B11506 - 11-T0-1139FR01 1 PROCÉDÉ DE RÉALISATION D'UNE MICROBATTERIE Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de réalisation d'une microbatterie, et une microbatterie susceptible d'être réalisée par ce procédé.
Exposé de l'art antérieur Le terme microbatterie désigne généralement un assemblage comprenant, sur un substrat de support, un empilement de couches minces formant un élément actif de batterie, et des plages de contact reliées à des électrodes de l'élément actif.
L'assemblage comprend en outre un revêtement de protection ne laissant accessible que les plages de contact de la micro-batterie. L'épaisseur totale d'une microbatterie est typiquement de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de pin, pour une surface allant de quelques mm2 à quelques cm2, ce qui permet de loger la batterie dans des espaces très restreints et permet de plus de réaliser des batteries flexibles. Les procédés existants pour réaliser des micro-batteries présentent l'inconvénient que certaines étapes de fabrication comprennent des manipulations relativement minu- tieuses et longues à mettre en oeuvre, impliquant l'utilisation d'équipements spécifiques onéreux. En particulier, la fixation du revêtement de protection d'une microbatterie est une B11506 - 11-T0-1139FR01 2 opération délicate qui nécessite des équipements spécifiques et limite de façon significative les cadences de production de microbatteries. Par ailleurs, un inconvénient des microbatteries 5 existantes est que les moyens de fixation du revêtement de protection au substrat de support sont relativement peu résistants à la chaleur. Il existe donc un risque de désolidarisation du revêtement de protection lorsque la température devient supérieure à un seuil, ce qui limite la température 10 maximale d'utilisation des batteries. Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un procédé de réalisation d'une microbatterie palliant au moins en partie certains des 15 inconvénients des procédés existants. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un procédé de réalisation d'une microbatterie permettant de fixer un revêtement de protection sur les microbatteries plus facilement et plus rapidement que 20 les procédés existants. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une microbatterie palliant au moins en partie certains des inconvénients des microbatteries existantes. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente 25 invention est de prévoir une microbatterie dans laquelle les moyens de fixation du revêtement de protection présentent une plus grande résistance à la chaleur que dans les microbatteries existantes. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention 30 prévoit un procédé de réalisation d'une microbatterie comportant, sur une face d'un premier substrat, un élément actif de batterie et deux plages de contact, ce procédé comprenant les étapes suivantes : a) former, sur une face d'un second substrat, deux plages de contact à un espacement compatible avec 35 l'espacement des plages du premier substrat ; et b) rapporter le B11506 - 11-T0-1139FR01 3 premier substrat sur le second substrat de façon que lesdites faces soient en regard et que les plages du premier substrat se superposent au moins partiellement à celles du second substrat, une partie des plages du second substrat n'étant pas recouverte par le premier substrat. Selon un mode de réalisation de la présente invention, à l'étape a), une pluralité de paires de plages de contact sont formées sur le second substrat, et, à l'étape b), une pluralité de substrats supportant chacun un élément actif et deux plages de contact sont rapportés sur le second substrat, une étape ultérieure de découpe du second substrat étant prévue pour séparer les microbatteries les unes des autres. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend une étape de fixation du premier substrat au second substrat par des moyens de fixation résistant à des températures supérieures à 100°C. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de fixation comprennent une colle électriquement conductrice reliant les plages du premier substrat aux plages du 20 second substrat. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de fixation comprennent de la pâte à braser reliant les plages du premier substrat aux plages du second substrat. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 25 les moyens de fixation comprennent une colle non conductrice reliant au moins certaines régions des premier et second substrats. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de fixation comprennent une couche de résine moulée 30 revêtant la face du premier substrat opposée à l'élément actif. Selon un mode de réalisation de la présente invention, des billes de contact sont fixées aux parties des plages du second substrat non recouvertes par le premier substrat. Un autre mode de réalisation de la présente invention 35 prévoit une microbatterie comportant : sur une face d'un premier B11506 - 11-T0-1139FR01 4 substrat, un élément actif de batterie et deux plages de contact ; et superposé au premier substrat côté élément actif, un second substrat comportant deux plages de contact à un espacement compatible avec l'espacement des plages de contact du premier substrat, les plages du premier substrat étant au moins partiellement en regard des plages du second substrat et reliées à ces plages, et une partie des plages du second substrat n'étant pas recouverte par le premier substrat. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 10 les premier et second substrats sont reliés par des moyens de fixation résistant à des températures supérieures à 100°C. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante 15 de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : les figures lA à 1C illustrent des étapes d'un exemple de procédé de fabrication de microbatteries ; la figure 2 est une vue en perspective d'une 20 microbatterie obtenue par le procédé des figures lA à 1C ; les figures 3A et 3B illustrent des étapes d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication de microbatteries ; la figure 4 est une vue en perspective illustrant un mode de réalisation d'une microbatterie susceptible d'être 25 obtenue par le procédé décrit en relation avec les figures 2A et 2B ; la figure 5 est une vue en perspective illustrant un autre mode de réalisation d'une microbatterie ; et les figures 6 à 10 sont des vues de dessus illustrant 30 schématiquement des exemples de forme de plages de contact de microbatteries. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de 35 plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par B11506 - 11-T0-1139FR01 ailleurs, seuls les éléments utiles à la compréhension de l'invention ont été représentés et seront décrits. En particulier, dans les modes de réalisation décrits ci-après, la structure et la méthode de fabrication de l'élément actif de 5 batterie utilisé n'ont pas été détaillées, la présente invention étant compatible avec tous les types d'éléments actifs de batterie connus de l'homme de l'art. Les figures lA à 1C illustrent des étapes d'un exemple de procédé de fabrication d'une microbatteries.
La figure lA est une vue de dessus illustrant, dans sa partie droite, la formation, sur une face d'un substrat de support 101, d'une pluralité de cellules 102 correspondant chacune à une microbatterie, et comprenant chacune un élément actif de batterie 103 et deux plages de contact métalliques 105a et 105b reliées respectivement à une électrode positive et à une électrode négative de l'élément actif 103. Dans un souci de simplification des schémas, les liaisons entre les plages de contact 105a et 105b et l'élément de batterie 103 n'ont pas été représentées. Le substrat de support 101 est par exemple un substrat en mica, en verre, ou en tout autre matériau adapté. L'épaisseur du substrat 101 est de préférence inférieure à quelques centaines de pin, par exemple inférieure à 200 pin. Dans un exemple particulier, le substrat 101 est de forme sensiblement rectangulaire d'environ 5,5 par 2,5 cm, et quatre cellules 102 ayant chacune une forme sensiblement rectangulaire d'environ 2,5 par 1,3 cm sont formées sur la face supérieure du substrat 101. Plus généralement, d'autres formes et/ou dimensions de substrat et de cellules peuvent être prévues. Dans l'exemple représenté, l'élément de batterie 103 occupe une région approximativement centrale de la cellule 102, et les plages de contact 105a et 105b sont situées en deux coins de la cellule. Comme l'illustre la partie gauche de la figure lA, outre le substrat de support 101 sur lequel sont formées les 35 cellules 102, on prévoit d'utiliser un second substrat 107 qui B11506 - 11-T0-1139FR01 6 servira, lors d'étapes ultérieures (figures lB et 1C), à réaliser un revêtement de protection pour les microbatteries. Le substrat 107 est par exemple un substrat de même nature et de mêmes dimensions que le substrat 101, mais sur lequel aucune plage de contact et aucun élément actif de batterie n'a été formé. La figure lB est une vue de dessus illustrant, dans sa partie droite, une étape au cours de laquelle les cellules élémentaires 102 sont séparées les unes des autres par découpage 10 du substrat de support 101 en pièces élémentaires. Parallèlement, comme l'illustre la partie gauche de la figure lB, le substrat 107 est lui aussi découpé en pièces élémentaires destinées à servir de revêtement de protection pour les cellules 102. Chaque pièce élémentaire de substrat 107 a 15 approximativement la même forme et les mêmes dimensions que la partie du substrat 101 d'une cellule 102 non revêtue par les plages de contact 105a et 105b. A titre illustratif, dans l'exemple particulier mentionné ci-dessus, chaque pièce de substrat 107 a la forme d'un rectangle d'approximativement 2,5 20 par 1,3 cm dont deux coins ont été découpés. La figure 1C est une vue en perspective illustrant une étape postérieure à l'étape de découpe décrite en relation avec la figure lB, au cours de laquelle, sur chaque cellule élémentaire 102, une pièce de substrat 107 est rapportée de 25 façon que le substrat 107 recouvre l'élément actif 103 et le substrat 101 (côté élément actif de la cellule) en ne laissant accessible que les plages de contact 105a et 105b. Pour fixer le substrat 107 au substrat 101, la face interne de la pièce de substrat 107 est enduite de colle puis ajustée contre la cellule 30 102. La figure 2 est une vue en perspective d'une microbatterie 200 obtenue par le procédé décrit en relation avec les figures LA à 1C. L'élément actif 103 (non visible sur la figure 2) est protégé des éléments extérieurs tels que 35 l'humidité, l'air, la poussière, etc., par le substrat de B11506 - 11-T0-1139FR01 7 support 101, le revêtement 107, et la colle de fixation du revêtement 107 au substrat 101. Les plages de contact 105a et 105b permettent de prendre des contacts électriques sur les électrodes de l'élément actif 103.
Un inconvénient du procédé décrit en relation avec les figures lA à 1C est que les étapes de découpe du substrat de revêtement 107, d'encollage des pièces de substrat 101 et 107, et de report des pièces de substrat 107 sur les pièces de substrat 101, sont relativement délicates et impliquent l'utilisation d'équipements onéreux. En outre, ces étapes sont relativement longues à mettre en oeuvre, ce qui restreint la cadence de production des microbatteries. Un autre inconvénient réside dans le fait que les colles disponibles pour fixer le revêtement de protection 107 sont relativement peu résistantes à la chaleur. A titre d'exemple, au-delà de 60 à 70°C, la colle se ramollit, au point que le revêtement 107 risque de se désolidariser du reste de la microbatterie, exposant partiellement ou totalement l'élément actif 103. Ceci limite la température d'utilisation des microbatteries, et impose en outre, lors de l'assemblage des microbatteries dans des systèmes électroniques, de ne pas dépasser des températures de l'ordre de 60 à 70°C, ce qui s'avère particulièrement contraignant. Les figures 3A et 3B sont des vues de dessus 25 illustrant des étapes d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication de microbatteries. Le procédé décrit en relation avec les figures 3A et 3B utilise des cellules élémentaires 102 du type décrit en relation avec la figure lB, c'est-à-dire comportant, sur une 30 face d'un substrat de support 101, un élément actif de batterie 103 et deux plages de contact 105a et 105b reliées respectivement à une électrode positive et à une électrode négative de l'élément actif 103. Les cellules 102 peuvent être fabriquées par le procédé décrit en relation avec les figures lA 35 et lB, ou par tout autre procédé adapté à réaliser des cellules B11506 - 11-T0-1139FR01 8 de ce type. Le procédé décrit ci-après concerne plus particulièrement la fixation d'un revêtement de protection sur les cellules 102. La figure 3A illustre une étape de formation, sur un substrat 307, ou plaquette, destiné à servir de revêtement de protection à des cellules 102, d'une pluralité de paires de plages de contact comprenant chacune une plage 305a et une plage 305b espacées d'une distance compatible avec l'espacement des plages de contact 105a et 105b d'une cellule 102. Les paires de plages de contact 305a, 305b sont suffisamment espacées les unes des autres pour permettre que des cellules 102 soient disposées à plat sur le substrat 307, de façon que leurs plages de contact 105a et 105b soient respectivement en regard de plages de contact 305a et 305b du substrat 307 et que les cellules 102 ne se chevauchent pas. Dans cet exemple, le substrat 307 présente, en vue de dessus, des dimensions nettement supérieures aux dimensions d'une cellule 102, c'est-à-dire que le substrat 307 peut recevoir un grand nombre de cellules 102, par exemple au moins 10 cellules 102.
Dans un mode de réalisation préféré, le substrat 307 a sensiblement la même forme et les mêmes dimensions que des substrats classiquement utilisés pour fabriquer des puces semiconductrices. En d'autres termes, dans un mode de réalisation préféré, le substrat 307 est compatible avec des équipements déjà existants dans les filières de fabrication de puces semiconductrices, et peut être traité et manipulé en utilisant de tels équipements. A titre d'exemple, le substrat 307 est un substrat en verre ou en mica de forme générale circulaire, d'approximativement 8 pouces soit environ 20 cm de diamètre, et d'épaisseur inférieure à quelques centaines de pin, par exemple inférieure à 200 gm. Bien entendu, des substrats en d'autres matériaux et/ou présentant d'autres formes et d'autres dimensions peuvent être utilisés. A titre d'exemple, les plages de contact 305a, 305b 35 sont en cuivre ou en un empilement de minces couches métalliques B11506 - 11-T0-1139FR01 9 de compositions distinctes, par exemple un empilement titanenickel-cuivre-or couramment désigné dans la technique par le sigle UBM, et présentent une épaisseur totale de l'ordre de quelques pin, par exemple comprise entre 1 et 5 gm. Les plages 305a, 305b sont par exemple réalisées en utilisant des équipements déjà existants pour réaliser des plages de contact métalliques sur des tranches semiconductrices. La figure 3B illustre une étape au cours de laquelle des cellules 102 sont rapportées sur le substrat 307 de façon que la face du substrat de support 101 des cellules supportant l'élément actif 103 et les plages de contact 105a et 105b soit en regard de la face du substrat 307 supportant les plages de contact 305a et 305b. Les cellules 102 sont positionnées de façon que leurs plages de contact 105a et 105b se superposent au moins partiellement à des plages de contact 305a et 305b du substrat 307, et qu'une portion des plages 305a et 305b ne soit pas recouverte par le substrat 101. Les plages 305a, 305b du substrat 307 ont de préférence une plus grande surface que les plages 105a, 105b des cellules. Dans l'exemple représenté, chaque plage 305a, 305b comporte une partie triangulaire, dont la forme correspond sensiblement à la forme d'une plage 105a, 105b d'une cellule 102 et à laquelle vient se superposer la plage 105a, 105b correspondante, et une partie carrée ou rectangulaire accolée à la partie triangulaire, non recouverte par le substrat 101 de la cellule 102. Bien entendu, les plages de contact du substrat 307 et des cellules 102 peuvent avoir d'autres formes que celles décrites ci-dessus. A titre d'exemple, le report des cellules 102 sur le substrat 307 peut être mis en oeuvre en utilisant des équipements déjà existants dans les filières de fabrication de dispositifs à puces semiconductrices pour reporter des puces discrètes sur une tranche ou plaquette de substrat. On peut noter dès à présent qu'un avantage du procédé décrit en relation avec les figures 3A et 3B est qu'il peut être 35 mis en oeuvre en utilisant des équipements déjà existants dans B11506 - 11-T0-1139FR01 10 les filières traditionnelles de fabrication de puces semiconductrices. Ceci rend accessible des technologies déjà connues pour la réalisation de dispositifs à puces semiconductrices, mais qui n'étaient jusque-là pas disponibles dans les filières de fabrication de microbatteries. En particulier, ceci rend accessible, pour fixer les cellules 102 au substrat 307, des moyens de fixation, et en particulier des colles, résistant à des températures plus élevées que les colles utilisées dans les procédés du type décrit en relation avec les figures lA à 1B. On peut par exemple prévoir d'utiliser une colle électriquement conductrice résistant à des températures supérieures à 100 à 130°C et de préférence supérieures à 150°C, pour relier les plages de contact 105a, 105b aux plages de contact 305a, 305b, et une colle non conductrice, par exemple à base d'époxy, résistant à des températures supérieures à 100 à 130°C et de préférence supérieure à 150°C, pour relier les substrats 101 et 307. La colle non conductrice est par exemple déposée à la périphérie du substrat 101, après le report de la cellule 102 sur le substrat 307, et pénètre par capillarité entre le substrat 101 et le substrat 307. Alternativement, la colle peut être déposée sur le substrat 307 et/ou sur le substrat 101 avant le report de la cellule 102 sur le substrat 307, ou injectée entre le substrat 101 et le substrat 307 après la mise en place de la cellule 102 sur le substrat 307. D'autres techniques d'encapsulation et de scellage pourront être utilisées, étant entendu qu'on choisira de préférence d'utiliser des moyens de fixation résistant à une température d'au moins 100 à 130°C, et de préférence supérieure à 150°C. A titre de variante, plutôt qu'une colle conductrice, une brasure à basse température, par exemple au moyen d'une pâte à braser déposée à environ 100 à 130°C, peut être prévue pour relier les plages 105a, 105b aux plages 305a, 305b. On notera qu'une soudure à haute température ne devrait pas être utilisée car cela conduirait à endommager l'élément actif de la micro- batterie, les éléments actifs de batterie usuels ne supportant B11506 - 11-T0-1139FR01 11 généralement pas des températures supérieures à environ 150 à 160°C. Après le report et la fixation des cellules 102 au substrat 307, il est prévu une étape de découpe, non représentée, pour séparer les microbatteries les unes des autres. L'étape de découpe est par exemple réalisée en utilisant des équipements déjà existants dans des filières de fabrication de puces semiconductrices pour découper une tranche semiconductrice en puces discrètes.
Un avantage du procédé décrit en relation avec les figures 3A et 3B est que les étapes de report et de fixation des cellules 102 sur le substrat 307 et de découpe du substrat 307, peuvent être réalisées en utilisant des équipements existants des filières traditionnelles de fabrication de dispositifs à puces semiconductrices. Ceci permet d'une part de réduire les coûts en équipements, et d'autre part d'augmenter de façon significative les cadences de production des microbatteries. Ceci permet de surcroit de prévoir des étapes d'inspection et de test des microbatteries, telles qu'on en prévoit déjà dans le domaine de la fabrication de puces semiconductrices. La figure 4 est une vue en perspective d'une microbatterie 400 susceptible d'être obtenue par le procédé de fabrication décrit en relation avec les figures 3A et 3B. La microbatterie 400 comprend, sur une face d'un substrat de support 101, un élément actif de batterie 103 et deux plages de contact 105a, 105b (non visibles sur la figure), et, superposé au substrat 101 (côté élément actif et plages de contact), un substrat de revêtement 307 comportant deux plages de contact 305a et 305b partiellement en regard respectivement des plages 105a et 105b, une partie des plages 305a, 305b n'étant pas recouverte par le substrat 101. Le substrat de support 101, le substrat de revêtement 307 et les moyens de fixation reliant le substrat 101 au substrat 307, constituent des éléments d'un boîtier protégeant l'élément actif 103 des éléments extérieurs tels que l'humidité, l'air, la poussière, etc. Les plages B11506 - 11-T0-1139FR01 12 conductrices 305a et 305b permettent de prendre des contacts électriques sur les électrodes de l'élément actif 103. La figure 5 est une vue en perspective d'une variante de réalisation d'une microbatterie 500. La microbatterie 500 diffère de la microbatterie 400 de la figure 4 en ce qu'elle comprend, outre les éléments déjà décrits en relation avec la figure 4, deux billes de contact 506a et 506b fixées respectivement aux parties des plages de contact 305a et 305b non revêtues par le substrat 101. De plus, la microbatterie 500 comprend une couche de résine 508 revêtant la face du substrat 101 opposée à l'élément actif 103, ainsi que la partie de la face du substrat 307 située côté élément actif 103 et non revêtue par le substrat 101. La couche de résine 508 laisse accessible uniquement la partie supérieure des billes de contact 506a, 506b. Les billes 506a et 506b permettent de faciliter la prise de contact sur les électrodes de l'élément actif de la batterie. La couche 508 renforce la fixation du substrat 101 au substrat 307, améliorant ainsi la protection de l'élément actif. A titre d'exemple, pour réaliser la microbatterie 500, on peut prévoir, dans un premier temps, après la formation des plages de contact 305a, 305b sur le substrat 307 (figure 3A) et avant l'étape de report des substrats 101 sur le substrat 307, de fixer les billes de contact 506a, 506b sur la partie des plages de contact 305a, 305b qui n'est pas destinée à être recouverte par les substrats 101. Ceci permet de fixer les billes 506a, 506b à des températures relativement élevées sans risquer d'endommager les éléments actifs de batterie 103. Dans un second temps, après l'étape de report et de fixation des cellules 102 sur le substrat 307 (figure 3B) et avant l'étape de découpe du substrat 307, on peut prévoir de déposer une couche de résine 508 d'épaisseur inférieure à la hauteur des billes, sur toute la surface du substrat 307. Un moule est par exemple positionné au-dessus du substrat 307 pour empêcher que de la résine ne se dépose sur la partie supérieure des billes 506a, 506b, et la résine 508 est ensuite injectée B11506 - 11-T0-1139FR01 13 entre le moule et le substrat 307. L'épaisseur de résine 508 revêtant les substrats 101 peut être de l'ordre quelques dizaines de gm, par exemple comprise entre 20 et 60 gm. Une étape de découpe de la couche de résine 508 et du 5 substrat 307 est ensuite prévue, pour séparer les microbatteries 500 les unes des autres. Les figures 6 à 10 sont des vues de dessus illustrant schématiquement, à titre d'exemple, diverses formes que peuvent prendre les plages de contact formées, à l'étape décrite en 10 relation avec la figure 3A, sur le substrat 307 destiné à servir de revêtement de protection à des cellules 102. Sur les figures, la partie gauche de la plage correspond à la partie de la plage sur laquelle, à l'étape décrite en relation avec la figure 3B, vient se superposer une plage correspondante 105a, 105b d'une 15 cellule 102, et la partie droite de la plage correspond à la partie de la plage non recouverte par le substrat 101 d'une cellule 102. Dans ces exemples, une portion de piste rectiligne relie la partie gauche de la plage de contact à sa partie droite.
20 La figure 6 représente une plage 605 dont les parties gauche et droite sont de formes approximativement circulaires. La figure 7 représente une plage 705 dont la partie gauche est de forme sensiblement carrée ou rectangulaire et dont la partie droite est de forme approximativement circulaire.
25 La figure 8 représente une plage 805 dont la partie gauche est de forme sensiblement triangulaire et dont la partie droite est de forme approximativement circulaire. La figure 9 représente une plage 905 dont la partie gauche est de forme sensiblement circulaire et dont la partie 30 droite est de forme approximativement carrée ou rectangulaire. La figure 10 représente une plage 1005 dont la partie gauche est de forme sensiblement circulaire et dont la partie droite est de forme approximativement triangulaire. Les plages de contact 105a, 105b des cellules 102 35 peuvent être adaptées aux formes correspondantes des parties B11506 - 11-T0-1139FR01 14 gauches des plages 605, 705, 805, 905 et 1005. Bien entendu, les plages de contact du substrat 307 et des cellules 102 peuvent avoir d'autres formes que celles décrites ci-dessus. Des modes de réalisation particuliers de la présente 5 invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on a décrit ci-dessus des microbatteries comportant chacune un unique élément actif de batterie 103. L'invention ne se restreint pas à ce cas particulier, et l'on pourra prévoir de réaliser des micro-10 batteries comportant chacune plusieurs éléments actifs interconnectés, ces éléments pouvant être juxtaposés ou superposés, et recouverts par un même revêtement de protection. En outre, l'invention ne se limite pas aux formes, dimensions et matériaux de substrats et cellules mentionnés à 15 titre d'exemple dans la présente description.