Entwicklung einer hermetischen Glas-Silizium Verkapselung als Gehäuse für integrierte Lithium Polymer Batterien

Abstract:
Es werden eine Aufbau- und Verkapselungstechnik von Mikrobatterien und Ergebnisse zu Zuverlässigkeitsuntersuchungen der Verkapselung sowie elektrischer Tests vorgestellt. Zur Herstellung der Batteriegehäuse wurden ca. 200 µm tiefe Kavitäten mittels reaktiven Ionenätzens (RIE) in einen Silizium-Wafer eingebracht. Nach Herstellung der Stromableiter mittels Dünnfilmtechnologien wurden vorkonfektionierte Batterielaminate (LixC6 und Li(1-x)CoO2, PVDF-Polymer-Matrix nach Bellcore-Verfahren) eingebaut. Das Package wurde mittels Glasdeckel verschlossen. Die Anforderung an die Dichtheit der Verkapselung ist außerordentlich hoch. Es wurden Untersuchungen zur Verklebung von Glasdeckel und Siliziumsubstrat durchgeführt. Die Materialverträglichkeit von Klebstoff und Elektrolyt wurde nachgewiesen. Da die Batteriematerialien, insbesondere die Polyolifin-Separatoren temperaturempfindlich sind, wurde die thermische Belastung während der UV-Härtung untersucht. Der Wärmeeintrag in die Batterie während des Klebeschritts konnte durch den Einsatz einer weitaus kälteren LED-Lichtquelle begrenzt werden. Die Dichtheit der Verkapselung wurde überprüft. Um die Wasserdampfpermeation durch den Kleberand zu bestimmen, wurde metallisches Kalzium ins Gehäuse eingebaut und unter definierten Bedingungen (Temperatur, Feuchte) ausgelagert. Die Degradation des Kalziums durch eintretendes Wasser wurde optisch ausgewertet. Die Funktionsfähigkeit der Mikrobatterien konnte mittels elektrischer Zyklisierungstests an verkapselten Batterien demonstriert werden.