TWI637668B

TWI637668B - 邏輯電池

Info

Publication number: TWI637668B
Application number: TW105133017A
Authority: TW
Inventors: 楊思枬
Original assignee: 輝能科技股份有限公司; 輝能控股股份有限公司
Priority date: 2016-10-13
Filing date: 2016-10-13
Publication date: 2018-10-01
Also published as: TW201815241A; US20180108882A1; JP2018073814A; EP3309893A1; KR101991177B1

Abstract

本發明係揭露一種邏輯電池，主要包含有一複合基板、一第二集電層、一膠框以及一電化學系統層。複合基板包含一第一集電層與一導體線路層，膠框夾設於第一集電層與第二集電層之間，至少局部的膠框在正投影方向上與第一集電層及第二集電層重疊，俾使膠框、第一集電層及第二集電層共同形成一封圍區域以容設電化學系統層，而第一集電層、第二集電層、膠框與電化學系統層構成一電池單元。

Description

邏輯電池

本發明係有關一種電池，特別是指一種整合有電路、電子模組的邏輯電池。

現在的電子產品雖然在結構的設計上變得更為輕薄，但其功能則變得更多樣化，處理效能的要求也同時提高許多，因此對於提供給電子產品動力來源之電池的電容量、安全性...等的規格要求，當然也相對變得更為嚴苛。以現行的智慧型手機為例，為了提供電能給智慧型手機中的所有電子模組，例如：顯示器、處理器、喇叭、天線...等元件，其內部係會配置一個電池，並藉由電路板以將上述所有電子模組與電池予以電性連接，俾使電池的電能可傳輸至各個電子模組。不同於過去的是，現行的智慧型手機除了具有可通話、可上網、可攝影...等多工處理效能的要求之外，另外在螢幕顯示品質上，也不停的提高顯示器的解析度，同時也為了因應更快的網路速度，資料傳輸與處理的能力也必須加速，不過與上述要求相反的是，在美學設計的概念下，智慧型手機的厚度卻只能朝向薄型化的設計走向，在壓縮了智慧型手機內部空間的前題下，許多電子模組也必須朝向薄型化的設計，相同地，對於電池而言，也必須要盡可能減少其厚度的設計。

但不幸的是，電池的厚度卻與其電容量有著正向的關係，以捲繞的電池來說，一旦縮減了電池的厚度則會導致電池內部極層的長度減短，將勢必使得電容量相對降低。

有鑑於上述，本發明遂針對上述習知技術之缺失，提出一種邏輯電池的結構，以有效克服上述之該等問題。

本發明之目的在提供一種邏輯電池，其藉由複合基板同時提供集電層與可供電子模組電性連接之導體線路層，使電池與電子模組整合，並降低整體厚度。

本發明之目的在提供一種邏輯電池，其藉由複合基板同時提供作為電池之集電層，因此電池之電化學系統層與複合基板之間無須額外設置連結部以將電化學系統層與複合基板進行電性連結，不但藉由較大的接觸面積以有效地降低電池單元的內部阻值，更簡化製程或電路設計的複雜度。

本發明之另一目的在提供一種邏輯電池，其電路基板係可直接為集電之用，俾以降低電池單元與電路基板之間的阻值，同時更利用電路基板做為電池單元的封裝的一部分，可提供良好的阻水、阻氣的封裝效果。

本發明之又一目的在提供一種邏輯電池，其係透過模組化的設計，以整合天線單元、電池單元與其他電子模組，俾以降低開發電子應用產品(例如：智能卡)的複雜度。

為達上述之目的，本發明係提供一種邏輯電池，主要包含有一複合基板、一第二集電層、一膠框及一電化學系統層。複合基板包含一第一集電層與一位於第一集電層周緣之導體線路層，膠框夾設於第一集電層與第二集電層之間，形成一封圍區域，以容設一電化學系統層，第一集電層、第二集電層、膠框與電化學系統層構成一電池單元，電化學系統層在正投影方向上係位於第一集電層與第二集電層之內。此電化學系統層包含有有一第一活性材料層、一第二活性材料層與一設置於該第一活性材料與該第二活性材料層間之隔離層，上述之第一活性材料與第一集電層接觸，上述之第二活性材料層與第二集電層接觸。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

10‧‧‧邏輯電池

12‧‧‧複合基板

14‧‧‧第二集電層

16‧‧‧膠框

18‧‧‧電化學系統層

19‧‧‧電池單元

20‧‧‧電子模組

22‧‧‧第一集電層

24‧‧‧導體線路層

26‧‧‧絕緣材料層

28‧‧‧封圍區域

30‧‧‧第一活性材料層

32‧‧‧第二活性材料層

34‧‧‧隔離層

35‧‧‧天線單元

36‧‧‧絕緣覆蓋層

40‧‧‧智能卡

42‧‧‧上表面

44‧‧‧下表面

46‧‧‧按鍵電路

48‧‧‧按鍵

50‧‧‧金屬導件

52‧‧‧金屬導件

54‧‧‧主機板

M‧‧‧顯示單元

T1、T2‧‧‧導電部

C1、C2‧‧‧連接點

A1、A2‧‧‧電路層

第1圖係為本發明之邏輯電池之一實施例結構示意圖。

第2圖係為本發明之另一種實施態樣之結構示意圖。

第3圖係為本發明之另一種實施例結構示意圖。

第4圖係為本發明之又一種實施態樣之結構示意圖。

第5圖係為本發明之又一種實施態樣之結構示意圖。

第6圖係為本發明之又一種實施態樣之結構示意圖。

第7圖為本發明之邏輯電池的部分導體線路層作為天線單元的實施例結構示意圖。

第8圖為第7圖之實施例的截面示意圖。

第9圖為本發明之具有天線單元之邏輯電池應用在智能卡的分解示意圖。

第10A圖與第10B圖為本發明之邏輯電池應用在另一種智能卡之正、反面示意圖。

基於電子模組運作時需要具有導體線路層之基板，以供電子模組設置並電性連接，並搭配上供應電子模組運作動力來源之電池，因此，為求使電子模組更為輕巧，並在減少整體構件數量上兼具提供更靈活的電子模組設置空間，本發明係提供一種嶄新的邏輯電池，其主要係將一電池所需的集電層與電子模組所需之導體線路層設置於同一複合基板，藉此整合電池與電子模組，在縮減整體厚度之目的下，更兼具靈活的電子模組設置空間。

以下係針對本發明之精神提出實施例解釋說明，以使熟悉該項技藝者更能清楚明白本發明之技術特點。

請參閱第1圖，其係本發明之邏輯電池的一實施例結構示意圖。如圖所示，本發明之邏輯電池10主要包含有一複合基板12、一第二集電層14、一膠框16、一電化學系統層18及一電子模組20。複合基板12包含一第一集電層22、一導體線路層24與一絕緣材料層26，絕緣材料層26係用以將第一集電層22與導體線路層24隔離。舉例來說，複合基板12包含有一絕緣材料層26所構成之絕緣本體，絕緣本體之底面設有一金屬層，作為第一集電層22，頂面設置有圖案化金屬層，作為導體線路層24，以供電子模組設置並電性連接，或者圖案化金屬層作為天線單元(此部分將於後續進行說明)。第一集電層22、第二集電層14、膠框16與電化學系統層18構成電池單元19。上述之電子模組可選自於電路、電子模組及上述之組合。此複合基板12可以是軟式印刷電路板。在本發明之設計下，複合基板12同時提供電池單元19所需的集電層與電子模組所需之導體線路層，整合了原本各自獨立架構之電池單元與電子模組，有效降低電子模組整體厚度，當採用本發明之邏輯電池作為電子模組之動能供應源時，更可透過模組化的設計，以整合天線單元、電池單元與其他電子模組，俾以降低開發電子應用產品(例如：智能卡)的複雜度。

上述之膠框16夾設於第一集電層22與第二集電層14之間，並且膠框16之上端面與第一集電層22黏著，膠框16之下端面與第二集電層14黏著，以形成一呈現密封狀態之封圍區域28，以容設一電化學系統層18。第一集電層22、第二集電層14、膠框16與電化學系統層18構成一電池單元19。此電化學系統層18包含有一第一活性材料層30、一第二活性材料層32、一設置於第一活性材料層30與第二活性材料層32間之隔離層34，以及一分散於第一與第二活性材料層30、32及隔離層34中的電解質(圖中未示)。第一活性材料層30係採塗佈方式形成於封圍區域28內之第一集電層22表面上並與第一集電層22接觸，以與複合基板12電性連接，第二活性材料層32採塗佈方式形成於封圍區域28內之第二集電層14表面上並與第二集電層14接觸，以與第二集電層14電性連接。

在本發明之架構下，因膠框16之上端面與第一集電層22黏著，膠框16之下端面與第二集電層14黏著，因此完全容設於封圍區域28內之電化學系統層18在正投影方向上將呈現完全位於第一集電層22與/或第二集電層14之區域內，也就是說，因為黏著在第一集電層22與第二集電層14的膠框16佔據了部分的第一集電層22與第二集電層14的面積，俾使第一活性材料層30的正投影面積小於第一集電層22的正投影面積，第二活性材料層32的正投影面積小於第二集電層14的正投影面積，同時根據上述之結構可知，用以封裝電化學系統層18的結構係包含膠框16及利用膠框16以彼此黏著的第一集電層22與第二集電層14。

另外，在正投影方向上觀之，所述的膠框16可以完全或局部地位於第一集電層22與第二集電層14的正投影區域內，亦即，當膠框16完全位於第一集電層22與第二集電層14的正投影區域內時，若第一集電層22與第二集電層14在截面上具有相同長度時，則膠框16係完全不會突出於第一集電層22與第二集電層14之外，若第一集電層22與第二集電層14在截面上呈現不同長度時，則膠框16係位於第一集電層22與第二集電層14交集的正投影區域內，若當膠框16局部地位於第一集電層22與第二集電層14的正投影區域內時，則表示無論第一集電層22與第二集電層14是否在截面上具有相同的長度與否，局部的膠框16都是呈現出突出於第一集電層22與第二集電層14之外。

再者，在此實施例，導體線路層24與第一集電層22分別位於複合基板之相異側，此時，導體線路層24相對於電池單元19之正投影部分，可以是至少部分局部重疊，或者為避免電磁波干擾，採兩者在正投影方向上完全不重疊，如第2圖所示。

請參閱第3圖，其係本發明之另一實施例結構示意圖。此實施例與上述之實施例差異在於導體線路層24不單侷限於複合基板12之單一側面，更延伸至另一表面，例如第3圖中所示的上、下表面。此時第一集電層22將僅佔據複合基板12下表面之部分區域，形成第一集電層22與導體線路層24將可形成位於複合基板12同一側的狀態。

當然，第二集電層14未與第二活性材料層32接觸之表面也可設置有一絕緣覆蓋層36，更者，此絕緣覆蓋層36未與第二集電層14接觸之表面也可設置有另一圖案化金屬層38，以作為另一導體線路層及/或集電之用，如第4圖所示之結構狀態。或者第二集電層14如先前所述之第一集電層22同樣是形成於一複合基板上。

先前所述之隔離層34可選自微米級與奈米級之二氧化鈦(TiO2)、三氧化二鋁(Al2O3)、二氧化矽(SiO2)等材質、烷基化的陶瓷顆粒，使電化學系統層18在進行電化學反應時能達成離子的導通，並配合聚二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride，PVDF)、聚偏二氟乙烯-共-三氯乙烯(PVDF-HFP)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)、壓克力酸膠(Acrylic Acid Glue)、環氧樹脂(Epoxy)、聚氧化乙烯(PEO)、聚丙烯腈(PAN)或聚亞醯胺(PI)等高分子黏著劑來聚合陶瓷顆粒。當然，類似於複合基板12的表面，為確保電池單元19能夠具有良好的阻水、阻氣效果，在電池單元19的外表面(包含第二集電層14)上亦可覆蓋以聚亞醯胺(polyimide，PI)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚乙烯(PE；高密度聚乙烯(HDPE)、低密度(LDPE)等)、聚醯胺(PA)、壓克力樹脂(Acrylic)、環氧樹脂(Epoxy)或玻璃纖維等聚合物材料所製成的覆蓋層，俾以確保電池單元14與外界的隔絕性。

先前所述之導體線路層24可以做為天線單元35，此時複合基板12可以是硬式基板或軟式基板。當複合基板12是硬式基板時，如第5圖所示，天線單元35相對於電池單元19的位置係兩者在正投影方向上部分重疊或完全不重疊。而當複合基板12是可撓曲式基板時，如第6圖所示，除如上述硬式基板的位置判斷方式外，複合基板12依據產品設計的需求而在彎折後使得導體線路層24相對於電池單元19可以呈現在正投影方向上部分重疊或完全不重疊的態樣。

更具體地來說，請一併參閱第7圖與第8圖，其係為本發明之邏輯電池之部分導體線路層作為天線單元的實施例結構示意圖與截面示意圖。如圖所示，在此架構下部分導體線路層24作為天線單元35。在正投影方向上觀之，天線單元35係圍繞於電池單元19周緣，且天線單元35與電池單元19在正投影方向上完全不重疊。複合基板12上設置有二邏輯電池電力輸出之導電部T1及T2，天線單元35具有二連接點C1及C2，各導電部T1、T2與對應的連接點C1、C2係可透過導線電性連接，舉例來說，連接導電部T1、T2與連接點C1、C2的導線可跨設在天線單元35(圖未顯示)，為降低電磁效應的干擾，跨設在天線單元35的導線寬度係不大於150微米。此外，亦可以埋線設計的方式埋設在複合基板12內，在此態樣下，除了可保留導電部T1、T2與連接點C1、C2於電路基板的表面上，亦可將至少一導電部與其對應的連接點整合為單一端點以簡化複合基板12上的導線佈局設計，並減少面積。

雖然上述之實施例中天線單元35與電池單元19在複合基板12之同一側，但實際應用時，可藉由調整複合基板之金屬層(第一集電層或導體線路層)的位置，使天線單元35與電池單元19設置在相異側。也可視需求於複合基板12之兩側同時都設置有天線單元35或電池單元19。

複合基板12上更可設置有其他導體線路層24，以供如前述之電子模組一併佈局在複合基板12上(圖未顯示)，其中所述的電子模組例如但不限於按鍵模組、顯示模組或其他任何電子模組。

在本實施例中，複合基板12可為單層電路板或雙層電路板，以雙層電路板的材料為例，其係可包含紙酚銅基板、紙環氧樹酯(Epoxy)銅基板、Glass-Epoxy銅基板、Glass Composite(玻璃合成)銅基板、苯樹脂銅基板或高分子、多元酯材料等的軟性銅基板。複合基板12的導體線路層24係可透過鐳射雕刻、蝕刻、機械加工、濺鍍、蒸鍍、塗佈…等方式形成天線單元35，常見的天線結構型態有螺旋狀、直線狀、塊狀等；另外，複合基板12的剩餘的表面上更可以覆蓋保護層(圖未顯示)，其材料可選自於電氣絕緣材料、化學絕緣材料等，其例如為聚亞醯胺(polyimide，PI)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚乙烯(PE；高密度聚乙烯(HDPE)、低密度(LDPE)等)、聚醯胺(PA)、壓克力樹脂(Acrylic)、環氧樹脂(Epoxy)或玻璃纖維等聚合物材料。

因本案之電化學系統層18係直接形成於複合基板12的金屬表面上(例如：銅金屬層表面)，也就是以複合基板12之金屬層作為電池的一個集電層，因此電化學系統層18與複合基板12之間無須額外設置連結部以將電化學系統層18與複合基板12進行電性連結，不但藉由較大的接觸面積以有效地降低電池單元的內部阻值，更簡化製程或電路設計的複雜度。

在實際的應用上，本發明的天線單元35係可為感應天線，因此一方面可採用通用非同步接收傳送器(Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART)之資料格式，以作為NFC的資料傳輸，其編碼方式為不歸零(Non-Return-to-Zero，NRZ)編碼，另一方面天線單元35也可作為電磁感應之無線充電天線，並且符合A4WP(Alliance for Wireless Power)、PMA(Power Matters Alliance)及WPC(Wireless Power Consortium)…等聯盟所制定的標準格式；此外，天線單元35可因應不同之功能需求另外作為藍芽功能模組、WIFI功能模組、LTE功能模組或3G功能模組...等等，上述功能模組的任意組合之天線用途。

為避免天線單元35所能感應的磁力線被電池單元19屏蔽，較佳的天線單元35的佈局態樣是電池單元19的任一邊緣與天線單元35之間的最小間距(請參考第7圖中所示的D)係不小於2釐米。依據實作的數據顯示，當天線單元與電池單元在正投影方向上為貼齊或重疊的態樣時，由於天線單元與電池單元的電磁屏蔽效應影響，無線充電效率大約為有線充電效率的10-15%，其中有線的充電方式係指直接接觸式的充電器來進行；當天線單元35與電池單元19的間距設計在小於2釐米但並不貼齊或重疊的狀態下，因為天線單元35與電池單元19彼此的電磁屏蔽效應較為改善，但對於電池單元14來說，在此態樣下的無線充電效率仍約僅為有線充電效率的40%；當天線單元35與電池單元19的間距設計擴大到2釐米時，此時的無線充電效率大約可回升至60%；當天線單元35與電池單元19的間距拉大至3釐米時，其供電效率約可達到80%；一旦當天線單元35與電池單元19的間距大於6釐米以上之後，天線單元35所提供的無線充電效率幾乎相同於直接接觸式的充電器的有線充電效率，也就是無線充電效率近乎達到100%的效果。由此可知，為了降低屏蔽效應的影響，天線單元35與電池單元19之間的間距當然是越大越好，但在有限的複合基板12面積下，過大的間距仍會有犧牲過多的電路佈局面積的缺失，或是在部分的產品中，雖然天線單元與電池單元為貼齊或重疊的態樣而導致充電效率較差，不過因為產品本身的充電需求較低，在維持整體天線電池模組的尺寸可保持在較小設計的前提下，對於充電效果的影響也不至於太嚴重。

請參閱第9圖，其係本發明之具有天線單元之邏輯電池應用在一智能卡40的分解示意圖。由於智能卡40在運用上不僅需要動態生成安全碼，也可作為安全碼輸入進行信用交易的確認，例如可以輸入上表面42中所載之信用卡卡號或有效年月，或是下表面44所載之檢核碼，因此當按鍵電路46被使用者按下按鍵48觸發後，按鍵訊號便會經由訊號線傳遞到金屬導件50輸出，同時具有天線單元35之邏輯電池10亦透過金屬導件52對主機板54供電，經由主機板54中的控制單元運算後，以電磁訊號的方式將運算結果，藉由天線單元35發射至接收端，或顯示在顯示單元M上。接收端包含數位板之感應迴路，或其他接收電磁訊號的裝置，例如商店結帳櫃台前所擺設之付費感應讀卡機，或是用以替手機無線充電之感應器。此外，由於根據ISO 78165之智能卡規範，智能卡40與讀卡機相接觸的8個金屬腳位中，有2個腳位Vcc與Vpp是可以對智能卡40內部的積體電路進行供電，因此即使不透過感應充電的方式，主機板54的充電迴路仍可透過這兩個腳位取得外部電力對電池單元19進行充電。其中，金屬導件50、52係作為邏輯電池10與控制單元進行感應充電或是按鍵電路46訊號輸出之介面，除銅箔外亦可鍍上錫、銦、銀、黃銅、青銅或金以增加防蝕、抗氧化及導電之能力。

請再一併參閱第10A圖與第10B圖，此為本發明之邏輯電池應用在另一種智能卡之正、反面示意圖，與上述實施例不同的地方在於，本實施例中的天線單元35、電池單元19、電子模組20(例如圖中所示之按鍵電路)以及顯示單元M都藉由訊號線配置在同一塊複合電路基板12的兩電路層A1、A2上，而不再需要透過額外的金屬導件來連接，由於天線單元35係配置圍繞在整個智能卡40之最外圍，故當天線單元35只要有部分接觸接收端即可進行訊號傳輸或是無線充電。

綜上所述，本發明係提出一種嶄新的邏輯電池，其將電池單元所需的集電層與電子模組所需的導體線路層或天線單元整合於一複合基板上，來有效的降低整體厚度，在符合市場電子模組輕薄化的趨勢下，兼具元件簡化的環保需求，並同時更提供多元靈活化的電子模組組配空間。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

Claims

一種邏輯電池，其包含有：一複合基板，其包含有：一第一集電層；以及至少一導體線路層，其設置於該第一集電層；一第二集電層；一膠框，其夾設於該第一集電層與該第二集電層間，且該膠框具有二表面，其中一表面與該第一集電層黏著，另一該表面與該第二集電層黏著，且至少局部的該膠框係在正投影方向上與該第一集電層及該第二集電層重疊，使該膠框、該第一集電層及該第二集電層形成一封圍區域；以及一電化學系統層，其設置於該封圍區域內，該第一集電層、該第二集電層、該膠框與該電化學系統層構成一電池單元，該電化學系統層在正投影方向上的面積係小於該第一集電層、該第二集電層的至少其一的正投影面積，該電化學反應系統層包含有一第一活性材料層、一第二活性材料層與一設置於該第一活性材料與該第二活性材料層間之隔離層，該第一活性材料與該第一集電層接觸，該第二活性材料層與該第二集電層接觸。
如請求項1所述之邏輯電池，其中該複合基板更包含有一絕緣材料層，以電性隔離該第一集電層與該導體線路層。
如請求項1所述之邏輯電池，其中該導體線路層與該電化學系統層位於該複合基板同一側。
如請求項1所述之邏輯電池，其中該導體線路層與該電化學系統層位於該複合基板之相異側時，該導體線路層在正投影方向上係與該電化學系統層至少部分重疊或完全不重疊。
如請求項1所述之邏輯電池，其更包含有至少一電子模組，該電子模組與該導體線路層電性連接，該電子模組係選自於電路、電子模組及上述之組合。
如請求項1所述之邏輯電池，其中該複合基板為電路板。
如請求項1所述之邏輯電池，其中該第二集電層在非接觸該第二活性材料層接觸之端面更設置有一絕緣覆蓋層。
如請求項7所述之邏輯電池，其中該絕緣覆蓋層在非接觸該集電層之一側更設置有一圖案化金屬層，以作為電路佈局、集電或上述功能之組合。
如請求項1所述之邏輯電池，其中該第一活性材料層的正投影面積小於該第一集電層的正投影面積。
如請求項1所述之邏輯電池，其中該第二活性材料層的正投影面積小於該第二集電層的正投影面積。