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[email protected] CONTACT [email protected] Tél : 05 87 50 24 14 [email protected] Tél : 05 87 50 24 14 Contexte F. Rossignol, M. Lejeune, N. Bouvier, SPCTS - UMR CNRS 7315, Limoges 4-CELESTE MAPR 2007 Condensateurs Céramiques à Capacité Colossale pour l’Electronique des Systèmes Embarqués Colloque ANR MATETPRO 15-16/10/2013 Condensateurs utilisés par Alstom Filtrage du Bus continu en sortie d'un redresseur Tension DC (V)a Capacité (mF) Courant eff. (A) Fréquence (kHz) 900 9 - 18 900 0 - 2,5 1800 3 - 4,5 400 0 - 0,8 4000 1 200 0 - 1,5 Tension DC (V) Capacité (μF) Courant eff. (A) Fréquence (kHz) 900 4 - 25 40 0 - 2,5 2000 1 - 4 25 0 - 0,8 Découpage de la tension Bus continu en entrée onduleur Filtrage alimentation de découpage pour piloter les IGBTs (Gate drive) Tension DC (V) Capacité (μF) Courant eff. (mA) Fréquence (kHz) 25 - 35 10 - 220 500 0 - 2,5 Objectif industriel Contrôle BT Condensateur électrochimique 220μF/35V 105°C Cartes allumeurs d’IGBT Composant base-céramique à forte permittivité ayant des valeurs proches des condensateurs électrochimiques Carte driver/allumeur Condensateurs : design standard Condensateurs multicouches (MLCC) Electrodes internes Couches diélectriques Terminaisons Adaptation à la fonction S. Guillemet-Fritsch, CIRIMAT - UMR CNRS 5085, Toulouse T. Lebey, Z. Valdez-Nava, C. Combettes, LAPLACE - UMR CNRS 5213, Toulouse R. Noguera, C. Dossou-Yovo - Ceradrop, Limoges J. Sarrias – Marion Technologies, Verniolle E. Dutarde, S. Dagdag – Alstom, Tarbes Nouveau design Construc on 3D Sec on Electrode Contre-électrode Diélectrique Simulation des performances Représentation : Surface = Potentiel électrique Iso-valeur = Champ électrique We = 3,342755.10 -10 J/unité de longueur We = 2,335067.10 -1 0 J/unité de longueur C/l = 6,69.10 -10 F/ unité de longueur C/l = 4,67.10 -10 F/ unité de longueur Gain = 43% Aspects Matériaux et Procédés Poudres diélectriques CaCu 3 Ti 4 O 12 (CCTO) Co-précipitation d’oxalates mixtes dans l’éthanol puis calcination Phase majoritaire : CuO Phases minoritaires : CaTi4O9 et TiO2 Phase majoritaire : CCTO Phase minoritaire : CuO Traces de TiO2 et CaTiO3 650 °C 950 °C Synthèse au laboratoire Ajustement des paramètres : taille, composition, morphologie, état d’agrégation Résultats / Bilan Mise en forme par impression jet d’encre Prototypage 3D goutte par goutte à partir d’un fichier CAO Approche « multimatériaux » Formulation des encres poudre 4 vol.% < < 15 vol.% Risque d’obturation des buses Compacité/épaisseur en cru Viscosité des suspensions Tenue mécanique en cru Liants Désagglomération de la poudre Dispersants Ejection/étalement des gouttes Empilement des couches Surfactants… Véhicules tests métalliques Pistes interdigitées de résolution 58μm en cru avec quelques défauts (coalescence) Résistance couche métallique = 0,009 Ohm - Phase majoritaire : CCTO - Phase minoritaire : CuO Ségrégation de phase limité (CuO : additif de frittage) Contraintes du procédé jet d’encre : grains < 1 μm = buses /50 Poudre agrégée : broyage nécessaire Ajout d’un dispersant de broyage (Max. efficacité et éviter ré-agglomération) Industrie : voie carbonate Bilan 950°C Véhicules tests céramiques Obtention de blocs de CCTO de 200 couches Couches élémentaires d'épaisseur 4 μm / couche Déliantage Frittage Propriétés véhicules tests céramiques Influence de l’atmosphère de frittage Blocs de CCTO frittés sous Atmosphère de frittage Ar/3%H2 Ar/3%H2 puis O2 Air O2 Taille des grains (μm) 2 - 5 2 - 5 5-10 50 2 – 5 50-100 εr 86183 27171 78007 256832 Tan δ 0,93 0,24 0,56 0,29 Propriétés électriques mesurées à T°C ambiante, 1 Veff, 1 kHz Phénomènes de barrières internes Traitements thermiques sous 2 atmosphères successives 1) Réductrice grains semi-conducteurs 2) Oxydante joints de grains isolants t A gb eff × ε = ε εeff : permittivité relative du matériau ε gb : permittivité relative des joints de grains A : taille des grains t : épaisseur des joints de grains Internal Barrier Layer Capacitor Acquisition de savoir-faire stratégiques pour les PME partenaires Synthèse de poudres spécifiques (Marion Technologies) Formulation d’encres (Ceradrop) Diffusion des savoir-faire Validation de la technologie jet d’encre sur véhicules de tests Intégration 3D reste à démontrer Matériau base-CCTO Interaction avec les têtes d’impression piézoélectriques Pertes di-électriques trop élevées

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[email protected]

[email protected] Tél : 05 87 50 24 [email protected] Tél : 05 87 50 24 14

Contexte

F. Rossignol, M. Lejeune, N. Bouvier, SPCTS - UMR CNRS 7315, Limoges

4-CELESTE MAPR 2007

Condensateurs Céramiques à Capacité Colossale pour l’Electronique des Systèmes Embarqués

Colloque ANR MATETPRO 15-16/10/2013

Condensateurs utilisés par Alstom

Filtrage du Bus continu en sortie d'un redresseur

Tension DC (V)a Capacité (mF) Courant eff. (A) Fréquence (kHz)

900 9 - 18 900 0 - 2,5

1800 3 - 4,5 400 0 - 0,8

4000 1 200 0 - 1,5

Tension DC (V) Capacité (µF) Courant eff. (A) Fréquence (kHz)

900 4 - 25 40 0 - 2,5

2000 1 - 4 25 0 - 0,8

Découpage de la tension Bus continu en entrée onduleur

Filtrage alimentation de découpage pour piloter les IGBTs (Gate drive)

Tension DC (V) Capacité (µF) Courant eff. (mA) Fréquence (kHz)

25 - 35 10 - 220 500 0 - 2,5

Objectif industriel

Contrôle BT

Condensateur électrochimique 220µF/35V 105°C

Cartes allumeurs d’IGBT

Composant base-céramique à forte

permittivité ayant des valeurs proches

des condensateurs électrochimiques

Carte driver/allumeur

Condensateurs : design standard

Condensateurs multicouches (MLCC)

Electrodes internes

Couches diélectriques

Terminaisons

Adaptation à la fonction

S. Guillemet-Fritsch, CIRIMAT - UMR CNRS 5085, Toulouse

T. Lebey, Z. Valdez-Nava, C. Combettes, LAPLACE - UMR CNRS 5213, Toulouse

R. Noguera, C. Dossou-Yovo - Ceradrop, Limoges

J. Sarrias – Marion Technologies, Verniolle

E. Dutarde, S. Dagdag – Alstom, Tarbes

Nouveau design

Construc on 3D Sec on

Electrode

Contre-électrode

Diélectrique

Simulation des performances

Représentation : Surface = Potentiel électrique Iso-valeur = Champ électrique

We = 3,342755.10-10 J/unité de longueur We = 2,335067.10-10 J/unité de longueur

C/l = 6,69.10-10 F/unité de longueur C/l = 4,67.10-10 F/unité de longueur

Gain = 43%

Aspects Matériaux et Procédés

Poudres diélectriques CaCu3Ti4O12 (CCTO)

Co-précipitation d’oxalates mixtes dans l’éthanol puis calcination

Phase majoritaire : CuO Phases minoritaires : CaTi4O9 et TiO2

Phase majoritaire : CCTO Phase minoritaire : CuO Traces de TiO2 et CaTiO3

650 °C 950 °C

Synthèse au laboratoire

Ajustement des paramètres : taille, composition, morphologie, état d’agrégation

Résultats / Bilan

Mise en forme par impression jet d’encre

Prototypage 3D

goutte par goutte

à partir d’un fichier CAO

Approche « multimatériaux »

Formulation des encres

poudre 4 vol.% < < 15 vol.%

Risque d’obturation des buses �

Compacité/épaisseur en cru �

Viscosité des suspensions

Tenue mécanique en cru

Liants

Désagglomération

de la poudre �

Dispersants

Ejection/étalement des gouttes

Empilement des couches

Surfactants…

Véhicules tests métalliques

Pistes interdigitées de résolution ≈ 58µm en cru

avec quelques défauts (coalescence)

Résistance couche métallique = 0,009 Ohm

- Phase majoritaire : CCTO - Phase minoritaire : CuO

Ségrégation de phase limité

(CuO : additif de frittage)

Contraintes du procédé jet d’encre : ∅ grains < 1 µm = ∅ buses /50

Poudre agrégée : broyage nécessaire

Ajout d’un dispersant de broyage (Max. efficacité et éviter ré-agglomération)

Industrie : voie carbonate

Bilan

950°C

Véhicules tests céramiques

Obtention de blocs de CCTO de 200 couches Couches élémentaires d'épaisseur 4 µm / couche

Déliantage

Frittage

Propriétés véhicules tests céramiques Influence de l’atmosphère de frittage

Blocs de CCTO frittés sous

Atmosphère de

frittage Ar/3%H2

Ar/3%H2 puis

O2 Air O2

Taille des grains

(µm) 2 - 5 2 - 5

5-10

50

2 – 5

50-100

εr 86183 27171 78007 256832

Tan δ 0,93 0,24 0,56 0,29

Propriétés électriques mesurées à T°C ambiante, 1 Veff, 1 kHz

Phénomènes de barrières internes

Traitements thermiques sous 2 atmosphères successives 1) Réductrice grains semi-conducteurs

2) Oxydante joints de grains isolants

t

Agbeff ×ε=ε

εeff : permittivité relative du matériau εgb : permittivité relative des joints de grains A : taille des grains t : épaisseur des joints de grains

Internal Barrier

Layer Capacitor

� Acquisition de savoir-faire stratégiques pour les PME partenaires

• Synthèse de poudres spécifiques (Marion Technologies)

• Formulation d’encres (Ceradrop)

Diffusion des savoir-faire

� Validation de la technologie jet d’encre sur véhicules de tests

Intégration 3D reste à démontrer

Matériau base-CCTO• Interaction avec les têtes d’impression piézoélectriques

• Pertes di-électriques trop élevées