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TW201807861A - 使用軟及易彎的第一層之多層薄膜裝置包裝 - Google Patents

使用軟及易彎的第一層之多層薄膜裝置包裝 Download PDF

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TW201807861A
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TW106112582A
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炳松 郭
立中 孫
吉貝克 朴
裕德 楊
傑佛瑞Ｌ 法蘭克林
苗君 王
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應用材料股份有限公司
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Abstract

本文揭示了一種薄膜裝置。該薄膜裝置可包括：有源裝置區域，該有源裝置區域包含擴散物；以及薄膜包裝，其設置在該有源裝置區域附近並且包裝該有源裝置區域之至少一部分，該薄膜包裝包含：第一層，該第一層設置為緊鄰該有源裝置區域並且包含軟及易彎材料；以及第二層，其設置在該第一層上，該第二層包含剛性介電材料或剛性金屬材料。

Description

使用軟及易彎的第一層之多層薄膜裝置包裝
本申請案主張於2016年4月14日提交的標題為「Volume Change Accommodating TFE Materials」之美國臨時專利申請案第62/322,415號之優先權，並且其全文以引用方式併入本文。
本發明的實施例係關於用以保護有源裝置的薄膜包裝(thin film encapsulation; TFE)技術，並且更特定言之係關於包裝電化學裝置。
薄膜包裝技術通常用於裝置中，其中該等裝置係純電氣裝置或光電裝置，諸如有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode; OLED)。與在裝置操作期間可能經歷因熱生成導致的小總體熱膨脹不同，由於在操作期間僅電子及光子在該等裝置內運輸，所以在操作期間此等電氣裝置及光電裝置不呈現體積變化。由於裝置總體熱膨脹造成之此等總體效應可以相似方式影響包括薄膜包裝之給定裝置的每個部件，並且因此可不導致顯著內應力。以此方式，在操作期間在純電氣裝置或光電裝置中薄膜包裝之功能性可不受熱膨脹影響。
值得注意的是，在電化學裝置（「化學」部分）中，在操作期間物質如元素、離子、或具有實體體積的其他化學物種（電子之實體體積可認為近似零）隨著實體體積移動而在該裝置內運輸。對於已知電化學裝置，例如，基於鋰(Li)之薄膜電池(thin film battery; TFB)，當電子圍繞連接至TFB之外部電路移動時，Li從電池之一側運輸至另一側，其中電子在與化學物質及元素相反的方向上移動。由Li TFB經歷之體積變化之一個特定實例係如下。當對具有含鋰陰極諸如鋰鈷氧化物(LiCoO2 )陰極（~15 µm至17 µm厚的LiCoO2 ）的薄膜電池充電時，當負載係近似1 mAhr/cm2 時，等效於數微米如6微米厚層（給定為100%緻密材料）的Li量可運輸至陽極。當在放電過程中Li返回陰極時，相同體積減少可在陽極上產生（假設100%效率）。在充電與放電循環期間陰極亦可經歷體積變化，但是此等變化與陽極相比較小。例如，當Li自結晶晶格提取時，由LiCoO2 材料形成之陰極之體積可在充電期間膨脹，但是與在陽極出現之體積變化相比，該體積變化係相對小的(~2%)。
因此，已知薄膜包裝途徑可缺乏提供以穩健方式適應此體積變化之能力，其中在裝置重複循環期間該薄膜包裝繼續提供對電化學裝置之保護。
本揭示係關於此等及其他考慮而提供。
在一個實施例中，一種裝置可包括有源裝置區域，該有源裝置區域包含擴散物；以及薄膜包裝，其設置為鄰近該有源裝置區域並包裝該有源裝置區域之至少一部分。該薄膜包裝可包括：第一層，該第一層設置為緊鄰該有源裝置區域並包含軟及易彎材料；以及第二層，其設置在該第一層上，該第二層包含剛性介電材料或剛性金屬材料。
在另一實施例中，一種薄膜電池可包括有源裝置區域，其中該有源裝置區域包含：含鋰陰極；以及固態電解質，其設置在該陰極上；陽極，其設置在該固態電解質上。該薄膜電池可進一步包括薄膜包裝，其設置為鄰近該陽極並包裝該含鋰陰極、該固態電解質、及該陽極之至少一部分。該薄膜包裝可包括第一層，該第一層設置為緊鄰該有源裝置區域並包含軟及易彎材料；以及第二層，其設置在該第一層上，該第二層包含剛性介電材料或剛性金屬材料。
本發明的實施例現將參考其中圖示一些實施例的附圖在後文中更全面地描述。本揭示之標的可以眾多不同方式體現並且不應理解為受限於本文闡述之實施例。提供此等實施例使得本揭示將係透徹且完整的，並且將向本領域一般技藝人士全面地傳達標的之範疇。在附圖中，相同參考符號始終指示相同元件。
本發明的實施例係關於薄膜包裝結構及技術，其中該薄膜包裝用於最小化有源裝置之環境暴露。在本發明的實施例中，有源裝置可在包括薄膜包裝之裝置內形成「有源裝置區域」。本發明的實施例提供用於薄膜包裝之新穎結構及材料組合，其中該等薄膜包裝可用於包裝有源裝置。
在各個實施例中，裝置（諸如薄膜裝置）具有包裝有源裝置之新穎薄膜包裝。在一些實施例中，有源裝置之實例包括壓電裝置、形狀記憶合金裝置、或微機電系統(microelectromechanical system; MEMS)裝置。在其他實施例中，該膜裝置可係電化學裝置。電化學裝置之實例包括電致變色窗及薄膜電池，其中有效部件材料係對水分或其他周圍材料高度敏感/反應性。為此，在各個實施例中，已知電化學裝置（諸如薄膜電池）可具有用以保護該有效部件材料的包裝。
本實施例亦解決在裝置（諸如薄膜電池）中遇到的問題，其中大實體體積變化（膨脹及收縮）可在操作該裝置期間發生。更特定言之，如所提及，在裝置（諸如Li薄膜電池）中之體積變化可以局部或不均勻方式在「選擇性膨脹」區域諸如陽極區域中發生。本揭示之各個實施例提供適當結構及適當薄膜包裝材料以及在裝置（諸如薄膜電池）中應用此等材料導致裝置結構滿足嚴格薄膜包裝需要之方法。
在各個實施例中，薄膜裝置具有薄膜包裝材料及/或結構之新穎組合。薄膜裝置（諸如薄膜電池或電致變色窗）可包括由有源層構成之裝置堆疊以及薄膜包裝，其薄膜包裝亦可構成多層結構。
根據本揭示之實施例，薄膜裝置可包括有源裝置區域及薄膜包裝。有源裝置區域可包括源區，其包含擴散物；以及選擇性膨脹區域，其中擴散物之運輸在該源區與該選擇性膨脹區域之間可逆地發生。
在其中薄膜裝置係Li薄膜電池之實施例中，陰極可用作源區並且可包括陰極如LiCoO2 或相似材料。在電致變色窗之情形中，給定電極區域體積之伴隨變化可小於在薄膜電池中之情形。在Li薄膜電池之實施例中，陽極可用作選擇性膨脹區域，其中與在該薄膜裝置中之其他區域相反，大體積變化在該選擇性膨脹區域中選擇性發生。
在Li薄膜電池之實施例中，陽極可用作選擇性膨脹區域，其中與在該薄膜裝置中之其他區域相反，大體積變化在該選擇性膨脹區域中選擇性發生。
為適應在選擇性膨脹區域中之體積變化，各個實施例提供在薄膜包裝中之材料及/或結構，其中該薄膜包裝有效適應體積膨脹，以及在該選擇性膨脹區域中之收縮，呈現更穩健薄膜裝置。
在本揭示之各個實施例中，新穎薄膜包裝在薄膜裝置之選擇性膨脹區域諸如陽極附近佈置，其中該薄膜包裝包括層堆疊。在特定實施例中，薄膜包裝包括第一層，其中該第一層設置為緊鄰該選擇性膨脹區域並且由能夠適應在選擇性膨脹區域中之實體體積變化的軟及易彎材料形成。薄膜包裝可進一步包括在第一層附近之第二層，其中該第二層係剛性金屬層或剛性介電層，並且其中該剛性介電層或剛性金屬層與第一層相比較不易彎曲。剛性金屬層之優點係該剛性金屬層可提供強度，同時與剛性介電層相比較不易碎。
根據各個實施例，薄膜包裝之該薄膜包裝可包裝源區及選擇性膨脹區域之至少部分。在各個實施例中，至少在選擇性膨脹區域附近的部分中，薄膜包裝可從第一厚度至第二厚度可逆地改變厚度以適應在選擇性膨脹區域中材料之體積或厚度變化。例如，在其中陽極或陽極之一部分可構成選擇性膨脹區域的薄膜電池中，在薄膜電池中充電狀態與放電狀態之間，由於鋰遷移，該陽極之厚度可改變數微米。在本實施例中，薄膜包裝之厚度可膨脹或收縮以適應陽極厚度之增加或減小，導致較少應力、較少機械故障、及較佳對薄膜裝置之有源裝置的保護。
在特定實施例中，並如下詳述，薄膜包裝之可逆收縮及膨脹的最大部分可在該薄膜包裝之第一層中發生。特定言之，第一層可係軟及易彎層，且該薄膜包裝之第二層可係滲透阻擋層。第二層可係剛性金屬層或剛性介電層，用作擴散障壁諸如水分障壁或氣體障壁或其他物種擴散之障壁。
現轉到第 1A 圖 ，圖示根據本揭示之實施例的薄膜裝置100。薄膜裝置100可構成電化學裝置諸如薄膜電池、電致變色窗、或其他電化學裝置。在第1A圖之實施例中，薄膜裝置100可包括稱為基板102之基板基底及設置在基板102上之源區104。在各個實施例中，源區104可表示薄膜裝置（諸如薄膜電池或電致變色窗）之陰極。源區104可用作擴散物諸如鋰之來源，其中該擴散物可在源區104與選擇性膨脹區域108之間可逆地擴散並可逆地擴散至選擇性膨脹區域108。薄膜裝置100亦可包括設置在源區上之中間區域106及設置在中間區域106上之選擇性膨脹區域108。選擇性膨脹區域108可係（例如）薄膜裝置之陽極。在第1A圖所示之實例中，薄膜裝置100可表示處於第一裝置狀態諸如放電狀態之薄膜電池，在此狀態下該電池未充電，意謂擴散物114（諸如鋰）自陽極耗盡。
薄膜裝置100進一步包括薄膜包裝110，其中薄膜包裝110可包括複數個層，如在第1A圖中所提出的。薄膜包裝110設置為緊鄰選擇性膨脹區域108。在此實例中，選擇性膨脹區域108保持相對收縮，而薄膜包裝110相對膨脹或鬆弛，如由第一厚度t1 所表示。如第1B圖所示，薄膜包裝110可包括第一層122，其中第一層122設置為緊鄰選擇性膨脹區域108，並且其中第一層122包括軟及易彎材料。在各個實施例中，第一層122可係聚合物層，其中該聚合物層係軟及易彎層，使該聚合物層能夠可逆地膨脹及收縮。在各個實施例中，如本文提到之術語「聚合物層」可構成聚合物層堆疊，其中該聚合物層堆疊包括至少一個聚合物層，並且可包括多個層，該等層可被稱為子層。由此，第一層122可構成包括不同聚合物之多個子層的聚合物層堆疊，其中至少一個子層係軟及易彎的。
在各個實施例中，第一層122可係輸注有吸氣劑/吸收劑之聚合物、多孔低介電常數材料、銀漿料、環氧樹脂、印刷電路板材料、或光致抗蝕劑材料、及其組合。除上文提及之材料外，適宜聚合物材料之特定實例包括聚矽氧、橡膠、胺基甲酸酯、聚胺基甲酸酯、聚脲、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene; PTFE)、聚對二甲苯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚醯亞胺、耐綸、乙縮醛、聚醚醯亞胺、丙烯酸、環氧樹脂、及酚類聚合物。該等實施例不限於此情境。
在各個實施例中，薄膜包裝110之第二層124可設置在第一層122上。第一層122及第二層124可一起形成第一二分體，圖示為二分體120。在各個實施例中，二分體120可用作「功能性二分體」，其中至少一層功能性二分體提供對污染物（諸如水分及氣體物種）之擴散障壁，其防止水分及氣體穿透薄膜包裝110擴散。二分體120亦可包括具有軟及易彎層性質之至少一個層，其以可逆方式適應有源裝置區域之尺寸改變。二分體120之實例包括用於第一層122之聚合物層與用於第二層124之剛性水分障壁層（諸如剛性介電層或剛性金屬層，或剛性金屬層與剛性介電層之組合）的組合。剛性金屬層可包含剛性金屬材料諸如Cu、Al、Pt、Au、或其他金屬。該等實施例不限於此情境。在一些實施例中，薄膜包裝110可含有至少一個額外二分體，亦圖示為二分體120，其中該至少一個額外二分體設置在該第一二分體上。在第1B圖之實例中，圖示四個二分體，但該等實施例限於此情境。特定言之，在其他實施例中，薄膜包裝可包括更少或更多數量之二分體。在一些實例中，二分體之給定聚合物層可包括複數個聚合物子層，其中至少一個聚合物子層係軟及易彎的。軟及易彎聚合物材料之實例包括聚矽氧：硬度為~A40肖氏A，楊氏模數為~0.9 Kpsi或~6.2 MPa；聚對二甲苯-C：硬度為~洛氏(Rockwell)R80，楊氏模數為~400 Kpsi或~2.8 GPa；KMPR：楊氏模數為~1015 Kpsi或~7.0 GPa；聚醯亞胺：硬度為D87肖氏D，楊氏模數為~2500 Kpsi或~17.2 GPa。
如本文所使用，「軟及易彎」材料可指例如具有小於20 Gpa彈性（楊氏）模數之材料，而「剛性材料」諸如剛性金屬層或剛性介電層可具有大於20 GPa之彈性模數。與軟及易彎材料相關之其他特徵性質包括相對高的斷裂伸長率，諸如薄膜包裝之至少一個聚合物層為70%或更高。在一些實例中，諸如聚矽氧之情況，軟及易彎材料可具有高達200%或更高的斷裂伸長率。
現轉到第 2 圖 ，圖示操作薄膜裝置100之第二實例，表示例如薄膜裝置100之第二裝置狀態。在第2圖所示之實例中，薄膜裝置100可表示處於充電狀態之薄膜電池。在此充電狀態中，電池藉由以下方式來充電：從源區104向外擴散擴散物114（諸如鋰），並運輸擴散物114跨過中間區域106以積累於由選擇性膨脹區域108表示的陽極處。由此，選擇性膨脹區域108可膨脹，其中該膨脹可導致薄膜包裝110之厚度從如第1A圖之放電狀態表示之第一厚度t1 減小至如第2圖之充電狀態圖示之第二厚度t2 。薄膜包裝110處之此厚度減小可係陽極厚度從在第1A圖之收縮組態中的第三厚度t3 改變至在第2圖之膨脹組態中的第四厚度t4 之結果。特定言之，選擇性膨脹區域108之厚度生長可至少在區域115中使薄膜包裝110移位，其中區域115係在選擇性膨脹區域108附近。由此，薄膜包裝110可藉由從厚度t1 收縮至如第2圖所示的充電狀態中所示的厚度t2 （表示第二裝置狀態）來適應選擇性膨脹區域108之膨脹。
其中聚合物「層」或更準確地而言聚合物層堆疊包括多個聚合物子層之組態可提供優於僅具有一個聚合物層之組態的優點。例如，三層聚合物層堆疊可具有呈現軟及易彎性質之聚合物內層，及聚合物外層，其中該等聚合物外層係較硬的並且用以更均勻地分散應力。較硬聚合物層可由此降低局部異常高的應力點，其中例如此等應力點可另外導致第二層124穿孔。
在各個實施例中，第一層122（意謂緊鄰選擇性膨脹區域108的層）可經設計以適應整體膨脹及收縮或在選擇性膨脹區域108中出現的膨脹或收縮之最大部分。如下詳述，此適應可藉由選擇用於第一層122之一種或多種材料以及薄膜包裝110之詳細架構而達成。
在一些實施例中，儘管獨立厚度（t1 、t2 、t3 及t4 ）可在循環期間變化，薄膜包裝110之至少一個聚合物層之厚度可係充分大且該聚合物層係充分易彎的以適應在循環期間發生之膨脹及收縮。此適應可以以下方式發生。在特定實施例中，在循環期間，其中t1 及t2 可表示厚度之相對極端，薄膜包裝110之第一層122（或當第一層122係層堆疊時的層組）之厚度及易彎性可產生以下關係。特定言之，t2 +t4 之厚度和與t1 +t3 之厚度和沒有實質上的不同，諸如小於10%之差異，並且在一些情形中，t2 +t4 之厚度和與t1 +t3 之厚度和的差異小於5%。以此方式，在薄膜包裝110之任何擴散障壁層上之壓力經最小化。在一些實施例中，第一層122可僅構成適應選擇性膨脹區域108之尺寸變化的一個聚合物層。在其他實施例中，第一層122可構成多個聚合物子層，其中至少一個聚合物子層且無需其他聚合物子層係軟及易彎的。此外，聚合物子層之此性質可導致t2 +t4 之厚度和與t1 +t3 之厚度和沒有實質上的不同，諸如小於10%之差異。在各個實施例中，該薄膜包裝可具有至少5%之伸長率性質。
現轉到第 3 圖 ，圖示了根據本揭示之實施例的薄膜電池300。薄膜電池300可包括基板基底302、陰極集電器304、陰極306、固態電解質308、陽極310、及薄膜包裝312，如圖所示。在各個實施例中，薄膜包裝312可包括複數個不同層，諸如如上文一般描述的至少一個二分體。特定言之，薄膜包裝312可包括層314，其中層314直接設置在陽極310上。層314可由如上文論述之軟及易彎材料形成。特定言之，層314可係聚合物層，並且在一些變型中可包括複數個聚合物子層，其中如上文所述該聚合物層或至少一個聚合物子層係軟及易彎的。以此方式，當在薄膜電池300充電或放電時層314可適應在陽極310厚度增加或厚度減小時陽極310之體積變化。在一些實施例中，層314之厚度（沿著圖示之笛卡爾(Cartesian)坐標系之X軸）可在10 µm與50 µm之間。該等實施例不限於此情境。
薄膜包裝312可進一步包括層316，其中層316設置在層314上並且不與陽極310直接接觸。層316可係如上所述之剛性金屬層、或由已知材料（諸如氮化矽）構成之剛性介電層，其中該剛性介電層之易彎性係遠小於層314之易彎性。根據各個實施例，剛性介電層可例如具有相對高彈性模數與硬度之組合。在氮化矽之情形中，維氏(Vicker's)硬度係~13 Gpa，並且楊氏模數係~43500 Kpsi或~300 GPa。由此，剛性介電層係與層314之至少一個聚合物層相比較不易彎曲。類似地，具有超過上文所示之聚合物材料之值的維式硬度以及楊氏模數的已知金屬可用作層316。
層316可用作擴散障壁層以防止周圍物種諸如H2 O（水分）從薄膜電池300外部擴散滲透至薄膜電池300之有源裝置區域（包括例如陽極310、固態電解質308、及陰極306）。在一些實施例中，層316可具有0.25 µm至1 µm之厚度。層316可在一些變型中包括複數個剛性介電層或剛性金屬層、或其組合。該等實施例不限於此情境。層314及層316可一起構成二分體，其中二分體係由一個或更多個軟及易彎層、及剛性介電層或剛性金屬層構成。如第3圖所圖示，薄膜包裝312可包括複數個二分體。例如，層318設置在層316上，其中層318可係軟及易彎層，該軟及易彎層可在一些變型中包括複數個聚合物子層，而層320設置在層318上，其中層320可係剛性介電或剛性金屬層或層組。由此，層318及層320可被視為第二二分體。在軟及易彎層與剛性介電層之間交替的此順序可重複，如（例如）由層322及層324表示。
在各個其他實施例中，薄膜包裝可包括任何數量之層，其中緊鄰薄膜電池或其他電化學裝置之選擇性膨脹區域的第一層係軟及易彎層或包括至少一個軟及易彎子層。同時設置在第一層上之第二層係剛性介電或剛性金屬層或層組。此等組態提供優於例如使用緊鄰陽極區域之剛性介電質的已知薄膜包裝的優點。首先，由於在由軟及易彎層與剛性介電層或剛性金屬層組合構成的二分體中摻入至少一種剛性介電層或剛性金屬層，薄膜包裝312提供由剛性介電層或剛性金屬層賦予之擴散障壁性質。此外，因為在選擇性膨脹區域附近之第一層係軟及易彎層（不論聚合物或其他軟及易彎層），所以當擴散物移動到選擇性膨脹區域（陽極區域）中時，在充電循環期間更容易適應體積膨脹。與組態為具有已知薄膜包裝（其中剛性介電層或剛性金屬層係在陽極附近）之電池相比，尤其更容易適應體積膨脹。特定言之，第一層可彈性變形以適應在陽極區域中之體積改變，並且可防止裂痕、剝離、或其他破壞在薄膜包裝中發生，其中在其他情況下此破壞可在薄膜包裝（其中不易彎曲、剛性介電質設置在陽極附近）中發生。以此方式，在陽極充電之後，薄膜包裝諸如薄膜包裝312可保持完整以允許繼續保護有源裝置不受周圍氧化劑攻擊，其中在其他情況下此等周圍氧化物可穿過破壞之薄膜包裝滲透。
此外，藉由在陽極區域附近提供軟及易彎之第一層，在放電之相反循環期間，該軟及易彎之第一層可往回膨脹以釋放應力並「填充空隙」，其中在其他情況下當擴散物（諸如鋰）遷移回陰極時該空隙可出現。當軟及易彎之第一層膨脹到因返回陰極之擴散物物種而變空之區域中時，藉由「填充該空隙」，在陽極中之電接觸可增強。此增強可提供包括電氣及電化學效能之較長時期穩定性，諸如在陽極與電解質之間於陽極（選擇性膨脹區域）處的穩定接觸電阻。
根據各個實施例，薄膜包裝諸如薄膜包裝312可包含具有可雷射蝕刻性質之材料，並且特定言之可包括能夠吸收在提供雷射之靶波長範圍內的雷射輻射之層。在含有可雷射蝕刻材料之薄膜包裝中，給定波長雷射束之電磁輻射係在薄膜包裝中高度吸收。適宜輻射波長之實例包括從157 nm至1064 nm之範圍。例如，對於具有在可見範圍中之波長的雷射束，透明或完全外觀澄清之聚合物層可不係對雷射束之電磁輻射高度吸收的。對於具有在可見範圍中之波長的相同雷射束，不透明、黑色、或半透明聚合物層可係對電磁輻射高度吸收的，並且可由此被視為可雷射蝕刻之材料。該等實施例不限於此情境。
此性質促進薄膜包裝312之無遮罩圖案化，其中雷射用於燒蝕在靶區域中薄膜包裝312之部分。例如，薄膜包裝312可包括由氮化矽或類似材料形成的剛性介電層或剛性金屬層（諸如層316、層320、及層324），或剛性金屬層，諸如Cu，（或Cu）。在此等材料中，強電磁輻射吸收可在157 nm至1064 nm之波長範圍中發生以適應藉由產生在上文提及之波長範圍之至少一部分中的輻射的已知雷射之處理。相似地，層314、層318、及層322可由聚合物形成，其中該聚合物亦在相似波長範圍內強烈吸收電磁輻射。由此，薄膜包裝可如第3圖所示圖案化，其中薄膜包裝312保形地塗覆有源裝置區域330以形成薄膜電池，同時藉由由雷射蝕刻薄膜包裝312之層形成的區域340而與其他結構分離。在特定實施例中，用於薄膜包裝312之已知聚合物材料之可蝕刻性可如所需增強，其中此等聚合物材料可具有對雷射輻射之相對較低吸收。例如，已知聚合物諸如聚矽氧可具有藉由將染料添加至聚合物以增加輻射吸收而增強之可蝕刻性，或可置於兩層之間，其中該兩層可由給定雷射更高度地蝕刻。
現轉到第 4 圖 ，圖示根據本揭示之其他實施例的薄膜電池400。薄膜電池400可包括基板基底302、陰極集電器304、陰極306、固態電解質308、及陽極310，如上文關於第3圖所述。第4圖之圖示可表示薄膜電池400之放電狀態。薄膜電池400亦包括薄膜包裝412，如所圖示。在各個實施例中，薄膜包裝412可包括複數個不同層，諸如如上文關於第3圖一般描述之至少一個二分體。在第4圖所示之架構中，薄膜包裝412包括第一層，圖示為層414。層414設置為緊鄰陽極310並且由軟及易彎材料諸如聚合物製成，或可包括多個子層，其中層414之至少一個子層係軟及易彎的。在第4圖所圖示之薄膜包裝412之一些實施例中，層414可由與層318及層322相似之材料構成。
根據一些實施例，層厚度可在薄膜包裝之不同層中變化。薄膜包裝412之標誌係層414之相對厚度。特定言之，層414之厚度可經設計為適應當薄膜電池400充電及放電時在陽極310中發生之體積改變的大部分（若並非全部）。層414之厚度可經設計以大於在薄膜包裝412中之其他層之厚度。例如，層414之厚度可在20 µm與50 µm之間，而剛性介電層或剛性金屬層（層316、層320、及層324）之厚度係5 µm或更小。此外，薄膜包裝412之額外軟及易彎層（諸如層318及層322）之厚度可係20 µm或更小。該等實施例不限於此情境。共同地，在一些實施例中，裝置堆疊420（包括有源裝置區域330及薄膜包裝412）之厚度可係近似80至120 µm，並且在一些實施例中可係50至80 µm。該等實施例不限於此情境。
現轉到第 5 圖 ，圖示表示充電狀態的薄膜電池400之另一繪圖。如先前提及，在其中陰極係由具有15 µm至17 µm厚之厚度之LiCoO2 形成的固態陰極的Li薄膜電池中，充電期間在陰極與陽極之間運輸的鋰量可等效於6 µm之Li層。由此，藉由將薄膜包裝412之第一層佈置為軟及易彎且具有在高達50 µm範圍中之厚度，陽極310中此厚度增加可更容易適應而不導致裂痕、剝離或其他問題。同時，薄膜包裝412之額外層（包括額外軟及易彎層）之厚度可維持於相對較低值，因為在陽極310中大部分或全部變形可藉由在第一層中可逆彈性變形來適應。此情況在第5圖中圖示，其中層414沿著Z軸彈性壓縮（與第4圖相比），而薄膜包裝412之其他層不經壓縮或另外破壞，維持其原始尺寸且具有較少或無應力。在特定實施例中，在其中t1 及t2 可表示薄膜包裝412之厚度之相對極端的循環期間，薄膜包裝412之層414之厚度及易彎性可產生下列。t2 +t4 之厚度和（圖示為第5圖之t6 ）可與t1 +t3 之厚度和（圖示為第4圖之t5 ）沒有實質上的不同，諸如小於10%之差異。
以此方式，與已知薄膜電池相比，薄膜電池400可藉由提供以下特徵來提供改良之效能。首先，提供多個剛性介電層或剛性金屬層以用作擴散障壁。其次，提供緊鄰陽極之層（「第一層」）以直接吸收全部在緻密裝置結構（50 µm至100 µm）內的在電池充電及放電期間導致的陽極變形。藉由吸收全部或大部分在薄膜包裝之第一層內之有源裝置內的一個或更多個下層之變形，該第一層可防止包括擴散障壁之剩餘層變形，或可大幅度降低此等層之變形。
本實施例提供多個優點，包括減小非有效封裝材料（諸如用於薄膜裝置之薄膜包裝）的厚度而導致此等裝置之能量密度增強的能力。進一步優點在於改良薄膜裝置包裝之穩健性能力，其中該薄膜裝置可藉由無遮罩製程來圖案化。
本揭示不限於本文所述之特定實施例之範疇。實際上，除本文所述之彼等外，本揭示之其他各個實施例及修改將為本領域一般技藝人士自以上描述及附圖顯而易見。因此，此等其他實施例及修改意欲落入本揭示之範疇中。此外，本揭示在本文中已出於特定目的而在特定環境中的特定實施方式之情境中描述，而本領域一般技藝人士將意識到用途不限於此並且本揭示可出於任何多種目的在任何多種環境中有利地實施。因此，可鑒於如本文所述之本揭示之全部範圍及精神來理解下文闡述之申請專利範圍。
100‧‧‧薄膜裝置
102‧‧‧基板
104‧‧‧源區
106‧‧‧中間區域
108‧‧‧選擇性膨脹區域
110‧‧‧薄膜包裝
114‧‧‧擴散物
115‧‧‧區域
120‧‧‧二分體
122‧‧‧第一層
124‧‧‧第二層
300‧‧‧薄膜電池
302‧‧‧基板基底
304‧‧‧陰極集電器
306‧‧‧陰極
308‧‧‧固態電解質
310‧‧‧陽極
312‧‧‧薄膜包裝
314‧‧‧層
316‧‧‧層
318‧‧‧層
320‧‧‧層
322‧‧‧層
324‧‧‧層
330‧‧‧有源裝置區域
340‧‧‧區域
400‧‧‧薄膜電池
412‧‧‧薄膜包裝
414‧‧‧層
420‧‧‧裝置堆疊
第 1A 圖 圖示根據本揭示之各個實施例的薄膜裝置；
第 1B 圖 提供根據本揭示之實施例佈置為二分體結構的薄膜包裝之一個實施例；
第 2 圖 圖示表示該薄膜裝置之第二狀態的第1A圖之薄膜裝置之操作的第二實例；
第 3 圖 圖示根據本揭示之實施例的薄膜電池；
第 4 圖圖 示處於第一裝置狀態的根據本揭示之其他實施例的薄膜電池；以及
第 5 圖 圖示處於第二裝置狀態的第4圖之薄膜電池之另一描述。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
302‧‧‧基板基底
304‧‧‧陰極集電器
306‧‧‧陰極
308‧‧‧固態電解質
310‧‧‧陽極
316‧‧‧層
318‧‧‧層
320‧‧‧層
322‧‧‧層
324‧‧‧層
330‧‧‧有源裝置區域
400‧‧‧薄膜電池
412‧‧‧薄膜包裝
414‧‧‧層
420‧‧‧裝置堆疊

Claims (15)

  1. 一種薄膜裝置，其包括： 一有源裝置區域，該有源裝置區域包括一擴散物；以及一薄膜包裝，其設置在該有源裝置區域附近並且包裝該有源裝置區域之至少一部分，該薄膜包裝包含：一第一層，該第一層設置為緊鄰該有源裝置區域並且包含一種軟及易彎材料；以及一第二層，其設置在該第一層上，該第二層包含一剛性介電材料或剛性金屬材料。
  2. 如請求項1所述之薄膜裝置，其中該有源裝置區域包含： 一源區，其包含該擴散物；以及一選擇性膨脹區域，該選擇性膨脹區域設置為緊鄰該第一層，其中該擴散物之運輸在該源區與該選擇性膨脹區域之間可逆地發生。
  3. 如請求項2所述之薄膜裝置，其中該源區包含一固態陰極，並且其中該選擇性膨脹區域包含一陽極。
  4. 如請求項3所述之薄膜裝置，其中該薄膜包裝包含處於一第一裝置狀態之一第一厚度及處於一第二裝置狀態之一第二厚度，其中該陽極包含處於該第一裝置狀態之一第三厚度及處於該第二裝置狀態之一第四厚度，其中該第三厚度與該第四厚度相比小至少1 μm。
  5. 如請求項1所述之薄膜裝置，其中該第一層包含一聚合物層，該聚合物層進一步包含包括至少一個子層之一聚合物層堆疊。
  6. 如請求項1所述之薄膜裝置，該第一層包含下列之至少一個：一輸注有吸氣劑/吸收劑之聚矽氧、一多孔低介電常數材料、一銀漿料、及環氧樹脂、一印刷電路板材料、一光致抗蝕劑材料、聚矽氧、橡膠、胺基甲酸酯、聚胺基甲酸酯、聚脲、聚四氟乙烯、聚對二甲苯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚醯亞胺、耐綸、乙縮醛、聚醚醯亞胺、丙烯酸、環氧樹脂、及酚類聚合物、或其組合。
  7. 如請求項1所述之薄膜裝置，該第一層及該第二層一起形成一第一二分體，其中該薄膜包裝包含至少一個額外二分體，該至少一個額外二分體設置在該第一二分體上。
  8. 如請求項1所述之薄膜裝置，其中該第二層包含一擴散障壁層，該擴散障壁層防止水分及氣體穿過該薄膜包裝擴散。
  9. 如請求項1所述之薄膜裝置，其中該第二層包含氮化矽、Cu、或Al。
  10. 如請求項1所述之薄膜裝置，其中該第二層包含0.25 µm至5 µm之一厚度。
  11. 如請求項1所述之薄膜裝置，其中該第一層及第二層一起構成一二分體，其中該薄膜包裝包含複數個二分體，其中該第一層包含至少一個子層。
  12. 如請求項1所述之薄膜裝置，進一步包含一基板基底，其中該有源裝置區域及該薄膜包裝設置在該基板基底上，其中該有源裝置區域及薄膜包裝一起形成一裝置堆疊，其中該裝置堆疊之一厚度係120 µm或更小。
  13. 一種薄膜電池，其包含： 一有源裝置區域，該有源裝置區域包含：一含鋰陰極；以及一固態電解質，其設置在該陰極上；一陽極，其設置在該固態電解質上；以及一薄膜包裝，其設置在該陽極附近並且包裝該含鋰陰極、該固態電解質、及該陽極之至少一部分，該薄膜包裝包含：一第一層，該第一層設置為緊鄰該有源裝置區域並且包含一種軟及易彎材料；以及一第二層，其設置在該第一層上，該第二層包含一剛性介電材料或剛性金屬材料。
  14. 如請求項13所述之薄膜電池，其中該薄膜包裝包含能夠吸收在157 nm至1064 nm之一波長範圍內之雷射輻射的一層。
  15. 如請求項13所述之薄膜電池，該第一層及該第二層一起形成一第一二分體，其中該薄膜包裝包含至少一個額外二分體，該至少一個額外二分體設置在該第一二分體上。
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