Optimisation des thermistances C.T.N. en matériau KA

Optimisation des thermistances C.T.N.

en matériau KA. Soutenance de stage 3ème annéePrésenté par: Bourgerette GeoffroyMaitre de stage: Alain BEAUGERTuteur universitaire: Jean-Pierre BOQUILLON

1. Introduction.

2. Vieillissement sous différentes contraintes.

3. Cuisson des terminaisons sous atmosphère contrôlée.

4. Refroidissement rapide après palier de frittage.

5. Conclusion et perspectives.

PlanPlan

Introduction.

• Présentation de TPC.

• Généralités sur les thermistances C.T.N.

• Contexte et objectifs.

1

Présentation de TPC

Produits fabriqués : - Condensateur

- RNL : Thermistances, Varistances.

Chiffre d’affaires d’AVX en 2003 : 1 134 millions de $.

1700 employés (St Apollinaire, Penang, Hsin Chu).

Secteurs d’activité et clients : automobile (Valeo, Delphi); téléphonie

(Nokia, Sagem); militaire et spatial (Alcatel, EADS); biens de

consommation (Bosch, Sony, Sharp).

A Division of AVX Corporation

Généralités sur les thermistances C.T.N.

• Principe: thermistance à Coefficient de Température Négatif

La résistance quand la température

Courbe R=f(T) d'une Thermistance CTN

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Température (°C)

Résistance (Ohms) ou résistivité (Ohms.cm)

Généralités sur les thermistances C.T.N.

0 = résistivité (en .cm)

B = constante énergétique (en K)

T = température absolue (en K)En pratique :

e

SR 25

R25 = résistance à 25 °C (en )

S = surface de la céramique (en cm2)

e = épaisseur de la céramique (en cm)

• Principales caractéristiques électriques :

)/exp(0 TB

100(%)0

0

R

RR

R

R x Rx et R0 représentent respectivement les valeurs de résistance à t = x h et t = 0 h

85

25

8525

11

1)(

R

RLn

TT

KB

R85 = résistance à 85 °C (en )

Matériau KA: • Céramique spinelle à base d’oxyde de Mn, Ni et Co.

• Process monocouche:

Coulage en bande

Empilement

Thermo-compression

Brûlage - Frittage

Dépôt de terminaison

Cuisson de terminaison

Découpe au pas

Soudure

Enrobage

Mise en bande

Contexte:• Matériau KA : - vieillissement à 25°C (+3% à +7% / an)

- dérive de soudure non contrôlée

Cuisson de terminaison sous atmosphère contrôlée

Refroidissement rapide après palier de frittage

Obtenir une dérive après soudure reproductible.

Obtenir une dérive à l ’ambiante proche de zéro.

Conserver les caractéristiques électriques et mécaniques.

Objectifs:

Vieillissement sous différentes

contraintes.2

• Vieillissement sous différentes contraintes.

Vieillissement après soudure à l ’ambiante sous argon. Vieillissement après soudure à l ’ambiante sous pression. Vieillissement à 25°C dans un bain d ’huile siliconée. Conclusion.

• Vieillissement sous différentes contraintes.

But:

Mieux comprendre le phénomène de vieillissement.

Démarche:

• 3 tests différents: - sous Argon (pièces soudées)

- sous pression (pièces soudées)

- bain d ’huile siliconée (pavés)

• 20 échantillons / test

• Vieillissement après soudure à l ’ambiante sous argon.

Résultats: (échantillonnage: 20 échantillons / test)

Analyses:

Vieillissement sous argon ~ Vieillissement à l ’air

Nombre de jours (après soudure)

Val

eur

de

la d

ériv

e D

R/R

(%

)

• Vieillissement après soudure à l ’ambiante sous pression (30 PSI).

Résultats: (échantillonnage: 20 échantillons / test)

(Ω) (Ω)

Analyses:

Vieillissement sous pression ~ Vieillissement à l ’air

• Vieillissement à 25°C dans un bain d ’huile siliconée.

Résultats: (échantillonnage: 20 pavés / test)

Analyses:

Vieillissement dans huile siliconée ~ Vieillissement à l ’air

R25 (Ohm)

Dérive à 3 jours

Huile Siliconée

moyenne (dispersion %)

1737,67(0.36%)

-0,17%(-0.26%)

Airmoyenne

(dispersion %)1736,05(0.30%)

-0,14%(-0.29%)

• Vieillissement sous différentes contraintes.

Conclusion:

Pour les 3 tests de vieillissement :

Le vieillissement semble ne pas être la conséquence d’un processus d ’oxydoréduction des phases

Vieillissement équivalent(Conditions expérimentales du labo)

Cuisson des terminaisons sous

atmosphère contrôlée.

• Cuisson des terminaison sous azote.

Essais de cuisson de terminaison. Test d ’adhérence de la terminaison sur la céramique. Conclusion.

3

Coulage en bande

Empilement

Thermo-compression

Brûlage - Frittage

Dépôt de terminaison

Cuisson de terminaison

Découpe au pas

Soudure

Enrobage

Mise en bande

• Cuisson de terminaison sous azote

• Cuisson de terminaison sous azote

Tester la cuisson.

Vérifier la reproductibilité des valeurs de dérive après soudure.

Vérifier la dérive dans le temps.

Intérêt: vieillissement quasiment nul.

But:

Objectifs:

Obtenir une dérive après soudure reproductible.

Obtenir une dérive à l ’ambiante proche de zéro.

Conserver les caractéristiques électriques et mécaniques.

• Essais de cuisson de terminaison.

Résultats: (échantillonnage: 20 échantillons / cuisson)

Analyses:

Plus le taux d ’O2 , plus p et B

Plus le taux d ’O2 , (DR/R)to

Caractéristiques électriques correctes.

Coulage PO2 R25

(av Soud)R25

(ap Soud)Dérive de soudure

R85(av Soud)

B25-85 Résistivité

(ppm) (Ohm) (Ohm) (%) (Ohm) (K) (Ohm.m)

386 110 1800,00 1770,77 -1,62 233,90 3631,84 724

386 125 1768,01 1740,15 -1,58 229,70 3632,38 715

386 1200 1715,89 1654,33 -3,59 223,00 3631,63 690

386 C. Std 1414,53 1366,98 -3,36 184,50 3624,64 647

• Essais de cuisson de terminaison.

Résultats: (échantillonnage: 20 échantillons / cuisson)

-4,00%

-3,00%

-2,00%

-1,00%

0,00%

1,00%

2,00%

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Nombre de jours après soudure (J)

C386 (110 ppm)

C386 (125 ppm)

C386 Cuisson standard

C386 (1200 ppm)

Analyses:

Problème de vieillissement.

Val

eur

de

la d

ériv

e D

R/R

(%

)

Nombre de jours (après soudure)

• Test d ’adhérence de la terminaison sur la céramique.

But:

Tester le tenue de la terminaison sur la céramique.

Résultats: (échantillonnage: 20 pavés / mode de cuisson)

Analyses:

Tenue de la terminaison plus faible pour les échantillons frittés sous azote.

• Cuisson des terminaisons sous atmosphère contrôlée.

Conclusion:

Caractéristiques électriques correctes

Meilleure dérive après soudure en initiale

Mauvaise reproductibilité des dérives de soudure

Thermistances C.T.N. non stabilisées dans le temps

NE REPOND PAS AUX OBJECTIFS

Refroidissement rapide après palier de frittage. 4

• Refroidissement rapide après palier de frittage.

Introduction. Essais de trempe à l ’air après palier de frittage. Effet du refroidissement sur la microstructure du matériau. Conclusion.

Coulage en bande

Empilement

Thermo-compression

Brûlage - Frittage

Dépôt de terminaison

Cuisson de terminaison

Découpe au pas

Soudure

Enrobage

Mise en bande

• Cuisson de terminaison sous azote

• Introduction.

Tester le traitement thermique.

Vérifier la reproductibilité des valeurs de dérive après soudure.

Vérifier la dérive dans le temps.

Intérêt: Trempe Stabilisation de la céramique

But de l’étude:

Objectifs:

Obtenir une dérive après soudure reproductible.

Obtenir une dérive à l ’ambiante proche de zéro.

Conserver les caractéristiques électriques et mécaniques.

• Cycle thermique de frittage

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

9000

9500

10000

10500

11000

11500

12000

Temps (minutes)

Tem

pér

atu

re e

n °

C

Brûlage

Frittage

Trempe à l'air

RefroidissementStandard

• Essais de trempe à l ’air.

Résultats: (échantillonnage: 20 échantillons / mode de refroidissement)

Caractéristiques électriques:

Résistivité (Ohm.cm)

B(K)

R25 Av. Soudure (Ohm)

R25 Ap. Soudure (Ohm)

Dérive de Soudure

(%)

Dérive à 25°C à n jours (%)

n (jour)

Coulage A

Standardmoyenne

(dispersion %)6,53

(0.67%)3634

(0.03%)1590,70(0.55%)

1546,12(0.78%)

- 2,80%(- 0.19%)

-2,13%(-0.26%)

8

Trempe à l’air

moyenne (dispersion %)

7,77(0.67%)

3662(0.04%)

1885,97(0.58%)

1880,88(0.58%)

- 0,33%(- 0.13%)

-0,29%(-0.18%)

22

Coulage B

Standardmoyenne

(dispersion %)6,56

(0.35%)3638

(0.03%)1637,83(0.39%)

1584,92(0.44%)

- 3,23%(- 0.11%)

-2,56%(-0.15%)

8

Trempe à l’air

moyenne (dispersion %)

7,77(0.39%)

--1963,20(0.59%)

1957,05(0.59%)

-0,31%(-0.10%)

-0,33%(-0.10%)

15

Analyses:

- de p et B

- Valeurs de dérive après soudure proches et plus faible

• Essais de trempe à l ’air.Vieillissement à 125°C:

Résultats: (échantillonnage: 20 échantillons / mode de refroidissement)

0,00%

0,20%

0,40%

0,60%

0,80%

1,00%

1,20%

1,40%

1,60%

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Temps (H)

Va

leu

r d

e d

éri

ve

DR

/R (

%)

Trempe à l'air

Standard

Analyses:

Meilleure stabilité (dès 168 h)

• Effet du refroidissement sur la microstructure du matériau.

25 µm25 µm

Refroidissement lent Refroidissement rapide

Ø grains = 15 µm

microstructure homogène

Ø grains = 10 µm

grains plus arrondis

microstructure polyphasée

Porosité équivalente

• Refroidissement rapide après palier de frittage.

Conclusion: Caractéristiques électriques: de p et B

Meilleure dérive après soudure en initiale:

(- 0,3% céramique trempée / - 3% céramique standard)

Reproductibilité des dérives de soudure (à confirmer)

Thermistances C.T.N. stabilisées dans le temps

(microstructure polyphasée)

une « solution » pour les CTN en matériau KA

Conclusion et perspectives.

5

Conclusions

Vieillissement des C.T.N. ≠ processus d’oxydoréduction. Cuisson des terminaison sous atmosphère contrôlée:

PAS UNE SOLUTION A NOTRE PROBLEME

Refroidissement rapide après palier de frittage:

L’avenir des thermistances C.T.N. en matériau KA

Enseignements Personnels:

Mener une étude R&D en entreprise

Travail en équipe en milieu industriel

Perspectives

Vieillissement après soudure sur 12 mois.

Reproductibilité des valeurs de dérive après soudure.

Influence du traitement thermique sur:

dérive d’enrobage

C.T.N. ainsi élaborée

Industrialisation du procédé.

Merci de votre attention.

Des questions ?

• Test d ’adhérence de la terminaison sur la céramique.

Matériel utilisé :

2 crèmes à souder 220°C: - Sn95.5AgCu0.7 de MBO

- Sn60Pb40 de SOLDERCREAM machine de traction ADAMEL LHORMARGY DY30, capteur 1 KN

Four POLYPOS Poly-sold 16 (250°C)

20 échantillons pour chaque mode de cuisson.

Schéma de principe : Dépôt de crème à souder sur les 2 plots

ArgentureCéramique

• Vieillissement à 125°C pour les différents matériaux.

MatériauDR/R à 1000h - 125°C

(%)

KA 1,5

MN 0,8

ME 0,5

• Essais d’industrialisation.

Paramètres du four: Pour un palier de 90 minutes Tf = 1260°C

Vitesse de refroidissement à déterminer.

Autres essai: Brûlage & frittage standard + refrittage (1150°C) + trempe

à l’air (14 400°C / h):

conserve les caractéristiques électriques du standard

meilleures valeurs de dispersion

Procédé réalisable avec les moyens industriels présents.

Influence de la microstructure sur la stabilité électrique des C.T.N.

A. Rousset, A. Lagrange, M. Brieu, J.J. Courderc, R. Legros

Discussions:

• Céramiques trempées: (Phases précipitées + défaults bidimensionnels)

même mécanisme de conduction

meilleure stabilité

• Phénomène de vieillissement:

mécanismes intergranulaires