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Akku/Batterien

Den Akku auf den Chip setzen

2. Juni 2014, 14:24 Uhr | Helmuth Lemme

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Akku auf dem Chip

Die Vision für die Minimierung von Kosten und Bauvolumen lautet: Den Akku gleich mit auf denselben Chip setzen wie den Mikrocontroller, alle Funktionen auf dem Wafer herstellen – möglichst auf einer vorhandenen CMOS-Linie ohne größere Erweiterungen, und erst wenn alles fertig ist, diesen zerteilen.

Was vor wenigen Jahren noch für utopisch gehalten worden wäre, ist mittlerweile Realität – beim Fraunhofer IZM in Berlin. Hier läuft seit Langem intensive Forschung an den verschiedensten Lithium-Ionen-Systemen, insbesondere an den Materialien für Anode, Katode, Elektrolyt, Separator und Verkapselung. In diesem Rahmen wurden verschiedene Aufbaumethoden untersucht, zuerst in Simulationen, dann an realen Versuchsobjekten. Um teure Chipfläche zu sparen, setzt man den Akku nicht auf dieselbe Seite wie den Mikrocontroller, sondern auf die Rückseite. Für den Anschluss werden mit einem Laser mikroskopische Löcher durch den Chip gebohrt und Durchkontaktierungen hergestellt. Diese Technik (TSV, Through Silicon Vias) wurde für die Stapelung von Chips entwickelt und wird mittlerweile gut beherrscht.

Eine Möglichkeit ist es, in die Siliziumoberfläche Vertiefungen einzuätzen und hier die Elektroden in Pastenform einzufüllen: unten die Katode, darüber eine Separatorschicht, die den Elektrolyten enthält, dann die Anode und schließlich eine Abdeckung (Bild 1). Im Labormaßstab hergestellte Prototypen funktionieren, aber der Fertigungsprozess ist kompliziert, weil die Separatoren bisher einzeln mechanisch aufgesetzt werden. In einem neuen, noch in Untersuchung befindlichen Prozess sollen diese alle gleichzeitig mittels Siebdruck hergestellt werden.

Als günstiger zeigt sich eine andere Anordnung: Die Elektroden liegen horizontal nebeneinander in getrennten Wannen. Die darüber liegende Elektrolytschicht wird flüssig eingefüllt und anschließend gelifiziert. Zuletzt kommt ein Deckel darüber (Bild 2). Die Breite der Elektrodenstreifen kann je nach Anforderungen bis etwa 1,8 mm betragen. Bei den Prototypen liegt die Kapazität in der Größenordnung 1 mAh/cm², der maximale Laststrom bei 5 bis 10 mA/cm².