法で電気的に接続することにより、同一平面から端子を取り出すことを可能としたものである。また、基板上にあらかじめ配線を行うことで、投影面積を増大させることなく、直列および／または並列接続を可能とし、高電圧・高容量化を達成するものである。
【０００９】
より具体的には、第１の集電体上に第１の電極層を形成し、その上に固体電解質層、さらにその上に第２の電極層、第２の集電体層を形成し、全固体電気化学素子を形成する。この際、第１、第２の集電体層には接続用のタブが引き出されており、該タブ同士が電極面に対して垂直方向からの投影時に互いに重なり合わない位置関係に設けられることが望ましい。
【００１０】
このようにして得られた電気化学素子を、ボンディングパッドを設けた基板に接続用タブからワイヤリングして、同一平面上から端子を取り出す。あるいはボンディングパッドを接続用タブ直下に設けた基板と電気化学素子を、接続用タブあるいはボンディングパッドに設けたバンプまたはＴＡＢで電気的に接続して同一平面上から端子を取り出す。その後、樹脂、ガラス等で電気化学素子を封止し、電気化学装置を得る。
【００１１】
電極層の形成は、電極材を結着材とともに溶媒中で分散・混合したペーストを金属集電体上に塗着する塗工法や印刷法、化学反応で金属集電体上に薄膜形成するＣＶＤ法のほか、スパッタ法、蒸着法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法といったＰＶＤ法、溶射、ゾルゲル法等によって行うことができる。
【００１２】
集電体としては、電子伝導性のものであれば特に制限はないが、金、白金、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル等金属や、これらの合金、あるいは電子伝導性高分子、ＩＴＯガラス等電子伝導性ガラスを用いることができるが、ハンドリング、コストの面から、銅やアルミニウムが好ましく用いられる。
【００１３】
基板としては、ボンディングパッドを形成・付与できるものであれば特に制限されないが、リードフレーム、プリント配線基板を用いることが好ましく、省スペースを図るためにはボンディングパッドを電気化学素子の投影面内に設置できることから、プリント配線基板がなお好ましい。
【００１４】
ワイヤの材質としては、一般に半導体集積回路に用いられるものであればいずれも利用可能で、金、アルミニウムが好ましく用いられるが、化学的安定性、低抵抗の面から金が好ましい。
【００１５】
バンプの材質も半導体集積回路に用いられるハンダバンプ、金バンプ等いずれのものも利用可能であるが、化学的安定性、低抵抗の面から金バンプが好ましい。
【００１６】
ＴＡＢテープの材質は一般に半導体集積回路に用いられるものであればいずれも利用可能であり、加圧接着した際に垂直方向への導通が取れる異方性導電性テープや導電性両面テープを簡便に用いることができる。さらに、異方性導電性テープを用いることは、端子間距離が短い場合や、電気化学素子が小さい場合にでも、大面積で貼付し、圧接することで導電性が発現するために、より好ましい。
【００１７】
封止に用いられる樹脂としては、半導体装置に一般的に用いられるエポキシ樹脂の他、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリパラキシリレン、液晶ポリマー、またはこれらの樹脂の誘導体やフィラーを混合した樹脂などを用いることができる。また、封止に用いられるガラスとしては、ソーダ石灰ガラス、鉛ソーダガラス、鉛カリガラス、アルミノケイ酸塩ガラス、タングステン用ガラス、モリブデン用ガラス、コバール用ガラス、ウランガラス、テレックス、バイコール、石英ガラス等封着用ガラスが用いることができ、端子材の熱膨張係数とほぼ等しい熱膨張係数を有するガラス材料を選択して用いることが好ましい。封止する方法としては、射出成型法、トランスファー成型法、ディップ法が挙げられるが、いずれの手法も用いることが可能である。
【００１８】
また、複数のセルをリードフレーム上に積層した場合、複数のアウターリードを封止材から外部に取り出した場合には、該デバイスを使用するユーザー側で直列・並列接続することにより、電気化学素子の任意の特性、すなわち、電池であれば、電圧あるいは容量、キャパシタであれば容量を変更することが可能となる。さらに、封止材内部であらかじめ結線パターンを形成しておくことにより、製造者側で、任意に直列・並列接続ができ、電池であれば、電圧あるいは容量、キャパシタであれば容量を変更することが可能となる。さらに、リードフレームを用いずに、プリント配線基板を用いた場合にも上記と同様のことができる。加えて、プリント配線基板を用いた積層型電気化学素子の場合、バンプ、あるいはＴＡＢテープ等を用いれば、１個の電気化学素子とほぼ同面積の積層型電気化学素子ができる。
【００１９】
以下に本発明の実施の形態を説明する。本実施の形態では電気化学素子としてリチウム二次電池を例にする。
【００２０】
（リチウム二次電池の発電素子の作製）
第１の集電体であるアルミニウム箔上に第１の電極層としてコバルト酸リチウムをＲＦスパッタリング法により製膜、さらにその上にＬｉ２Ｓ−ＳｉＳ２−Ｌｉ３ＰＯ４リチウムイオン導電性固体電解質を、同じくＲＦスパッタリング法で形成し、さらにその上に第２の電極層として金属リチウムを蒸着法により製膜した。その後、第２の集電体である銅箔を熱圧着してリチウム二次電池の発電素子を作製した。この発電素子は１セルあたり、２０μＡｈ、３．８Ｖになるように設計・作製した。ここで用いた集電体には電流を取り出すための端子としての接続用タブを設けた。複数の発電素子を積層する際には、投影した場合に接続用タブが重ならないように位置をずらして形成した。以下の実施の形態ではこのようにして作製したリチウム二次電池発電素子を１個ないし１４個用いた。１４個積層する場合には各素子の間にエポキシ樹脂を薄く塗布し絶縁層を設けた。
【００２１】
（参考形態１）
図１に示したようなリードフレーム１４上に図２（ａ）のように全固体リチウム二次電池発電素子２７を搭載し、接続用タブとリードフレーム２５上のリード２３を２０μｍの金ワイヤ２４で接続したのち、図２（ｂ）中破線部をエポキシ樹脂２６にて封止し、開回路電圧３．８Ｖ、容量２０μＡｈのリチウム二次電池を得た。
【００２２】
封止樹脂はポキシ樹脂を用いたが、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリパラキシリレン、液晶ポリマー、またはこれらの樹脂の誘導体やフィラーを混合した樹脂などを用いることができ、透湿性・耐熱性の観点から液晶ポリマーや、ポリパラキシリレンがなお好ましい。また、ガラス封止することも可能で、封止ガラスとしてはソーダ石灰ガラス、鉛ソーダガラス、鉛カリガラス、アルミノケイ酸塩ガラス、タングステン用ガラス、モリブデン用ガラス、コバール用ガラス、ウランガラス、テレックス、バイコール、石英ガラス等封着用ガラスが用いることができ、リードフレームの端子材の熱膨張係数とほぼ等しい熱膨張係数を有するガラス材料を選択して用いることが好ましい。
【００２３】
（参考形態２）
図１に示したリードフレーム１４を用い、図３（ａ）に示す、リチウム二次電池発電素子３６の接続用タブおよびダイパッド３１に金バンプ３７を形成し、該リードフレーム上にリチウム二次電池発電素子を搭載した形態を作製した。金バンプ３７でリードフレーム３４に電気的に接続した後、図３（ｂ）中破線部は液晶ポリマー３５を用いて封止し、リチウム二次電池を得た。ここで、金バンプに代えて、異方性導電性テープ、あるいは導電性テープを用いて電気的接続を行うことも可能である。
【００２４】
（実施の形態１）
図４（ｂ）に積層型リチウム二次電池を示した。図４（ａ）はパターンの形状を示す。全固体リチウム二次電池発電素子を７ピンずつ四方に配置し、１４セル積層したものを、７ピンずつ四方に配置した２８ピンクワッドタイプのリードフレームに搭載し、接続用タブとリードフレーム上のリードを２０μｍの金ワイヤで接続したのち、図４（ｃ）中破線部はエポキシ樹脂を用いて封止し、リチウム二次電池を得た。このリチウム二次電池は端子として２８ピンがあるため、使用者側で直列、並列を自在に構成することができる。たとえば、単独で１４個の電池として利用することも可能であるし、３セルを直列にしたものを２組並列結線し、残り８セルを並列にすることで、１１．４Ｖ、４０μＡｈの電池と、３．８Ｖ、１６０μＡｈの電池を構成することができる。
【００２５】
（実施の形態２）
図５（ｂ）に積層型リチウム二次電池を示した。図５（ａ）は本実施の形態に用いたパターンを示す。リチウム二次電池発電素子を７ピンずつ四方に配置し、１４セル積層したものを、７ピンずつ四方に配置した２８ピンクワッドタイプのリードフレームに搭載し、接続用タブに金バンプを形成し、リードフレーム上のリードと電気的に接続したのち、図５（ｃ）中破線部はエポキシ樹脂５５を用いて封止し、全固体リチウム二次電池を得た。ここで、金バンプに代えて、異方性導電性テープを用いて電気的接続を行うことも可能である。
【００２６】
このリチウム二次電池は端子として２８ピンがあるため、使用者側で直列、並列を自在に構成することができる。たとえば、単独で１４個の電池として利用することも可能であるし、３セルを直列にしたものを２組並列結線し、残り８セルを並列にすることで、１１．４Ｖ、４０μＡｈの電池と、３．８Ｖ、１６０μＡｈの電池を構成することができる。
【００２７】
（実施の形態３）
図６にリチウム二次電池発電素子を７ピンずつ四方に配置し、１４セル積層したもの接続用タブの配置を示した。正極、負極を７ピンずつ同一辺上に配列させ、隣接する２辺上に正極、負極が配置されるようにした。図６中の数字はピンの位置を示すものであり、プラス・マイナス表示は正極と負極を表示する。該積層型全固体リチウム二次電池発電素子を、異方性導電性テープを貼付した７ピンずつ四方に配置したうえ、正極、負極が接続されるリードを、並列接続した２８ピンクワッドタイプのリードフレームに搭載し、接続用タブを圧接することで図７（ａ）に示すアウターリード７４とインナーリード７３と電気的に接続したのち、図７（ａ）中の７５はエポキシ樹脂封止部である。この工程の次に、不要なフレームを切断し、図７（ｂ）に示す全固体リチウム二次電池を得た。ここで、異方性導電性テープに代えて、金バンプを用いて電気的接続を行うことも可能である。このようにして得られた全固体リチウム二次電池は３.８Ｖ、２８０μＡｈであった。
【００２８】
（実施の形態４）
図６に示したように１辺に同一極性の接続用タブを引き出した積層型リチウム二次電池発電素子を、図８（ａ）に示したパターンを形成したプリント配線基板８１上に搭載し、パターン上に異方性導電性テープを貼付し、接続用タブを圧接し、上部を液晶ポリマーで封止し、１４セル並列接続の３．８Ｖ、２８０μＡｈの全固体リチウム二次電池を得た。
【００２９】
（実施の形態５）
図６に示したように１辺に同一極性の接続用タブを引き出した積層型リチウム二次電池発電素子を、図９に示したパターンを形成したプリント配線基板９１上に搭載し、パターン上に異方性導電性テープを貼付し、接続用タブを圧接し、上部を液晶ポリマーで封止し、１４セル直列接続の５３.２Ｖ、２０μＡｈの全固体リチウム二次電池を得た。
【００３０】
（実施の形態６）
図６に示したように１辺に同一極性の接続用タブを引き出した積層型リチウム二次電池発電素子を、図１０に示したような両面配線パターンを形成したプリント配線基板１０１上に搭載し、パターン上に異方性導電性テープを貼付し、接続用タブを圧接し、上部をエポキシ樹脂で封止し、１４セル直列接続の５３.２Ｖ、２０μＡｈの全固体リチウム二次電池を得た。
【００３１】
（実施の形態７）
図１１、図中の数字はピンの位置を示すものであり、プラス・マイナス表示は正極と負極を表示、に示したように第１の発電素子の正極、第２の発電素子の負極、第３の発電素子の正極の順に接続用タブ１１１が配列されるように積層されたリチウム二次電池発電素子を、図１２（ａ）に示したように直列接続がなされるようなリードフレーム１２１上に搭載し、導電性両面テープでプリント配線基板と電気的に接続し、上部を液晶ポリマーで封止し、１４セル直列接続の５３.２Ｖ、２０μＡｈのリチウム二次電池を得た（図１２（ｂ））。
【００３２】
（実施の形態８）
図１１に示したように第１の発電素子の正極、第２の発電素子の負極、第３の発電素子の正極の順に接続用タブが配列されるように積層されたリチウム二次電池発電素子を、図１３に示したように直列接続がなされるような配線パターンを形成したプリント配線基板１３１上に搭載し、導電性両面テープでプリント配線基板と電気的に接続し、上部を液晶ポリマー１２５で封止し、１４セル直列接続の５３.２Ｖ、２０μＡｈのリチウム二次電池を得た。
【００３３】
（実施の形態９）
リチウム二次電池発電素子を図１４（ａ）に示したようにディスク状に作成した。単セルあたりの容量は１６μＡｈ、電圧は３.８Ｖである。このような形状にすると、集電体の形状を複数種必要とせず、単一形状のもののみからなるため、製造時の金型、パーツを削減できることから、製造効率を高めることが可能である。このような発電素子を１４セル積層したものを図１４（ｂ）に示した。この発電素子を図８に示した配線パターンを形成したプリント配線基板に搭載し、パターン上に異方性導電性テープを貼付し、接続用タブを圧接し、上部を液晶ポリマーで封止し、図８（ｂ）に示した１４セル並列接続の３．８Ｖ、２２４μＡｈのリチウム二次電池を得た。
【００３４】
本発明の実施の形態では、正極にコバルト酸リチウム、負極に金属リチウム、固体電解質としてＬｉ２Ｓ−ＳｉＳ２−Ｌｉ３ＰＯ４固体電解質を用いたリチウム二次電池を例にあげたが、本発明はこれら材料に依存しないことは自明であり、これらの材料およびデバイスに限定されるものではない。
【００３５】
また、本発明の実施の形態では電気化学素子をディスクリート装置として作製したが、コンデンサ、抵抗、集積回路等と同時搭載されるハイブリッドＩＣ、あるいはプリント配線基板、ＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ  ｉｎ  Ｐａｃｋａｇｅ）、ＣＯＢ（Ｃｈｉｐ  ｏｎ  Ｂｏａｄ）等への適用が可能であり、ディスクリート装置に限定されるものではない。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、投影面積が小さくなり、信頼性が高く、エネルギー密度の高い積層型全固体電気化学が生産性よく得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の参考形態であるリードフレームの構造を示す図
【図２】  本発明の第１の参考形態である電気化学素子を具備するリードフレームの構造およびその実装物の斜視図
【図３】  本発明の第２の参考形態である電気化学素子を具備するリードフレームの構造およびその実装物の斜視図
【図４】  本発明の第１の実施の形態である電気化学素子を具備するリードフレームの構造およびその実装物の斜視図
【図５】  本発明の第２の実施の形態である電気化学素子を具備するリードフレームの構造およびその実装物の斜視図
【図６】  本発明の第３〜第６の実施の形態である積層型リチウム２次電池発電素子とその接続用タブの配置図
【図７】  本発明の第３の実施の形態である電気化学素子を具備するリードフレームの構造およびその実装図
【図８】  本発明の第４の実施の形態である電気化学素子を具備するリードフレームの構造およびその実装図
【図９】  本発明の第５の実施の形態である電気化学素子を具備するリードフレームの構造およびその実装図
【図１０】  本発明の第６の実施の形態である電気化学素子を具備するリードフレームの構造およびその実装図
【図１１】  本発明の第７および第８の実施の形態であるリチウム二次電池発電素子とその接続用タブの配置図
【図１２】  本発明の第７の実施の形態である電気化学素子を具備するリードフレームの構造およびその実装図
【図１３】  本発明の第８の実施の形態であるリチウム二次電池発電素子とその接続用タブの配置図
【図１４】  本発明の第９の実施の形態である電気化学素子とその接続用タブの配置図およびその集積体の斜視図
【符号の説明】
１１  ダイパッド
１２  タイバー
１３  リード
１４  リードフレーム
２１  ダイパッド
２２  タイバー
２３  リード
２４  金ワイヤ
２５  リードフレーム
２６  エポキシ樹脂
２７  リチウム二次電池発電素子
２７a  正極集電体
２７ｂ  正極
２７ｃ  固体電解質
２７ｄ  負極
２７ｅ  負極集電体
３１  ダイパッド
３２  タイバー
３３  ダイパッドに接続されないリード
３４  リードフレーム
３５  液晶ポリマー
３６  リチウム二次電池発電素子
３６ａ  正極集電体
３６ｂ  正極
３６ｃ  固体電解質
３６ｄ  負極
３６ｅ  負極集電体
３７  金バンプ
４１  タイバー
４２  リードフレーム
４３  インナーリード
４４  アウターリード
４５  エポキシ樹脂
４６  金ワイヤ
４７  リチウム二次電池発電素子
４８  ダイパッド
５１  リードフレーム
５２  タイバー
５３  インナーリード
５４  アウターリード
５５  エポキシ樹脂
５６  リチウム二次電池発電素子
５７  金バンプ
５８  ダイパッド
６１  接続用タブ
７１  リードフレーム
７２  タイバー
７３  インナーリード
７４  アウターリード
７５  エポキシ樹脂
７６  リチウム二次電池発電素子
８１  プリント配線基板
８２  銅箔配線
８３  積層型リチウム二次電池発電素子
９１  プリント配線基板
９２  銅箔配線
９３  積層型リチウム二次電池発電素子
１０１  プリント配線基板
１０２  裏面銅箔配線
１０３  表面銅箔配線
１０４  積層型リチウム二次電池発電素子
１１１  接続用タブ
１２１  リードフレーム
１２２  タイバー
１２３  インナーリード
１２４  アウターリード
１２５  液晶ポリマー
１２６  リチウム二次電池発電素子
１３１  プリント配線基板
１３２  裏面銅箔配線
１３３  表面銅箔配線
１３４  積層型リチウム二次電池発電素子
１４１  接続用タブ
１４２  積層型リチウム二次電池発電素子
１４３  集積体
【図１】
0003960033.tif 000002
【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】
0003960033.tif 000009
【図９】
0003960033.tif 000010
【図１０】
0003960033.tif 000011
【図１１】
0003960033.tif 000012
【図１２】
0003960033.tif 000013
【図１３】
0003960033.tif 000014
【図１４】
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