Ein hochmoderner intelligenter Herzschrittmacher hat einen kritischen Ausfall erlitten, der das Leben des Patienten gefährdet. Die Ursache war weder ein Softwarefehler noch gewöhnlicher Verschleiß, sondern eine mikroskopische Explosion in seiner Batterie. Die forensische Analyse mittels Computertomographie (CT) hat das Vorhandensein von Lithium-Dendriten offenbart, die den Separator durchdrangen und einen thermischen Kurzschluss im Nanometerbereich auslösten.
CT-Analyse und Segmentierung in Dragonfly und VGSTUDIO MAX 🔬
Um den Fehler zu lokalisieren, griffen die Ingenieure auf die Röntgen-Mikrotomographie zurück. Mit einer Auflösung von unter 1 Mikrometer erfasste der Scanner die innere Struktur der Zelle. Die volumetrischen Daten wurden in Dragonfly verarbeitet, wo eine auf Deep Learning basierende Segmentierung angewendet wurde, um die metallischen Lithiumformationen zu isolieren. Diese nadelförmigen Strukturen wuchsen von der Anode zur Kathode. Anschließend wurde in VGSTUDIO MAX eine Analyse der Porosität und Dicke des Separators durchgeführt, die die Perforation bestätigte. Die 3D-Rekonstruktion ermöglichte es, den genauen Pfad der Dendriten zu visualisieren, die den Kurzschluss verursachten.
Thermische Simulation und die Zukunft der Mikrofertigung 🔥
Der nächste Schritt war der Import der Dendritengeometrie in Altium Designer für eine transiente thermische Simulation. Die Ergebnisse zeigten einen lokalisierten Temperaturspitzenwert von über 300 Grad Celsius am Kontaktpunkt, ausreichend, um den Elektrolyten zu verdampfen. Dieser Fall zeigt, dass die 3D-Visualisierung nicht nur zur Dokumentation von Fehlern dient, sondern auch zur Neugestaltung von Separatoren und Anoden mit Strukturen, die das Dendritenwachstum hemmen. Die Halbleiterindustrie für medizinische Geräte muss diese Analyseinstrumente in ihre Qualitätskontrollprozesse integrieren.
Da die 3D-Mikrofertigung die Herstellung von Elektroden mit dreidimensionalen Architekturen zur Verbesserung der Energiedichte ermöglicht, welche spezifischen Herausforderungen bei Design und Materialabscheidung müssen überwunden werden, um die Nukleation und das Wachstum von Lithium-Dendriten in implantierbaren Herzschrittmacher-Batterien zu verhindern?
(PS: Einen 200mm-Wafer zu simulieren ist wie eine Pizza zu machen: Jeder will ein Stück davon)