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Energie

MELIES : la microbatterie, une nouvelle solution de stockage d’électricité

S2E2 , 

© STMicroelectronics

Des microbatteries rechargeables et très fines : incorporées dans des cartes de crédit comportant un écran, associées à des capteurs électroniques pour la surveillance des ponts ou des façades des bâtiments, intégrées à des applications médicales comme les sonotones.  

Le pôle de compétitivité S2E2, Smart Electricity Cluster, a labellisé le projet MELIES qui a ensuite bénéficié d’une subvention dans le cadre du 6e appel à projets du Fonds unique interministériel.

Stocker l'électricité tout en relevant le défis de la miniaturisation

Faire émerger des microsystèmes capables de stocker l’électricité, tout en relevant les défis de la miniaturisation, a été le principal enjeu du projet MELIES. Il avait pour objectifs :

  • d’identifier les procédés et les outils pour fabriquer des microbatteries et préparer ainsi leur industrialisation ;
  • développer les technologies nécessaires à la réalisation de microbatteries à l’aide de procédés et d’équipements similaires à ceux de la microélectronique. L’idée est d’envisager leur fabrication industrielle à moyen-terme, soit dans environ 3 à 5 ans ;
  • d’intégrer ces microbatteries dans les boitiers standards utilisés par la microélectronique ; la microbatterie devenant alors un composant électronique comme les autres ;
  • placer les microbatteries au plus près des applications en les associant à  des puces électroniques actives : dans des cartes électroniques, dans des circuits imprimés et au cœur d’un même boitier. 

Parmi les utilisations possibles à court et moyen termes, trois grandes familles ont été identifiées.

La surveillance des infrastructures

Dans le bâtiment notamment, de nombreux capteurs sont utilisés pour la surveillance des vibrations, de la chaleur, des contraintes. Aujourd’hui, ces capteurs fonctionnent avec des piles qu’il faut changer régulièrement. Souvent d’accès difficile, sur des ponts, ou des façades, cette opération de maintenance est lourde et coûteuse. Les microbatteries pourront être associées à un dispositif de recharge vibratoire, thermique ou solaire. Elles permettront de constituer des systèmes autonomes, à énergie « perpétuelle », ne nécessitant plus aucune opération de recharge manuelle.

La sécurité internet

Le renforcement des transactions commerciales nécessite l’utilisation de cartes de crédits à authentification renforcée. Ces nouvelles cartes de crédit seront dotées d’un écran consommateur d’électricité. Afin de réaliser de telles cartes de crédits, une source d’énergie pourrait être embarquée dans l’épaisseur de la carte. Fines et flexibles, les microbatteries s’intègreront alors parfaitement dans le format de la carte de crédit.

L’assistance médicale

Les microbatteries permettront de remplacer les piles, actuellement non rechargeables, coûteuses, et polluantes, dans les dispositifs médicaux, par exemple pour des applications de types sonotones.    

À plus long terme, on pourrait imaginer des téléphones ou des tablettes avec microbatteries intégrées. Celles-ci seraient placées dans le circuit imprimé du téléphone ou de la tablette.

Les partenaires du projet :

  • Le porteur du projet est STMicroelectronics. Le groupe a démontré la faisabilité des systèmes à microbatterie embarquée pour la microélectronique ;
  • Le CEA-Liten, établissement public de recherche, a défini et développé les procédés et les outils pré-industriels pour la réalisation de microbatteries ;
  • Ciretec (PME) a démontré la faisabilité des systèmes à microbatterie embarquée pour l’électronique.
  • Alpha Test (PME) a défini les procédés de test et de caractérisation des microbatteries.  

    

Une ligne de recherche pour les microbatteriesde 200 mm a été mise en place en salle blanche au CEA © CEA-LITEN

Description des travaux menés

Le CEA a porté son activité sur la réalisation des véhicules de test applicatifs de différentes générations pour optimiser le futur procédé de fabrication des microcellules d’énergie, réaliser les échantillons pour les 3 autres partenaires du projet, mettre en place les équipements adaptés à cette technologie et pré-développer les procédés de fabrication des microcellules d’énergie sur substrats silicium 200mm.

STMicroelectronics a développé le module énergie et l’intégration technologique de la microbatterie dans un boitier et aux côtés d’autres puces ayant des fonctionnalités différentes par la technique de découpe et de brasage.     Les travaux menés par Ciretec ont porté sur une redéfinition des paramètres de procédés permettant de répondre aux exigences de positionnement des modules d’énergie au sein du circuit imprimé mais aussi aux contraintes physiques (température et pression) subies au cours du cycle de fabrication du circuit imprimé, qui devront rester admissibles par les microbatteries.

Les sauts technologiques réalisés sur la technologies des batteries. Trois générations de batteries réalisées dans le cadre du projet : en 2006, les premières comportaient 50 batteries sur un support de diamètre 150 mm. En 2010, les secondes intégraient 500 batteries pour un diamètre du support de 200 mm. En 2011, la 3e génération comporte 5200 batteries avec une plaquette de diamètre 200 mm. © STMicroelectronics 

Alpha Test a intégré le projet MELIES pour son approche sur la métrologie. Alpha Test a assuré le contrôle des performances des microbatteries, les a testées, caractérisées et fiabilisées en développant les bancs de test et de fiabilité.

La microbatterie enfouie dans le circuit imprimé © Ciretec 

Premières retombées technologiques et économiques

  • Résultats, produits, prototypes, démonstrateurs, services issus des travaux de R&D :
    • Deux familles de microbatteries ont été définies permettant leur utilisation dans différentes applications. La marque « EnFilmTM », propriété de STMicroelectronics, a alors été déposée.
    • Les procédés de réalisation des microbatteries ont été définis. Certains équipements préindustriels ont été mis en place sur le site du CEA-Liten. Ils sont les premiers équipements de leur génération à pouvoir fabriquer industriellement des microbatteries.
    • Trois générations de puces intégrant une microbatterie ont été développées dans le cadre du projet. La 3e génération de puces devrait être  achevée fin 2012 ; dans l’attente, des échantillons de puces de cette troisième génération sont d’ores et déjà disponibles.
    • Le couplage, à l’intérieur d’un même boitier, d’une microbatterie avec, par exemple, un microprocesseur, un microcontrôleur, l'’intégration des microbatteries directement dans des circuits imprimés ont été réalisés.
    • La mise en place d’un banc de fiabilité automatique pour mettre la technologie des micro-batteries sous contraintes de températures, d’humidité, de stress mécaniques et/ou électriques et évaluer ainsi leurs performances. Une offre de service « bancs de tests » peut maintenant se développer pour tout autre industriel intéressé, indépendamment du projet de R&D.
  • Brevets : 11
  • Publications scientifiques : 15
  • Créations d’emplois : plus d’une centaine, envisagées à moyen terme.
  • Mises en perspective : le projet a permis de démontrer que la réalisation de microbatteries était envisageable industriellement à l’aide d’équipements et de procédés analogues à ceux de la microélectronique. MELIES se poursuivra par le développement de cette technologie à une échelle industrielle. L’installation pilote devrait prochainement être mise en place sur le site de STMicroelectronics à Tours. Elle permettra d’améliorer les technologies des microbatteries et d’en augmenter les performances. L’industrialisation de ces technologies est alors envisagée à Tours, afin de pouvoir démarrer une production en 2014-2015. Parallèlement, les principes des microbatteries intégrées aux circuits imprimés sont en phase de développement. La prospection commerciale a été démarrée par STMicroelectronics et Ciretec. Si la commercialisation se concrétise, une ligne de production pourrait voir le jour chez Ciretec. Les outils de tests, de fiabilisation et de caractérisation permettent un élargissement de l’offre de services de la société Alpha Test. De nouveaux débouchés commerciaux sont donc attendus. Enfin, ce projet fait l’objet d’un prolongement à travers les programmes Stressbat et Tours2015. StressbatIl concerne l’optimisation des architectures des micro-batteries par simulation thermomécanique, alors qu’un des axes importants du programme Tours2015 concerne la poursuite de la recherche expérimentale et le développement industriel des microbatteries.  

Banc de test MELIES. ©Alpha Test

 

Les pôles de compétitivité
DATAR et Ministère de l'Économie, des Finances et de l'Industrie

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