Défauts et mécanismes de défaillance possibles

La technologie des micro-batteries est en développement. Elle évolue en particulier avec les résultats obtenus en analyse. Il n’est donc pas possible, encore aujourd’hui, de déterminer l’ensemble des mécanismes de défaillance du produit final. Les types de défauts générés sont découverts en même temps que les premières analyses sont réalisées et la fabrication est modifiée de manière à éviter ces défauts.

Ainsi, la base de données des défauts possibles se complète au fur et à mesure que le projet de développement du produit avance.

Cette partie s’attache cependant à présenter les défauts et mécanismes de défaillance que les premiers produits et les premières réflexions ont déjà pu identifier. Cette liste bien que non exhaustive donne une première approche des défauts pouvant se produire au cours de la fabrication, et des mécanismes de défaillance décelés en cours d’utilisation, ou lors du stockage de la micro-batterie. Tous peuvent être à l’origine de modifications des caractéristiques électriques de la micro-batterie. Ce sont donc des exemples de défaillances qu’il est nécessaire de pouvoir analyser.

5.2.1 Défauts susceptibles d’apparaitre au cours du procédé Il a été souligné que la fabrication des micro-batteries est différente de celle des produits discrets. La différence réside dans les matériaux à déposer mais les procédés eux-mêmes sont relativement proches de la microélectronique standard. On retrouve l’utilisation d’un substrat (silicium ou Mica), le dépôt de couches minces, la réalisation des gravures sèches ou humides, qui sont autant de méthodes classiquement employées dans la microélectronique.

On pourra donc retrouver des erreurs de procédé similaires :

- Des mauvais positionnements de couches (mauvais positionnement de masque)

- Des dépôts mal réalisés (couches trop fines, trop épaisses, avec des impuretés)

- Des gravures non correctes (couches trop ou pas assez gravées)

Les modes de défaillances qui en découlent seront directement répercutés dans les caractéristiques électriques de la micro-batterie. Ils sont présentés dans le tableau 16.

L’emploi de matériaux non classiques pour la microélectronique va être à l’origine de mécanismes de défaillance non standards.

On peut ainsi citer l’un des plus spécifiques aux micro-batteries : l’oxydation des couches actives. Certains des matériaux employés dans les couches actives de la micro-batterie contiennent du lithium qui, de la même façon que les autres métaux alcalins, réagit au contact de l’air et/ou de l’eau. Ces couches de la micro-batterie s’oxydent donc très facilement dans des milieux riches en azote ou en oxygène et ne doivent pas être en contact avec l’air ou l’eau tout au long du procédé. Cela implique qu’aucun nettoyage à l’eau n’est possible, ou encore qu’aucun stockage à l’air ne doit être fait pendant le procédé de fabrication.

Par les premières conclusions d’analyses de défaillance que nous avons réalisées, nous avons pu voir que les zones de la micro-batterie touchées par cette oxydation deviennent inactives. En fonction du positionnement de ces zones « inactives » dans la structure, différents modes de défaillance vont être générés : une résistance interne élevée, le passage de la micro-batterie en circuit ouvert, ou une réduction de la capacité de la micro-batterie (fig. 100).

Cette oxydation des couches peut se produire tout au long du procédé, dès lors que les matériaux sont mis au contact de manière accidentelle d’un environnement riche en azote ou en oxygène.

Figure 100: Exemples d’oxydation de couche et de leur impact :

Cas 1 : Circuit ouvert : pas de passage possible pour le lithium Cas 2 : Résistance interne élevée : le lithium peut moins facilement être

transféré d’une électrode à l’autre

Cas 3: Capacité plus faible : moins d’ions lithium peuvent participer à la

Cause Modes de défaillance

Mauvais dépôt -Modification des caractéristiques de charge et de décharge de la batterie

Mauvais positionnement des couches

-Court-circuit entre les électrodes -Circuit ouvert

Mauvaise gravure -Court-circuit entre les électrodes -Circuit ouvert

-Modification des caractéristiques de charge et de décharge de la batterie

Mécanisme de défaillance Modes de défaillance

Oxydation des matériaux de la couche active

-Résistance interne élevée -Capacité réduite

-Circuit ouvert

Tableau 16. Causes et mécanismes de défaillance des micro-batteries au cours du

procédé de fabrication et modes de défaillance associés

5.2.2 Mécanismes de défaillance liés à l’utilisation de la micro-batterie et à son environnement

Au cours de l’utilisation de la micro-batterie, trois causes de défaillances majeures peuvent être générées :

- une surcharge : à la charge, une trop forte tension est appliquée entre les deux électrodes. Le LiPON qui agit comme le diélectrique d’une capacité, peut alors être endommagé.

- une sous-charge : la batterie est trop fortement déchargée et sa tension descend au-dessous de sa tension minimale. Cela peut endommager le matériau de l’électrode positive si trop de lithium est inséré dans sa structure.

- une mise en circuit : les électrodes de la micro-batterie sont court-circuitées, ce qui décharge instantanément la micro-batterie. Un courant important traverse alors la micro-batterie pouvant faire fusionner les matériaux.

Les conditions environnementales peuvent aussi dégrader les micro-batteries. Ces micro-batteries peuvent être sensibles au stockage en humidité qui peut mener à l’oxydation des couches actives dans le cas d’une mauvaise encapsulation.

La température de l’environnement de la micro-batterie peut aussi affecter ses performances. En augmentant la température de l’environnement (à 60°C par exemple), il a été révélé que le phénomène d’autodécharge était accentué générant une réduction irréversible de la capacité. A de plus hautes températures, certains matériaux comme la passivation peuvent être dégradés et leurs propriétés peuvent être modifiées. Enfin si la température varie rapidement (cyclage thermique), des contraintes thermo-mécaniques peuvent être générées entre les couches, menant à des délaminations.

De manière générale, les défaillances électriques que l’on pourra retrouver sur les micro-batteries sont :

- des court-circuits - des circuits ouverts

- des spectres d’impédance non conformes (résistances internes élevées, réponse d’une interface supplémentaire…)

- des courbes de charge à tension constante non conformes (en particulier courant de charge trop ou pas assez élevé)

- une capacité trop faible

5.3 Evaluation de la méthodologie standard d’analyse et de ses