Les condensateurs

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Date de publication :

10 février 2007

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Condensateurs

Cet article est issu de : Électronique - Automatique | Électronique

par Alain BEAUGER, Jean-Marie HAUSSONNE,Jean-Claude NIEPCE

Résumé Les condensateurs, composants passifs, sont utilisés dans tous les domaines

de l’électronique. Leurs performances électriques dépendent de la nature du diélectrique

et de la structure électrode-isolant-électrode, ce qui permet de les classer en trois grandesfamilles : condensateurs céramiques, électrochimiques et à film plastique. Le choix du

type de condensateur dépend de l’application visée : il s’effectue en tenant compte de la

valeur de la capacité recherchée et du comportement du diélectrique en fonction des

conditions d’utilisation. Les technologies de mise en œuvre et de report, ainsi que les

contraintes de fiabilité et de coût sont également à considérer.

Abstract Capacitors, passive components, are used in every domain of electronics.

Their electric performances depend on the nature of the dielectric and on the

electrode-insulator-electrode structure, which allows for classifying them into three large

families: ceramic, electrochemical and plastic film capacitors. the choice of the type of

capacitor depends on the desired application; it must take into account the value of the

desired capacity and the behavior of the dielectric according to the conditions of use.

Implementation and sticking technologies as well as reliability and cost constraints are

also to be considered.

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Condensateurs

par Alain BEAUGERDocteur en chimie-physique Ingénieur en R&D à TPC AVX Corporation

Jean-Marie HAUSSONNEIngénieur ENSCI de Sèvres, Docteur ès-Sciences Professeur à l’Université de Caen Basse-Nomandie, DRRT Région Bretagne

et Jean-Claude NIEPCEAgrégé de Physique, Docteur ès-Sciences Professeur à l’Université de Bourgogne

es condensateurs appartiennent à la famille des composants passifs, et ils sont utilisés dans tous les domaines de l’électronique : télécommunications,

informatique, automobile, spatial, grand public, etc. De façon très basique, ils permettent d’emmagasiner transitoirement une charge électrique entre deux électrodes qui sont séparées par un matériau isolant appelé diélectrique. Leurs performances électriques dépendent de la nature du diélectrique et de la structure électrode-isolant-électrode. Ces considérations permettent de les classer en trois grandes familles :

— condensateurs céramiques ; — condensateurs électrochimiques ; — condensateurs à film plastique.

1. Généralités................................................................................................. E 1 925 – 2

1.1 Caractéristiques physiques......................................................................... — 21.2 Principales familles de condensateurs ...................................................... — 3

2. Condensateurs céramiques ................................................................... — 52.1 Technologie .................................................................................................. — 62.2 Miniaturisation et baisse des coûts des condensateurs céramiques

multicouches................................................................................................ — 82.3 Propriétés électriques.................................................................................. — 112.4 Applications ................................................................................................. — 122.5 Évolution ...................................................................................................... — 122.6 Fonctions passives intégrées...................................................................... — 13

3. Condensateurs électrochimiques ........................................................ — 133.1 Technologie .................................................................................................. — 133.2 Propriétés électriques.................................................................................. — 163.3 Applications ................................................................................................. — 173.4 Évolution ...................................................................................................... — 17

4. Condensateurs films ............................................................................... — 174.1 Technologie .................................................................................................. — 174.2 Propriétés électriques.................................................................................. — 194.3 Applications ................................................................................................. — 204.4 Évolution ...................................................................................................... — 204.5 Condensateurs utilisés en électronique de puissance ............................. — 20

5. Tendances................................................................................................... — 205.1 Évolution du secteur des condensateurs................................................... — 205.2 Supercondensateurs ................................................................................... — 21

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. E 1 925

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CONDENSATEURS ______________________________________________________________________________________________________________________

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copieE 1 925 − 2 est strictement interdite. − © Editions T.I.

Le choix du type de condensateur dépend de l’application visée : il s’effectue non seulement en tenant compte de la valeur de la capacité recherchée mais aussi du comportement du diélectrique en fonction de la température, de lafréquence, de l’amplitude du signal à traiter, de la tension de polarisation, des contraintes climatiques, etc. Enfin, les technologies de mise en œuvre et de report, ainsi que les contraintes de fiabilité et de coût sont à considérer.

L’évolution technologique des condensateurs est liée actuellement à une double sollicitation de miniaturisation et de baisse des coûts. Aujourd’hui, cette tendance a imposé, dans les domaines des télécommunications et des applications dites grand public, l’emploi exclusif des techniques de report en surface des composants sur circuits imprimés. Ainsi, les condensateurs destinés aux circuits électroniques de grande diffusion, qui ne peuvent pas suivre cette évolution pour des raisons économiques ou techniques, ont disparu ou sont condamnés à disparaître.

Ce dossier est une mise à jour du dossier du même nom, écrit par Alain LAGRANGE.

1. Généralités

1.1 Caractéristiques physiques

Le condensateur est généralement soumis à une tension alterna-tive de fréquence f ou de pulsation ω = 2πf . Il se caractérise par sixgrandeurs physiques qui définissent ses domaines d’application.

Capacité

La capacité C d’un condensateur est égale au rapport de la chargeélectrique Q emmagasinée à la tension V appliquée entre sesarmatures :

C = Q / V

C est mesurée en farads (F), Q en coulombs (C) et V en volts (V).

Dans le cas simplifié d’un condensateur plan, dont les armaturesen regard sont planes, de surface S et équidistantes de e , l’expres-sion de la capacité C est :

C = εS / e = ε0εrS / e

avec ε permittivité du diélectrique,

ε0 permittivité du vide(= (36π)−1 · 10−9 = 8,854 · 10−12 F · m−1),

εr permittivité relative (2 à 20 000) du diélectriqueou constante diélectrique du matériau (Elle estnotée k dans la littérature anglo-saxonne).

Dans la suite du texte, pour des raisons de simplification etcomme il est souvent d’usage, nous désignerons par ε la permitti-

vité relative du diélectrique.Une coupe transversale d’un condensateur plan, sous forme dedisque, est fournie dans la figure 1.

Pertes

Les pertes du condensateur regroupent les pertes d’énergie élec-trique de toutes origines qui se produisent en cours d’utilisation ducondensateur. Elles proviennent d’une part de la résistance desarmatures et des connexions, et d’autre part du diélectrique lui-même et de sa résistance d’isolement : ce sont des pertes ohmiquesliées à la résistance électrique du matériau diélectrique et celles

associées à l’énergie perdue lors du mouvement des charges élec-triques ou des dipôles de toutes sortes inclus dans le matériau dié-lectrique lui-même. En effet, les charges et les dipôles présententune certaine inertie par rapport à la sollicitation électrique, quidépend de la fréquence, et leur entraînement par le champ élec-trique engendre une perte d’énergie. Les pertes dépendent de lafréquence, de la température et de la tension de fonctionnement.

Sur la figure 2, la zone 1 correspond à l’effet du diélectrique, et lazone 2 à l’effet des armatures et des connexions.

Tangente de l’angle de pertes (tanδ )

Le condensateur est, le plus souvent, soumis à une tension élec-trique sinusoïdale que l’on peut exprimer en fonction du temps par :

V = V 0cosω t

La relation Q = CV devient Q = CV 0cosω t .

On peut alors exprimer l’intensité du courant électrique qui tra-verse le condensateur comme :

I = dQ /dt

en conséquence :

I = − ω CV 0sinω t

Figure 1 – Coupe transversale d’un condensateur disque





_____________________________________________________________________________________________________________________ CONDENSATEURS


Lorsque le condensateur est « idéal », le courant est donc en qua-drature avance avec la tension appliquée : il est déphasé de π /2 parrapport à la tension.

Dans le cas d’un condensateur réel, ce courant est « perturbé » parl’existence des pertes ; en conséquence, le courant induit par l’applica-tion d’une tension sinusoïdale est déphasé d’un angle (π /2 - δ ) parrapport au vecteur tension. L’angle δ est appelé angle de pertes etcaractérise l’imperfection du condensateur par rapport au condensa-teur dit « idéal ». Concrètement, on donne le plus souvent la valeur detan δ que l’on exprime en pour-cent ou, pour des matériaux et descomposants très performants, en pour mille.

Ces caractéristiques sont plus commodément exprimées en nota-tion complexe. On applique alors la loi d’Ohm à un récepteur carac-

térisé par son impédance complexe , soumis à une tension

alternative : . L’impédance complexe peut s’écrire :

avec R résistance du condensateur,

X réactance.

Considérant la capacité C du condensateur et son inductance L,on peut exprimer la réactance comme :

Dans le cas du condensateur réel, dont le circuit équivalent(figure 2) consiste en une résistance R placée en parallèle avec unecapacité C , l’angle de perte δ peut être exprimé par :

En haute fréquence, on utilise la notion de facteur de qualité Q quireprésente le rapport de l’énergie stockée à l’énergie dissipée. Dansce cas :

Q = 1/tan δ

En se référant au schéma de la figure 2, les pertes peuvent êtreconsidérées comme la somme d’une contribution sous tensioncontinue U DC et d’une contribution sous tension alternative U AC :

tan δ = (R s + R p)/(Lω − 1/ C ω )

Cette expression se simplifie, soit dans le domaine des basses fré-quences, soit dans celui des hautes fréquences :

— basses fréquences : tan δ ~ 1/ R pC ω

— hautes fréquences : tan δ ~ R sC ω

Résistance d’isolement

La résistance d’isolement d’un condensateur trouve son originedans l’imperfection de son isolant, qui présente une certaine con-ductivité électrique (électronique, ionique ...). Elle dépend de la tem-pérature, de la tension continue appliquée et du temps écoulé aprèsla mise sous tension. Suivant la nature du diélectrique, la valeur dela résistance d’isolement est comprise entre 1 et 104 GΩ.

Fréquence de résonance

La fréquence de résonance f 0 d’un condensateur correspond à lafréquence à laquelle la réactance capacitive (zone 1 de la figure 2)est égale à la réactance inductive (zone 2 de la figure 2). Elle estgénéralement considérée comme la fréquence supérieure d’utilisa-tion du condensateur. À cette fréquence, le condensateur n’a plus deréactance et se comporte comme une résistance pure. Au-delà de f 0,le condensateur se comporte comme un composant inductif. Sui-vant la nature du diélectrique et la valeur de l’inductance du conden-sateur, la fréquence de résonance varie de quelques kilohertz àquelques dizaines de mégahertz, dans les cas les plus courants.

Rigidité diélectrique

Elle traduit l’aptitude d’un isolant à résister au phénomène de cla-quage qui correspond à la formation d’un arc entre les armatures, à

l’intérieur du diélectrique. Les principaux mécanismes sont essen-tiellement d’origine intrinsèque ou thermique, via des ionisationslocales. La rigidité diélectrique est définie comme le gradient de ten-sion de claquage exprimé comme une tension par unité de longueur(c’est-à-dire homogène à un champ électrique) ; elle est compriseentre 1 et 100 V/ µm pour les diélectriques usuels. La tension de fonc-tionnement est limitée à environ la moitié de la valeur de la rigiditédiélectrique.

1.2 Principales familles de condensateurs

Comme cela a déjà été dit ci-dessus, on distingue trois principalesfamilles de condensateurs suivant la nature de leur isolant et la

valeur de la permittivité associée : céramique, film plastique et élec-trochimique (à oxyde d’aluminium ou de tantale). Les performancesdétaillées de chaque diélectrique sont indiquées dans le tableau 1,et les gammes de capacité couvertes par les différentes familles decondensateurs dans le tableau 2.

Les très basses valeurs de capacité (1 à 1 000 pF) sont quasimentcouvertes par les seuls condensateurs céramiques. La gamme inter-médiaire (1 nF à 1 µF) est assurée par la céramique et par le film. Lesvaleurs les plus élevées (> 10 µF) correspondent aux condensateursélectrochimiques et en partie aux condensateurs céramiques.

Figure 2 – Schéma équivalent à un condensateur réel

Zone 1

: capacité pure

: résistance parallèle R p = f(ω ,U AC)aux charges liées

due aux charges libres

: résistance d'isolement = f(T °C) et = f(U DC)

: résistance série

Ls : inductance

Zone 1 : effet du diélectrique

Zone 2 : effet des armatures et des connexions

Zone 2

Condensateur réel

Condensateur idéal

R p

R s Ls

R i

C x

C x

R p

R i

R s

R i R i

Z

V Z I=

Z R jX +=

X Lω 1

C ω --------–=

tan δ X

R ----

1RC ω -------------= =

tan δ pertesDC pertesAC+=





CONDENSATEURS ______________________________________________________________________________________________________________________


(0)

(0)

Tableau 1 – Performances des diélectriques des principales familles de condensateurs

Type decondensateur

Nature del’isolant

Permittivitérelative

Tangente del’angle de

pertes (1 kHz)

Épaisseurminimale dudiélectrique

∆ C /C entre − 55 ˚C et

T max

T max de fonctionnement Gamme detension

(en 10−4

)(µm) (%) (˚C) (V)

Films

Polypropylène 2,2 < 10 4 + 2 à 3 85 de 63 à 2 000

Polystyrène 2,5 < 10 6 + 1 à − 1 85 de 63 à 500

Polycarbonate 2,8 < 10 2 − 2 à + 2 125 de 63 à 400

PEN 3,0 60 1,2 − 3 à + 3 125 de 50 à 250

PPS 3,1 < 10 2 + 2 à − 1 150 de 50 à 250

Polyester 3,2 50 0,9 − 4 à + 4 125 de 63 à 630

Céramiques

Type I Paraélectrique de 10 à 100 < 10 1 < 0,3 125 de 5 à 200

Type II BaTiO3 de 3 000 à4 000

250 1 + 15 à − 15 125 de 5 à 250

BaTiO3 10 000 250 1 + 22 à − 56 85 de 5 à 100

Électrochimiques

Type aluminiumliquide

Al2O3 8,5 5 000 1,4 nm/V + 12 à − 12 125 de 6 à 600

Type aluminiumsolide

Al2O3 8,5 1 000 1,4 nm/V + 12 à − 12 175 de 6 à 40

Type tantalegélifié

Ta2O5 27 400 1,4 nm/V < + 10 à − 10 175 [avec réduction de lacharge (derating )]

de 6 à 500

Type tantalesolide

Ta2O5 27 400 1,4 nm/V < + 10 à − 10 125 (avec derating ) de 6 à 50

Tableau 2 – Gamme de capacité couverte par les différentes familles commerciales de condensateurs (1)

Gammede capacité

Céramique Film Tantale Aluminium

type I type II poly-propylène

PPS polyester poly-carbonate

PEN poly-styrène

gélifié solide liquide solide

1 pF •

10 pF •

100 pF • •

1 nF • • • • • • • •

10 nF • • • • • • •

100 nF • • • • • • • •

1 µF • • • • • • • •

10 µF • • • • • •

100 µF • • • • •

1 000 µF • • • •

10 000 µF •

100 000 µF •

1 mF •

(1) • indique les gammes couvertes.





_____________________________________________________________________________________________________________________ CONDENSATEURS


Les principales fonctions assurées par les condensateurs sontindiquées dans le tableau 3 et définies ci-après :

— Accord : le condensateur est utilisé dans les circuits oscillants,les filtres ou encore les circuits à constante de temps. Il nécessite detrès faibles pertes ainsi qu’une grande stabilité en fonction de latempérature, du temps et de la tension continue appliquée. Lescéramiques de type I ainsi que les films polystyrène, polypropylène,polycarbonate et PPS (polysulfure de phénylène) répondent à cesexigences ;

— Découplage : réduction ou élimination d’une composantealternative parasite dans un domaine de fréquence élevée. Le con-densateur doit présenter une faible impédance aux fréquences d’uti-lisation et par suite une capacité élevée (par exemple, quelquesmicrofarads). Toutes les familles de condensateurs peuvent être uti-lisées à l’exception des céramiques de type I (§ 2) ;

— Liaison : le condensateur assure la liaison entre 2 points portésà des potentiels continus différents. Il bloque la composante conti-nue et transmet la composante alternative. Le condensateur doitpouvoir supporter une forte tension continue et avoir une résistanced’isolement élevée ;

— Filtrage : il permet de réduire ou d’éliminer une composantealternative parasite de la tension continue. Le condensateur doitprésenter une valeur élevée de capacité ainsi que de faibles valeursde résistance et d’inductance ;

— Compensation de température : le condensateur doit présen-

ter un coefficient de température négatif afin de compenser ladérive positive d’un composant (inductance ferrite par exemple),mais aussi défini et stable dans le temps. Les céramiques de classe Iainsi que le film (polystyrène) répondent à ces exigences ;

— Stockage d’énergie : le condensateur délivre une puissancetrès élevée dans un temps très court ou, au contraire, une tensioncontinue durant un temps très long (supercapacités) ;

— Mémoires (RC ) : le condensateur stocke une information sousforme d’une charge électrique. À ce titre, il doit posséder une résis-tance d’isolement élevée et restituer, dans un temps très court, lacharge emmagasinée.

2. Condensateurs céramiques

On appelle céramique un matériau inorganique, non métallique,qui a été mis en œuvre selon une technologie particulière, appeléetechnologie céramique : le matériau est au départ sous forme depoudres fines, microniques ou submicroniques, que l’on rassembleen un objet. On lui fait ensuite subir un cycle thermique à haute tem-pérature (la cuisson ou le frittage), l’objet est alors dit « fritté », et samicrostructure a évolué pendant ce cycle ; celle-ci tend vers un

ensemble compact de grains séparés par des joints de grains. Lematériau acquiert ainsi ses propriétés définitives (qu’elles soientmécaniques ou électriques). Les matériaux pour condensateurscéramiques sont généralement des oxydes de structure cristallinedite de type pérovskite et à base de titanates de baryum, strontium,calcium, plomb, etc.

On distingue trois classes de diélectriques.

Diélectriques de type I

La permittivité varie linéairement ou, au moins, de manièremonotone avec la température, et ne présente aucun effet nonlinéaire en fonction du champ électrique et de la fréquence. Enoutre, le matériau est stable dans le temps, et l’on ne peut noterqu’une évolution négligeable de la capacité et de la tangente de

l’angle de pertes en fonction de celui-ci. Les matériaux sont le plusgénéralement des diélectriques dits linéaires, ou bien des matériauxnon linéaires dans leur phase paraélectrique. Ces caractéristiquessont atteintes par la mise en œuvre de nombreuses compositionsqui permettent de couvrir une large gamme de permittivités (typi-quement comprises entre 10 et 500) et de coefficients de tempéra-ture. Ces derniers peuvent être positifs, négatifs ou nuls. Dans cedernier cas, les matériaux sont dits NPO (Négatif Positif 0). Lespertes sont très faibles, tan δ < 0,1 % à 1 MHz.

Parmi les nombreuses compositions qui ont été développéespour couvrir une large gamme de valeurs de constantes diélec-triques et de coefficients de température, celles dont la constantediélectrique est très faible sont essentiellement à base de MgTiO3ou de TiO2 avec des adjonctions de BaO, La2O3 ou Nd2O5. L’intro-duction de phases de structure pérovskite, telles que CaTiO3, SrTiO3

ou BaTiO3, permet d’atteindre des permittivités plus élevées tout enjouant sur le coefficient de température. On peut également utiliserdes matériaux du type de ceux mis en œuvre pour réaliser desrésonateurs micro-ondes, comme CaZrO3.

(0)

Une définition possible du condensateur céramique pourraitêtre : condensateur pour lequel le diélectrique est un matériau céramique fritté .

Tableau 3 – Fonctions assurées par chaque famille de condensateur (1)

FonctionFilm Céramique Alumi-

nium Tantalepolyester polystyrène polypropylène polycarbonate PEN PPS type I type II

Accord • • • •

Découplage • • • • • •

Liaison • • • • • •

Filtrage • • • • • •

Compensation detempérature

• •

Stockage énergie • • •

Mémoire (RC ) • • • • •

(1) • indique les fonctions assurées.





CONDENSATEURS ______________________________________________________________________________________________________________________


Diélectriques de type II

Ce sont des matériaux diélectriques non linéaires. Ce qualificatif traduit le fait qu’il n’y a plus, comme dans le cas précédent, propor-tionnalité entre le champ électrique appliqué et la polarisation dumatériau. Ces matériaux sont ferroélectriques : ils présentent d’unepart une polarisation électrique spontanée P , dépendante de la tem-pérature, qui peut être inversée suite à l’application d’un champ élec-

trique suffisamment élevé. En conséquence, ils sont caractérisés pardes constantes diélectriques élevées (comprises entre 2 000 et20 000). Ils sont également très sensibles au champ électrique appli-qué ainsi qu’à la fréquence et, aussi, aux contraintes environnemen-tales (température et pression). D’autre part, ils sont caractérisés parla présence de domaines ferroélectriques au sein desquels l’orienta-tion de la polarisation est constante. Ces domaines peuvent évoluerau cours du temps sous l’influence du champ terrestre et, corrélative-ment, la constante diélectrique diminue. Cependant ces variationssont inversables par chauffage de la céramique jusqu’à une tempéra-ture supérieure à celle de la transition ferro-paraélectrique.

La valeur de la constante diélectrique est très élevée, tendantthéoriquement vers l’infini à la température de transition ferro-paraélectrique, que l’on confond en général avec la température deCurie T c. Le matériau le plus universellement utilisé est le titanate debaryum BaTiO3. Sa température de Curie est proche de 125 ˚C, c’est-à-dire trop élevée pour permettre une exploitation pratique de la

forte valeur de la constante diélectrique. Ainsi, dans un premiertemps, on ramène cette température au voisinage de la températureambiante, en réalisant des substitutions cationiques au sein de lamaille cristalline pérovskite. Classiquement, on substitue partielle-ment des ions Ca2+ ou Sr2+ aux ions Ba2+ et(ou) des ions Zr4+ ouSn4+ aux ions Ti4+. Ces substitutions, faciles à réaliser par la techno-logie céramique, modifient la température de Curie et donc permet-tent l’obtention de constantes diélectriques élevées au voisinage dela température ambiante. Elles induisent également un« élargissement » du pic de Curie, ce qui revient à dire qu’elles amé-liorent la stabilité de la valeur de la constante diélectrique en fonc-tion de la température.

Cependant, cette démarche ne permet pas d’atteindre les fortesstabilités en température nécessaires à beaucoup d’applications.Pour cela, on réalise un matériau céramique non homogène, com-posé soit de grains de compositions distinctes soit de grains dont lapartie centrale et la périphérie sont de compositions différentes ; les

propriétés diélectriques de ces différents matériaux« s’additionnent » à chaque température. Globalement, en appli-quant les « lois des mélanges », on arrive à une constante diélectri-que très stable dans un large intervalle (figure 8 et tableau 5).

Pour ce faire, on substitue des cations de la phase BaTiO3 pérovs-kite par des « donneurs » : on remplace ces cations par d’autres derayons voisins mais de charge électrique plus élevée. Classique-ment, on échange certains ions Ti4+ par des ions Nb5+, ou des ionsBa2+ par des ions Nd3+. On aboutit ainsi à une microstructure dite« core-shell » (cœur-coquille), où le cœur des grains est composé detitanate de baryum pratiquement pur. Les « dopants » se concen-trent préférentiellement à l’extérieur, près des joints de grains.D’autres substitutions peuvent être effectuées en ajoutant parexemple des ions accepteurs. On obtient alors une pérovskite com-plexe, telle que le Ba(Co0.33Nb0.67)O3, à l’extérieur des grains quiest caractérisée par une transition de phase diffuse dans les bassestempératures.

La réalisation d’une microstructure « core-shell » permet aussil’obtention de caractéristiques diélectriques stables en températurepour certaines compositions diélectriques qui sont destinées à êtrefrittées à des températures sensiblement plus basses que cellesévoquées jusqu’à maintenant. L’abaissement de la température defrittage est obtenue par l’adjonction à une poudre du matériau dié-lectrique (qui peut être du titanate de baryum) d’une fritte de verrecontenant, par exemple, des oxydes de bismuth ou de plomb.Durant le frittage, une réaction intervient entre les cations forma-teurs du verre et du diélectrique qui a pour conséquence une modi-fication de la composition au niveau des zones de croissance des

grains. La phase vitreuse de constante diélectrique faible disparaît.Après frittage, la céramique est formée de grains dont le cœur est,de même que dans le cas précédent, composé de titanate debaryum pur, l’extérieur des grains pouvant être formé de pérovski-tes complexes, telles que Ba(Bi0.5Nb0.5)O3.

Diélectriques de type III

Encore appelés diélectriques à couche d’arrêt aux joints de grains ,

ces matériaux sont des diélectriques de type I ou II dont le cœur dechaque grain est rendu semi-conducteur. En d’autres termes, larégion isolante se trouve localisée à la surface du grain sur uneépaisseur très faible de l’ordre de quelques micromètres. La permit-tivité apparente du matériau peut atteindre 100 000, mais avec unetension de fonctionnement limitée à 25 V. Ce type de matériau n’estutilisé que pour les condensateurs monocouches.

2.1 Technologie

Les aspects d’élaboration des compositions diélectriques sous laforme de poudres ne sont pas traités ici. On peut dire simplementque ces poudres peuvent être élaborées par le fabriquant de con-densateurs lui-même mais, aujourd’hui, elles sont fréquemment

fournies par des entreprises spécialisées de la chimie.

2.1.1 Élaboration des condensateurs monocouches

Un condensateur monocouche (figure 1) est constitué d’un dis-que céramique métallisé sur chacune de ses deux faces planes enregard.

Les matières premières sont sous forme de poudres. Elles sontsoigneusement choisies en fonction de leur composition et de leuraptitude à conduire à une barbotine à comportement rhéologiquemaîtrisé. Les poudres sont en général rebroyées par voie humideafin de les rendre encore plus homogènes et plus réactives durantl’opération de frittage. L’opération de granulation consiste à incor-porer un liant organique dans la poudre facilitant sa mise en formedurant la phase de pressage. Généralement, les formes géomé-triques retenues sont des disques ou des petits tubes creux. Le

matériau mis en forme subit un traitement thermique à haute tem-pérature (1 100 à 1 400 ˚C) appelé frittage qui assure la densificationde la céramique et permet d’obtenir les propriétés électriquesdésirées.

Des électrodes métalliques sont déposées sur chacune des facesdu condensateur par une technique de sérigraphie d’encre à based’argent, procédé le plus économique pour ce type de condensa-teurs. Les contacts électriques avec les circuits extérieurs sont assu-rés par l’intermédiaire de connexions soudées sur chacune desfaces du disque. Si nécessaire, le condensateur est protégé desagressions atmosphériques par une résine époxy.

2.1.2 Élaboration des condensateurs multicouches

2.1.2.1 Raison d’être du condensateur multicouche

Les condensateurs monocouches sont de construction simple etpeu onéreuse. Ils présentent cependant deux inconvénientsmajeurs :

— la valeur de capacité est limitée , car l’épaisseur du disquecéramique ne peut être inférieure à environ 0,15 mm pour des rai-sons de solidité mécanique ;

— le condensateur monocouche n’est pas adapté à la technologiede report en surface des composants qui s’est généralisée à tous lessecteurs d’application.

Une structure beaucoup plus complexe permet alors de remédieraux deux inconvénients précédents : le condensateur multicouche .





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Cette structure est représentée dans la figure 3. De principe, un con-densateur multicouche est constitué par un assemblage de conden-sateurs élémentaires montés en parallèle. L’épaisseur de la couchede diélectrique des condensateurs élémentaires peut être très faiblepar rapport à celle d’un condensateur monocouche. Elle est couram-ment de l’ordre de 10 µm à quelques dizaines de micromètres, maispeut descendre à quelques micromètres seulement. La valeur de lacapacité est donnée par l’expression suivante :

C = N εS / e

avec εS / e capacité d’un des condensateurs élémentaires,

N nombre de condensateurs élémentaires,

S surface des électrodes,

e épaisseur du condensateur élémentaire,

ε permittivité du diélectrique.

2.1.2.2 Technologie de fabrication

Le principe de réalisation d’un condensateur multicouche con-siste tout d’abord à élaborer une barbotine. Cette dernière est cons-tituée de la poudre diélectrique en suspension dans un solvantorganique ou, de plus en plus, pour des raisons environnementales,dans de l’eau additionnée d’un système de liants et de dispersants.Selon l’un des procédés très couramment mis en œuvre (figure 4),cette barbotine est coulée sur un tapis déroulant, par exemple, enacier inoxydable poli ; le séchage est opéré sur le tapis, et permetd’obtenir une bande souple d’épaisseur régulière comprise entre 20

et 70 µm, suivant les applications.

La bande coulée séchée est découpée en feuilles sur lesquellessont sérigraphiées les électrodes internes à l’aide d’encres chargéesen pigments métalliques (tableau 4). Pendant longtemps, ceux-ciont été essentiellement des métaux précieux, et principalement desalliages Pd-Ag. Toutefois, depuis la fin des années 1980, et cela pourdes raisons de coût des métaux précieux, des efforts importants ontété réalisés pour qu’une partie significative des condensateurscéramiques multicouches soit réalisée avec des électrodes internesen métaux non nobles, cuivre ou nickel (§ 2.2.3).

(0)

Figure 3 – Condensateur céramique multicouche (CCM)

Figure 4 – Différentes étapes de fabrication des condensateurscéramiques multicouches par la technologie dite du « coulageen bande »

Tableau 4 – Caractéristiques des métaux utilisés comme électrodes internes

Nature du métal Température de fusion(˚C)

Température de frittage maximale(˚C)

Prix/kg (juillet 2005)(€)

Platine 1 770 1 450 32 540

Palladium 1 550 1 400 6 870

Argent 960 900 265

Nickel 1 450 1 350 15,3

Cuivre 1 080 950 3,5





CONDENSATEURS ______________________________________________________________________________________________________________________


Par la suite, les feuilles métallisées sont empilées puis compri-mées à chaud (∼ 70 ˚C) de façon à obtenir une bonne cohésion dubloc ainsi constitué. Les blocs sont ensuite découpés en condensa-teurs individuels, à l’aide d’une machine automatique munie d’unelame tranchante chauffée. Les condensateurs sont alors frittés à destempératures allant de 800 ˚C à 1 400 ˚C, en fonction de la nature dumatériau diélectrique. Dans le cas des électrodes internes enmétaux précieux, le frittage est opéré sous atmosphère oxydante

afin d’obtenir une céramique de haute densité et d’atteindre les pro-priétés électriques et diélectriques souhaitées.

Les contacts électriques entre les électrodes internes et les cir-cuits extérieurs sont assurés par l’intermédiaire de terminaisons soudables (figure 3) reliant les électrodes de même parité. Les ter-minaisons sont appliquées au condensateur sous forme d’une encrecontenant des pigments métalliques par un procédé de « trempé ».L’encre est séchée puis traitée thermiquement (700 à 900 ˚C) pourassurer une bonne adhérence mécanique entre la céramique et lamétallisation par l’intermédiaire d’un verre contenu dans l’encre. Lecondensateur ainsi réalisé, appelé chip , est prêt à être reporté direc-tement sur les circuits imprimés.

Si l’utilisation le nécessite, des connexions peuvent être soudées surles terminaisons et le condensateur protégé par un enrobage époxy.

2.1.2.3 Mise en place d’une « barrière de nickel »

La consommation de condensateurs multicouches de petits for-mats devenant de plus en plus importante, il a été de plus en plus dif-ficile d’assurer une soudabilité correcte sur les circuits avec desterminaisons classiques en alliages Ag-Pd ou Ag-Pd-Pt. Le dévelop-pement d’une nouvelle technique d’étamage sur une terminaisonadaptée a donc été nécessaire. Un dépôt d’étain (ou d’étain-plomb)sur une sous-couche de nickel permet de supprimer l’essentiel desproblèmes de soudabilité rencontrés auparavant. Ces dépôts sontréalisés de manière électrochimique et sont communément appelés« barrière de nickel ». Cette barrière de nickel assure également, d’oùson nom, un rôle important : elle protège les électrodes internesd’une perte d’argent par diffusion de celui-ci dans la terminaison.

2.2 Miniaturisation et baisse des coûtsdes condensateurs céramiques

multicouchesComme cela a déjà été dit, les condensateurs sont entraînés dans

une évolution qui semble inexorable de baisse des coûts et deminiaturisation.

2.2.1 Quelles sont les solutions envisageables parles fabricants ?

En ce qui concerne le prix de revient des condensateurscéramiques multicouches, la contribution majoritaire revient auxmétaux précieux pour des proportions variant de 30 à 60 %(figure 5). C’est donc sur le poste métaux précieux qu’il a fallu etqu’il faut encore faire porter les efforts. Comment réduire cet impactdes métaux précieux ? Plusieurs possibilités sont envisageables :

— abaisser les températures de frittage des diélectriques pour

réduire les concentrations en palladium des alliages Ag-Pd (§ 2.2.2) ;— remplacer les métaux précieux, très onéreux, par des métaux non nobles (§ 2.2.3) ;

— diminuer les quantités de métaux précieux en réduisant, pour une même valeur de la capacité, le nombre d’électrodes internes .

Pour ce faire, il convient donc de réaliser des condensateurs avec des épaisseurs de couches de diélectrique plus faibles et ayant des constantes diélectriques plus élevées .

Concernant ce dernier point, revenons sur l’expression de la capa-cité d’un condensateur :

C = N εS / e

La réduction du nombre d’électrodes internes, en préservant la

valeur de la capacité, impose la relation :N 1ε1S 1 / e 1 = N 2ε2S 2 / e 2

avec N 2 < N 1.

En considérant que la surface S n’est pas ici le paramètrepertinent, il vient :

ε2 / e 2 > ε1 / e 1

En ce qui concerne la miniaturisation des condensateurscéramiques multicouches, il faut chercher à réduire, simultanément,le volume du composant, que nous assimilerons au volume utileV = NSe du condensateur (au-delà de la réduction de V , il y aura éga-lement réduction de la masse du composant), ainsi que la surface dereport que l’on peut assimiler à la surface S des électrodes.

Réduire le volume V , impose de chercher à accroître le quotient C / V que l’on désigne comme la capacité volumique du condensateur.

C / V = N εS / e / NSe

d’où : C / V = ε / e 2

Accroître C / V impose donc d’accroître ε / e 2 donc, à nouveau, dechercher à accroître ε tout en réduisant e .

Réduire la surface S , à capacité constante, conduit comme dans lecas précédent à la relation :

N 1ε1S 1 / e 1 = N 2ε2S 2 / e 2

avec encore, bien évidemment, N 2 < N 1.

De plus, on veut que S 2 < S 1, ce qui impose :

ε2 / e 2 > ε1 / e 1

et donc encore d’accroître ε tout en réduisant e .

Pour réduire à la fois les coûts, le nombre d’électrodes internes, levolume et la surface de report des condensateurs céramiques multi-couches, il convient donc de réaliser des condensateurs avec des

épaisseurs de couches de diélectriques plus faibles et ayant desconstantes diélectriques plus élevées. Ainsi, l’utilisation de poudresde diélectriques à grains submicroniques apparaît être une solutionpour progresser vers ce double objectif (§ 2.2.4).

2.2.2 Diminution des températures de frittage

Le choix des métaux utilisés en tant qu’électrodes internes reposeessentiellement sur la nature du diélectrique employé et sur sesconditions de frittage. Le platine est le meilleur choix technique, car

Figure 5 – Proportions des différentes contributions aux prixde revient des condensateurs céramiques multicouches

60%

7%

33%

Main d'œuvre

Diélectrique

Électrodes internes et terminaisons en argent-palladium





_____________________________________________________________________________________________________________________ CONDENSATEURS


sa température de fusion est élevée et il est pratiquement inerte vis-à-vis d’une atmosphère oxydante et de la nature du diélectrique.Cependant, son emploi est limité à certaines applications de hautefiabilité (spatial par exemple) du fait de son prix prohibitif (tableau 5). On utilise essentiellement des alliages Pd-Ag, dont lateneur en Ag est d’autant plus élevée que la température de frittagede la céramique est plus basse (figure 6), et qui, par ailleurs, autori-sent des frittages sous air.

Une approche, pour limiter les coûts de fabrication, peut doncconsister à réduire les températures de frittage. Pour ce faire, deuxdémarches sont utilisées :

— introduire dans la composition diélectrique un adjuvant defrittage ;

— réaliser la même composition diélectrique, mais avec desgrains de poudres beaucoup plus fins.

La première solution est relativement simple et est assezlargement utilisée. Toutefois, elle présente l’inconvénient demodifier la composition de la céramique diélectrique et, donc, defaire courir le risque d’affecter certaines performances du matériau

diélectrique (tenue au claquage, pertes ...). Voici quelques exemplesde réalisations :— compositions à base de titanate de baryum : • classe de température X7R : dans un cas, on diminue la tem-

pérature de frittage à l’aide de Bi2O3 (ou autres composés du bis-muth). Les températures de frittage sont alors voisines de 1 100 ˚Cet les céramiques sont compatibles avec des électrodes à 70 %d’argent. Dans l’autre cas, on enrobe des grains de BaTiO3 (0,2 µ)par un fondant adapté (frittage à 950 ˚C) • classe de température Z5U : l’addition de composés fluorés

(fluorure de lithium ou combinaison d’un fluorure métallique avecLi2O) permet de fritter les céramiques à base de BaTiO3 à 950 ˚C.De plus, le système peut être compatible avec des alliages métal-liques à 90 % d’argent pour la sérigraphie des électrodes internes.— cas des pérovskites à base de plomb : ce sont des composi-

tions dites basses températures (entre 850 et 1 200 ˚C) qui permet-tent, pour certaines, l’utilisation d’électrodes internes riches en

argent (70 à 80 %). Les compositions sont très complexes etnécessitent des mélanges de différentes structures pérovskitescomme : Pb(Mg1/3Nb2/3)O3, Ba(Zn1/3Nb2/3)O3, Pb(Zn1/3Nb2/3)O3,PbTiO3 ..., afin d’obtenir la classe de température désirée.

Nota : X7R et Z5U sont des normes classiques qui fournissent, de manière codifiée, lescaractéristiques du comportement du diélectrique en fonction de la température mais quiseraient impossibles à définir brièvement (Voir l’ouvrage : « BaTiO3, Matériau de base pourles condensateurs céramiques », J.C. Nièpce et J.M. Haussonne, Éditions Septima, Paris,1994, Tome I, p 20-21).

Dans la seconde solution, on diminue les dimensions des grainsde la poudre précurseur. Pour un même matériau, la température defrittage peut alors baisser significativement. On peut obtenir, parexemple, des abaissements des températures de frittage de l’ordrede 200 ˚C, en réduisant les tailles des grains des poudres de quel-ques µm à quelques centaines de nm. Il faut, toutefois, bien faireattention à disposer de poudres présentant une grande homogé-néité de taille de grain et à obtenir une bonne dispersion (c’est-à-dire une disparition des agglomérats) lors de la mise en œuvre.

2.2.3 Remplacement des métaux précieux pardes métaux non nobles : naturedes électrodes internes, adaptationdu diélectrique et impact sur la technologie

Comme cela a déjà été dit plus haut, le choix des métaux utilisésen tant qu’électrodes internes dépend, d’une part, de la nature dudiélectrique utilisé et, d’autre part, des conditions de réalisation du

condensateur. L’utilisation des métaux précieux, Pt ou alliages Ag-Pd, autorise le co-frittage à l’air du diélectrique et des électrodes. Àpartir du moment où l’on souhaite remplacer les métaux nobles, dif-ficilement oxydables, par des métaux non nobles, plus facilementoxydables, on est obligé de repenser la technologie d’élaborationdes condensateurs.

Deux voies ont été explorées :

— conserver les conditions de frittage habituelles du diélectriqueconsidéré mais supprimer le co-frittage métal/céramique. La tech-nologie dite « des électrodes injectées » a été mise au point. On réa-lise tout d’abord des condensateurs céramiques multicouches(CCM) frittés dans lesquels l’emplacement des électrodes internes aété ménagé. Pour cela, on élabore les pavés crus de manière simi-

laire aux pavés crus classiques mais en sérigraphiant des électrodesinternes avec une encre ne contenant que des substances organi-ques, qui seront détruites lors du déliantage et du frittage. Puis, oninjecte dans les espaces vides un alliage métallique à bas point defusion. Cette technologie n’a pas connu, à notre connaissance, dedéveloppement industriel significatif ;

— maintenir le co-frittage métal/céramique, mais repenser le dié-lectrique et ses conditions de co-frittage avec le métal oxydable. Eneffet, si le co-frittage est effectué sous air, les deux métaux nonnobles retenus, Ni ou Cu, s’oxydent et ne remplissent alors plus leurrôle de conducteur. Il faut donc que l’atmosphère des fours de co-frittage soit rendue suffisamment pauvre en oxygène. Or, le diélec-trique de composition classique est un matériau oxyde contenantdes éléments de transition, qui sont susceptibles de prendre desétats d’oxydation inférieurs à celui existant normalement. Dans cesconditions de co-frittage, il perd de l’oxygène avec, en conséquence,la création de lacunes d’oxygène qui entraînent une semi-conduc-

tion de type n . Il faut donc repenser la composition du matériau dié-lectrique pour qu’il conserve des propriétés d’isolation électriquerespectant les normes tout en acceptant un frittage dans une atmos-phère « réductrice ».

Datant de 1963, les résultats des premières publications envisa-geaient la réalisation de condensateurs multicouches à armaturescomposées de métaux non nobles. Il a fallu attendre 1994 pour qu’ilsoit fait état de compositions diélectriques caractérisées par despropriétés de stabilité sous champs électriques comparables à cel-les des compositions traditionnelles. Le principe consistait à substi-tuer des cations de la pérovskite par des « couples » de cations

Exemple : la figure 6 montrant qu’un diélectrique qui fritte à1 350 ˚C nécessite un alliage contenant 70 % de Pd, alors qu’un diélec-trique frittant à 1 150 ˚C ne nécessite qu’un alliage contenant 30 % dePd, donc moins onéreux.

Figure 6 – Diagramme argent-palladium (d’après Karakaya et

Thompson, 1988)

1600

1500

1400

1300

1200

1100

1000

900

T é m p e r a t u r e ( ° C )

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

L

(Ag, Pd)

961,93 °C

1555 °C

Palladium (% atomique)

Palladium (% massique)





CONDENSATEURS ______________________________________________________________________________________________________________________


donneurs et accepteurs qui formaient des complexes stables nonoxydables, même en atmosphère d’oxygène pur. La présence dedonneurs réduisait le nombre de lacunes d’oxygène lors du frittageen atmosphère réductrice, et semblait avoir un effet de barrières quis’oppose à l’électromigration de ces dernières. Les derniers déve-loppements font état de substitutions par des dopants tels que Y3+,Dy3+ ou Ho3+, ions de taille intermédiaire entre celles des ions Ba2+

et Ti4+ et susceptibles de se substituer aux deux. Introduits dans ces

deux types de sites en quantités convenables, ils se compensentélectriquement et donnent ainsi naissance aux couples donneur/ accepteur évoqués plus haut.

Le coût des condensateurs, par l’utilisation du nickel commematériau d’armatures, peut être ainsi réduit d’un facteur deux àcinq, en fonction du format du condensateur et du nombre de cou-ches diélectriques, par rapport à celui des mêmes condensateursréalisés avec des armatures en métaux nobles. On estime que,aujourd’hui, plus de 80 % des condensateurs de type II sont produitsavec des armatures de nickel.

L’utilisation du nickel se heurte à deux limitations : d’une part, lavaleur de sa résistivité rend difficile son utilisation pour laréalisation de condensateurs destinés à des applications en trèshautes fréquences et, d’autre part, ses propriétés magnétiques sontincompatibles avec l’utilisation des condensateurs dans certainesapplications. Cette dernière remarque concerne essentiellement les

condensateurs de type I. Le cuivre répond à ces deux limitations,mais sa faible température de fusion impose que les températuresde frittage soient beaucoup plus faibles, inférieures à 1 000 ˚C. Despublications récentes font état d’avancées dans ce domaine, en par-ticulier par l’introduction de lithium dans la composition dudiélectrique ; toutefois les solutions envisagées ne sont pas encoreapplicables industriellement.

2.2.4 Utilisation de poudres de diélectriquesà grains nanométriques

À l’issue du § 2.2.1 nous avons conclu que, pour miniaturiser lesCCM et réduire les coûts de production en diminuant le nombred’électrodes internes en alliages de métaux précieux, il faut :

— rechercher des diélectriques avec des permittivités ε plusélevées ;

— réduire l’épaisseur e des couches diélectriques.L’augmentation de la permittivité ε est un problème de matériau,

alors que la réduction de l’épaisseur e est, quant à elle, un problèmede technologie. Toutefois, l’utilisation de poudres à grains nanomé-triques a permis de satisfaire simultanément aux exigences de cettedouble contrainte. Nous allons voir comment.

Réduction des épaisseurs e des couches diélectriques

En passant de la technologie disque à la technologie multicoucheet en utilisant des poudres précurseurs traditionnelles, l’épaisseurminimale des couches diélectriques était passée de quelques dixiè-mes de millimètres à quelques dizaines de micromètres. Les capaci-tés volumiques avaient ainsi pu être multipliées par plus de cent.

Pour atteindre des épaisseurs encore plus fines, les chimistes ontmis au point de nouveaux procédés d’élaboration des poudres, caril a fallu utiliser des poudres de plus en plus fines ; pour réaliser des

condensateurs disques, des grains de quelques micromètres à plu-sieurs dizaines de micromètres étaient tout à fait acceptables, alorsque pour la génération de multicouches actuels, des grains de 100 à500 nm dans la céramique finale sont devenus une nécessité.

Pour cela, il a fallu repenser les modes de préparation despoudres ; alors que les poudres étaient élaborées par des processus« voie sèche », c’est-à-dire par des réactions à haute températureentre des oxydes précurseurs solides, on s’est orienté vers des pré-parations en milieu humide, plus à même de permettre un bon con-trôle des distributions granulométriques. En effet, les méthodes desynthèse en milieu liquide s’apparentent aux synthèses organiques

et permettent d’opérer à basses températures. Ces procédés ont été

qualifiés de « chimie douce ». La détermination des mécanismesréactionnels a permis le contrôle des processus de germination etde croissance, qui est indispensable pour une maîtrise des distribu-tions granulométriques. Le milieu liquide est soit organique soit, cequi est le plus souvent le cas, aqueux, avec des conditions desynthèse qui sont « hydrothermales » ou « supercritiques ».

Au cours des vingt dernières années, les épaisseurs des couchesdiélectriques sont passées de quelques dizaines de micromètres àquelques micromètres ; soit un nouveau gain d’un facteur cent surles capacités volumiques. Ainsi, certains fabricants de condensa-teurs font état de prototypes formés de plusieurs centaines de cou-ches diélectriques dont l’épaisseur est inférieure à un micromètre.Corrélativement, cela impose d’utiliser des poudres métalliqueselles aussi de granulométrie parfaitement contrôlée et dont lesgrains ne viennent pas détériorer la couche diélectrique lors du pro-cessus de construction de la structure multicouche.

Accroissement de la constante diélectrique ε

En ce qui concerne la constante diélectrique, la compréhensiondu phénomène est moins intuitive et non encore totalement éclair-cie et cela bien que la dépendance de la constante diélectrique avecles dimensions des grains de ce matériau ait été mise en évidencedepuis longtemps. Par exemple, dans le cas de céramiques deBaTiO3, lorsque les dimensions des grains diminuent, la courbeε = f (T ) caractéristique de ce matériau tend à s’aplatir de plus enplus ; la constante diélectrique au voisinage de la températureambiante augmente, alors qu’elle diminue au cours de la transitionde phase ferroélectrique-paraélectrique au voisinage de 120 ˚C. Tou-tefois, cette évolution n’est pas monotone (figure 7) ; un maximumde la constante diélectrique à la température ambiante est obtenupour des dimensions de grains de l’ordre de 0,7 à 0,8 µm, alors quela valeur de ε y est environ cinq fois supérieure à sa valeur pour desgrains largement micrométriques. Afin de minimiser les pertes dié-lectriques, tout en optimisant les valeurs de permittivité, on privilé-

gie actuellement des dimensions de grains qui sont de l’ordre dequelques centaines de nanomètres, dans les céramiques diélectri-ques à base de BaTiO3 ou autres pérovskites.

Les derniers développements associent les trois démarchesévoquées ci-dessus. Par exemple, en utilisant des poudres nanomé-triques de compositions à base de BaTiO3-BaZrO3 avec des addi-tions de dopants tels que Mn, Ho, Y ou Dy, on réalise descondensateurs à armatures de nickel, dont les couches diélectriquessont très peu épaisses et dont la constante diélectrique est rendueélevée par la petite taille des grains. De nombreuses recherches sont

Figure 7 – Constante diélectrique relative ε r à 25 ˚C de BaTiO3, àl’état de céramiques polycristallines, en fonction du diamètre moyendes grains dans la céramique [1], [2]

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0,1 0,20,3 0,5 1,0 2 3 5 10 20 30 50 100

εr

Taille des grains (µm)





_____________________________________________________________________________________________________________________ CONDENSATEURS


associées à ces objectifs industriels : elles doivent prendre encompte des paramètres jusqu’à maintenant considérés commesecondaires, comme :

— la répartition spatiale fine des « dopants » dans les grainsnanométriques ;

— les propriétés structurales fines des grains nanométriquesdans les zones proches de leur surface (la contribution en volume decette zone par rapport au volume total devenant non négligeablemaintenant) ;

— les propriétés de la surface des grains ;— la présence potentielle de porosités intragranulaires qui entraî-

nent, après frittage, une densité moindre de la céramique.

On cherche également à modéliser la microstructure des conden-sateurs, en prenant en compte dans un modèle à trois dimensions lecœur des grains, la périphérie des grains, les joints de grains et lesinterfaces céramique/armatures. On vise en particulier à établir unecorrélation avec les propriétés électriques du composant et les phé-nomènes de dégradation.

2.2.5 Progrès réalisés en termes de baissedes coûts et de miniaturisation

Les succès en termes de miniaturisation en électronique ont étéspectaculaires et sont connus de tous. Même si tout le mérite nepeut évidemment en être attribué aux CCM, ceux-ci y ont permis demultiplier les capacités volumiques par mille en trente ans.

En ce qui concerne les réductions de prix réalisées, pour donnerun ordre de grandeur, on peut dire qu’en une quinzaine d’années

(entre 1987 et 2001) les prix moyens des CCM ont été divisés par dix.Cela a été obtenu grâce à des efforts de productivité c’est indénia-ble, mais aussi grâce à tous ces efforts technologiques ; c’est le casdes CCM à électrodes internes en nickel ou en cuivre et c’est éga-lement le cas des diélectriques à grains très fins.

2.3 Propriétés électriques

Les propriétés des condensateurs céramiques (monocouche etmulticouche) sont directement liées à celles des diélectriques, quisont classés suivant leur coefficient de température. À titre indicatif,il est indiqué dans le tableau 5 les principales caractéristiques desdiélectriques les plus utilisés et dans la figure 8 leur comportementen fonction de la température.

La classification EIA (Electronic Industries Association ) est insuffi-sante pour caractériser complètement un condensateur, d’autrescaractéristiques doivent être connues :

— variation en fonction de la fréquence ;— variation en fonction de la tension (continue ou alternative) ;— variation en fonction du temps ;— variation de la résistance d’isolement en fonction de la

température ;— tenue en tension.

2.3.1 Comportement en fréquence

La tenue en fréquence du condensateur céramique est détermi-née principalement par les propriétés de son diélectrique, mais éga-lement par la structure du condensateur. Les condensateurs detype II, dont le diélectrique est de nature ferroélectrique, sont sensi-bles à la fréquence. Ce phénomène est lié à la difficulté qu’ont lesparois des domaines ferroélectriques à suivre les oscillations duchamp électrique, ce qui conduit à une décroissance de la permitti-vité et donc de la capacité avec la fréquence. Une augmentation despertes diélectriques accompagne cette décroissance de la permitti-vité. Les variations typiques de la capacité pour différentes classesde céramiques sont indiquées dans la figure 9.

(0)

Figure 8 – Variation relative de la capacité en fonctionde la température pour divers diélectriques

Figure 9 – Variation relative de la capacité en fonctionde la fréquence pour divers diélectriques

Tableau 5 – Caractéristiques des diélectriques NPO, X7R, Z5U

Diélectrique(Classification EIA)

Type decondensateur

Gamme de températured’utilisation

(˚C)

Variation maximale de lacapacité dans la gamme

tanδ

(en 10−4)Permittivité

relative

NPO I de − 55 à + 125 ± 30 · 10−6 /˚C < 10 à 1 MHz 10 à 100

X7R II de − 55 à + 125 ± 15 % < 200 à 1 kHz 2 000 à 4 000

Z5U II de + 10 à + 85 + 22 à − 56 % < 300 à 1 kHz 5 000 à 10 000





CONDENSATEURS ______________________________________________________________________________________________________________________


En conséquence les condensateurs de type II sont généralementutilisés pour des fréquences inférieures à 10 MHz et ceux de type Ipeuvent être utilisés à des fréquences très élevées (> 1 GHz).

2.3.2 Variation en fonction de la tension

Si l’influence de la tension (alternative ou continue) est négligea-ble pour les condensateurs de type I, il n’en est pas de même pourceux de type II. Une fois encore, la nature ferroélectrique de cesmatériaux conduit à observer des phénomènes liés à des modifica-tions des mécanismes de polarisation. L’influence d’un champ depolarisation continu est indiquée dans la figure 10.

2.3.3 Variation avec le temps

Seuls, les condensateurs de type II sont sensibles au temps. Lephénomène est dû à une réorganisation continue et naturelle desdomaines ferroélectriques qui, sous l’influence du champ magnéti-que terrestre, a comme conséquence une décroissance de la capa-cité du condensateur. Ce vieillissement naturel peut s’exprimer parla relation suivante :

εt = ε − K lgt

avec ε valeur initiale de la permittivité,

εt permittivité au temps t ,

K facteur préexponentiel exprimé en pour-cent pardécade de temps.

Le vieillissement est d’autant plus prononcé que la valeur de lapermittivité est élevée (figure 11).

2.3.4 Variation de la résistance d’isolement

La résistance d’isolement caractérise la manière dont le condensa-teur chargé maintient sa charge. Elle dépend intrinsèquement de latempérature, de la tension et du temps écoulé après mise sous ten-sion, mais aussi de la structure du condensateur (épaisseur du dié-lectrique, nombre de couches, surface des électrodes, etc.) et doncde sa capacité. La résistance d’isolement R i est souvent donnée sousla forme du produit R iC , exprimé en secondes, qui est, a priori , indé-

pendant de la valeur de la capacité du condensateur considéré.

2.4 Applications

Les applications des condensateurs céramiques dépendent fon-damentalement de la nature des diélectriques utilisés :

— condensateurs de type I : compte tenu de leur très bonne sta-bilité en fonction de la tension, de la température, de la fréquence etdu temps, ils sont utilisés comme condensateurs d’accord de cir-cuits oscillants, comme résonateurs et comme condensateurs àgrande puissance réactive ;

— condensateurs de type II : de par leur constante diélectriquetrès élevée, les diélectriques de type II sont largement utilisés dansles éléments miniaturisés, les condensateurs de découplage, decouplage ou de filtrage.

2.5 Évolution

L’évolution technologique des condensateurs céramiques estdirectement liée à celle des circuits électroniques : diminution del’encombrement, du poids, généralisation des techniques de reporten surface des composants et, bien entendu, réduction des prix.Cette évolution est illustrée, à titre d’exemple, dans le cas d’un sys-tème de communication mobile (figure 12).

Dans ce contexte, l’avenir est résolument orienté vers l’utilisationcroissante des condensateurs multicouches, au détriment des con-densateurs monocouches mal adaptés à l’évolution précitée, sauf

dans le cas particulier des applications haute tension. Actuellement,la production des condensateurs monocouches ne représente plusque quelques pour-cent de la production des condensateurscéramiques multicouches et ne concerne que les plaquettes hyper-fréquence et les condensateurs haute tension.

Les principales orientations sont les suivantes :

— élimination totale ou partielle des métaux précieux constitutifsdes électrodes internes et des terminaisons au profit de métaux« communs », tels que le nickel ou le cuivre, dans le but de réduirele coût du condensateur ;

Figure 10 – Variation relative de la capacité en fonction du champélectrique de polarisation pour divers diélectriques

Exemple : le diélectrique Z5U perd 5 % de sa valeur entre 6 min et1 h, puis 5 % entre 1 h et 10 h, et ainsi de suite. Pratiquement, cevieillissement devient négligeable au-delà de 1 000 h. Cet effet devieillissement peut être annulé ; le condensateur est « régénéré » : enchauffant le matériau au-delà de sa température de Curie, il revient àson état initial.

C

BX = 2C1

X7R

Figure 11 – Variation relative de la capacité en fonction du tempspour divers diélectriques





_____________________________________________________________________________________________________________________ CONDENSATEURS


— miniaturisation du condensateur par l’augmentation de lapermittivité et la réduction de l’épaisseur de la couche diélectrique.

En production industrielle, certaines couches diélectriques sontaujourd’hui de quelques micromètres seulement, voire inférieuresau micromètre. Les formats les plus petits actuellement commercia-lisés (02-01) approchent la limite de manipulation des machines dereport.

Nota : (02-01) correspond, dans la nomenclature anglo-saxonne, aux dimensions, enpouces, définissant la surface de report du condensateur multicouche soit environ0,5 mm × 0,25 mm.

2.6 Fonctions passives intégrées

Les technologies actuelles des composants passifs (condensa-teurs, résistances, inductances) atteindront bientôt des butées, et leseul moyen efficace de poursuivre la baisse des coûts sera d’inté-grer plusieurs composants dans un chip céramique reportable à

plat. On passe ainsi de la notion de composant discret à celle defonction « circuit Asic passif », appelé Aspic.

Il est évident que cette notion d’intégration est d’autant plus inté-ressante, d’un point de vue économique, que le nombre de compo-sants est important. Les principaux avantages de cette nouvelletechnologie, appelée multicomposants, sont résumés ci-après :

— réduction de la surface d’implantation (jusqu’à 5 à 10 fois parrapport à la surface occupée par les composants discrets). Actuelle-ment environ 70 % de la surface des circuits imprimés est occupéepar les composants passifs discrets ;

— réduction des longueurs de connexions permettant de réduireles inductances parasites ;

— fiabilité améliorée par la réduction du nombre de connexions à

l’origine de nombreux défauts ;— garantie de la fonction vendue par test direct du chipcéramique ;

— simplicité (réduction des stocks, des contrôles et du nombre dereports sur circuit) ;

— possibilité de reporter des composants actifs sur le chipcéramique.

Toutefois, l’inconvénient de cette approche est bien évidemmentla standardisation, qui semble impossible actuellement de par lamultiplicité des fonctions requises par les utilisateurs. Il ne s’agit,pour l’instant, a priori , que de fabrications spécifiques. Les applica-

tions demandées sont : les filtres IEM (à Impulsion ElectroMagné-tique), les condensateurs de traversée, les composants éliminant lessurtensions (varistances), les fusibles en technologie couche mince.

3. Condensateursélectrochimiques

3.1 Technologie

Un condensateur électrolytique ou électrochimique est constituépar les trois éléments suivants :

— une anode métallique (armature positive) en aluminium ou entantale ;

— une couche diélectrique : l’oxyde d’aluminium ou l’oxyde detantale ;

— une armature négative composée de l’électrolyte conducteurlui-même et de la cathode, celle-ci ne servant que de liaison entrel’électrolyte et le circuit extérieur.

Le condensateur ainsi formé est polarisé : le potentiel de l’anodedoit toujours être positif par rapport à celui de la cathode. Le diélec-trique est fabriqué in situ par oxydation anodique du métal. Sa faibleépaisseur (0,9 à 1,7 nm/V d’anodisation) et sa rigidité diélectriquetrès élevée (800 V/ µm) confèrent au condensateur électrochimiqueune capacité volumique importante.

3.1.1 Condensateur électrolytique à l’aluminium

3.1.1.1 Condensateur à l’aluminium à électrolyte liquide

Dans cette technologie, le condensateur (figure 14) comporte unisolant (oxyde d’aluminium) et deux électrodes suivantes :

— l’anode constituée d’une feuille d’aluminium très pur(99,99 %), dont la surface active a été augmentée par gravureélectrochimique ;

— la cathode comprenant un complexe de papiers absorbantsimbibés d’électrolyte et d’une feuille d’aluminium.

Figure 12 – Diminution du volume et de la masse des systèmesde communication mobiles

Exemple : la réalisation d’une fonction (filtre) intègre des condensa-teurs enterrés dans la céramique (technologie multicouche) et desrésistances sérigraphiées sur la surface de la céramique (figure 13).

Figure 13 – Coupe d’un multicomposant et circuit équivalent





CONDENSATEURS ______________________________________________________________________________________________________________________


La technologie d’élaboration du condensateur est indiquée dans

le tableau 6.(0)

La première étape consiste à bobiner ensemble une feuille d’alu-minium d’environ 100 µm d’épaisseur, qui est gravée électrochimi-quement et anodisée (formation du diélectrique Al2O3), unintercalaire de papier qui sert de séparateur et permet l’absorption

de l’électrolyte liquide, une feuille d’aluminium non gravée agissantcomme cathode. La formation de la couche d’oxyde (Al2O3) se faitpar électrolyse : pour cela, on applique une tension légèrementsupérieure à la tension nominale du condensateur. Son épaisseurdépend de la valeur de cette tension et du temps d’application.

Le bobiné est imprégné sous vide par un électrolyte, le plus sou-vent organique, et il est ensuite placé dans un boîtier cylindrique enaluminium. Des connexions ont été auparavant soudées aux deuxélectrodes (anode et cathode) par une technique ultrasonique, et lacathode est reliée au boîtier en aluminium.

La postformation consiste à faire subir au condensateur un traite-ment sous tension et température. Cette étape permet de restaurerle diélectrique Al2O3 à la surface de la feuille d’aluminium gravée,qui aurait été éventuellement endommagé durant les opérations defabrication.

L’innovation technologique dans ce type de condensateur vise, enpremier lieu, une augmentation de la capacité volumique. Celle-ci

est proportionnelle à la surface active de la feuille d’aluminium gra-vée. Le taux de gravure des feuilles est actuellement compris entre10 et 100.

L’autre effort de développement concerne la formulation de nou-veaux électrolytes permettant, d’une part, l’utilisation des conden-sateurs à haute température (125 ˚C) et, d’autre part, d’obtenir uneplus faible résistance série.

3.1.1.2 Condensateur à l’aluminium à électrolyte solide

Par rapport au cas précédent, l’électrolyte constitutif de ce conden-sateur est un électrolytesolide . Les condensateurs actuellement com-mercialisés utilisent le dioxyde de manganèse. La technologie defabrication de ce type de condensateur est indiquée dans le tableau 7.

(0)

L’anode est constituée d’une feuille d’aluminium gravée et pliéesous forme « d’accordéon ». Les anodes sont soudées sur une barretteet successivement oxydées et imprégnées avant d’être enrobées. Laparticularité de ce type de composant (figure 15) est sa bonne tenue àhaute température (150 ˚C, voire 170 ˚C) ; cet atout est dû à la stabilitéthermodynamique des éléments constitutifs du composant.

Figure 14 – Condensateur électrolytique à l’aluminium à électrolyteliquide

Tableau 6 – Principe d’élaboration du condensateurà l’aluminium à électrolyte liquide

Bobinage à sec et découpe des constituants suivants :—feuille d’aluminium gravée et anodisée—feuille de papier—aluminium non gravé (cathode)

↓

Dépôt des connexions

↓

Séchage

↓

Imprégnation par l’électrolyte

↓

Mise en boîtier aluminium

↓

Encapsulation et sertissage

↓

Postformation

Tableau 7 – Principe d’élaboration du condensateur

à l’aluminium à électrolyte solideGravage d’une feuille d’aluminium

↓

Formation du diélectrique par oxydation de la feuille gravée

↓

Manganisation

↓

Réoxydation de la couche d’alumine

↓

Graphitage

↓

Argenture

↓

Soudure des connexions

↓

Trempé dans une résine liquide

Figure 15 – Condensateur électrolytique à l’aluminium à électrolytesolide





_____________________________________________________________________________________________________________________ CONDENSATEURS


Les efforts de développement portent sur l’utilisation d’électro-lytes solides hautement conducteurs (conductivité 10 à 100 foissupérieure à celle du dioxyde de manganèse) : l’intérêt qui enrésulte étant la faible valeur de résistance série équivalente pour lecondensateur.

3.1.2 Condensateur électrolytique au tantale

Ce type de condensateur est utilisé pour les applicationsnécessitant de fortes valeurs de capacité. La nature du diélectriqueest l’oxyde de tantale T2O5. Deux technologies sont utilisées : la pre-mière emploie une feuille de tantale comme anode et un électrolytegélifié , la seconde un bloc de poudre de tantale pressé et fritté cons-tituant une anode poreuse et un électrolyte solide . La première tech-nologie (la moins utilisée) est très semblable à celle descondensateurs électrolytiques à l’aluminium. La feuille de tantalepeut être lisse , car la valeur de la permittivité de l’oxyde de tantaleest plus élevée que celle de l’oxyde d’aluminium ou gravée . Les con-densateurs ayant une feuille lisse admettent un courant alternatif plus important, tandis que ceux dont la feuille d’anode est gravéeoffrent une plus grande capacité volumique.

3.1.2.1 Condensateur au tantale à électrolyte gélifié

L’anode est obtenue par pressage de la poudre de tantale en pré-sence d’un liant organique. L’opération de frittage, qui lui succède,est réalisée à une température de l’ordre de 1 500 ˚C et sous unepression d’environ 1,3 · 10−4 Pa (pour éviter l’oxydation du tantale,l’enceinte des fours est en effet maintenue sous un vide dynamiquepar un système de pompage primaire et secondaire). La formation

de l’oxyde est réalisée sous des conditions similaires à celles descondensateurs à l’aluminium, c’est-à-dire électrolyse à une tensiondeux à trois fois supérieure à la tension nominale.

Après anodisation, l’ensemble (figure 16) est imprégné par unliquide à base d’acide sulfurique ou par un gel constitué d’unmélange de silice et d’acide sulfurique. Le boîtier externe est métal-lique, à base d’argent pour une raison d’étanchéité d’une part, et decompatibilité avec l’électrolyte acide d’autre part. Dans les applica-tions très critiques (spatial par exemple), le boîtier peut être en tan-tale. Ce type de condensateur est relativement peu utilisé comptetenu de son prix élevé.

(0)

3.1.2.2 Condensateur au tantale à électrolyte solide

Dans ce type de condensateur, l’électrolyte solide est le dioxydede manganèse recouvert d’une couche de graphite colloïdal et delaque d’argent comme collecteur de courant (figure 17). L’ensembleanode/électrolyte/laque d’argent est soit recouvert de résine époxy,soit surmoulé. La technologie de fabrication est indiquée dans letableau 8.

La poudre de tantale est pressée sous forme d’un cylindre, enmême temps qu’un fil de connexion en tantale inséré dans cetteanode. La poudre est frittée, ce qui assure la tenue mécanique del’anode. La formation du diélectrique (Ta2O5) à la surface de l’anodeest obtenue par oxydation du tantale, en plaçant l’anode dans unbain acide et en la soumettant à une tension quatre fois supérieureà la tension nominale du condensateur.

Afin de réaliser la cathode, l’anode est trempée dans une solutionde nitrate de manganèse qui pénètre dans l’anode poreuse et sedépose sur le diélectrique. Un traitement thermique décompose lenitrate et produit l’oxyde de manganèse, qui joue le rôle d’électro-

Figure 16 – Condensateur électrolytique au tantale à électrolyte gélifié

Figure 17 – Condensateur électrolytique au tantale à électrolyte solide

Tableau 8 – Principe d’élaborationdu condensateur au tantale à électrolyte solide

Compression poudre de tantale et insertion d’un fil conducteur

↓

Frittage de l’anode (1 500 ˚C sous vide)↓

Formation de Ta2O5 par traitement électrochimique

↓

Manganisation

↓

Graphitage

↓

Reformation de Ta2O5

↓

Trempé dans une solution de graphite

↓Trempé dans une solution d’argent

↓

Encapsulation du condensateur





CONDENSATEURS ______________________________________________________________________________________________________________________


lyte. L’anode est ensuite trempée dans une solution de graphite,séchée, puis trempée dans une solution d’argent et à nouveauséchée. Ces deux dépôts de graphite et d’argent sont nécessairespour obtenir une faible résistance de contact et permettent d’assu-rer le contact entre l’anode et une connexion extérieure. Le conden-sateur est ensuite protégé par une résine époxy.

Là encore, l’évolution technologique de ce produit concerne

l’accroissement de sa capacité par unité de volume. Celle-ci impli-que un travail important sur la granulométrie de la poudre de tan-tale. De plus, comme dans le cas des condensateurs électrolytiquesà l’aluminium à électrolyte solide, la recherche sur les électrolyteshautement conducteurs constitue un des axes privilégiés.


Les principales caractéristiques apparaissent dans le tableau 9.

3.2.1 Variation en fonction de la fréquence

Le comportement en fréquence dépend principalement de l’impé-dance Z et de la résistance série équivalente. De façon générale, on

peut dire que les condensateurs électrochimiques à électrolytesolide se comportent mieux en fréquence que ceux à électrolyteliquide : pour les premiers, le domaine d’utilisation, toutes choseségales par ailleurs, s’étend jusqu’au mégahertz, alors que lesseconds sont limités à des fréquences voisines de 500 kHz.

3.2.2 Variation en fonction de la tension

Le condensateur électrochimique est caractérisé, d’une part, par satension nominale de fonctionnement permanent U n et, d’autre part,par une tension de pointe U p, tension maximale instantanée répé-titive pouvant être appliquée par intermittence. La moins bonnetenue en tension de pointe des condensateurs électrochimiques àélectrolytique liquide (ou gélifié) est due à la dégradation de l’électro-lyte qui est consécutive à la polarisation électrochimique. Le conden-

sateur électrochimique à l’aluminium à électrolyte solide présente lameilleure tenue en tension inverse d’une manière permanente, car lediélectrique reste inerte : aucun phénomène de destruction consécu-tif à la polarisation de l’électrolyte n’a lieu. Le condensateur au tantalene supporte qu’une tension inverse très faible, en raison d’une faiblestabilité thermodynamique de l’oxyde de tantale.

3.2.3 Courant admissible

Le courant admissible est le courant maximal qui est autorisé parle condensateur considéré. Il est d’autant plus élevé que la résis-tance série équivalente du condensateur est faible. À titre d’exem-ple, il est indiqué dans le tableau 9 le courant admissible pour uncondensateur de 68 µF.

3.2.4 Durée de vie

Comme indiqué dans le tableau 9, le condensateur électrochimi-que à l’aluminium à électrolyte solide offre de bonnes propriétés :en particulier le diélectrique (oxyde d’aluminium) a la faculté de con-server son caractère amorphe. Cette particularité explique la supé-

riorité de l’aluminium sur le tantale au niveau de la tenue aux fortscourants traversants. Dans le cas du condensateur tantale, le diélec-trique (oxyde de tantale) peut devenir cristallin en présence d’unchamp électrique conduisant au phénomène de court-circuit. Cettetransformation induit également une réduction de la tension defonctionnement à haute température.

3.2.5 Courant de fuite

Comme indiqué (tableau 9), les condensateurs électrochimiquesà électrolyte liquide présentent les courants de fuite les plus faibles.Cette caractéristique est due à la régénération permanente du dié-lectrique au contact de l’électrolyte liquide. Ajoutons que la couchede diélectrique est moins endommagée pendant le procédé de fabri-cation dans le cas des condensateurs à électrolyte liquide.

(0)

Tableau 9 – Comparaison des caractéristiques des condensateurs électrochimiques

Aluminiumliquide

Aluminiumsolide Tantale non solide Tantale solide Niobium

Tension nominale U n ............................. (V) de 4 à 450 de 4 à 50 de 6,3 à 150 de 4 à 50 de 4 à 16

Tension de pointe de 1,1 à 1,15U n 1,3U n 1,15U n 1,3U n 1,3U n

Tension inverse continue à 85 ˚CNiveau 1,5 V 0,3U n 0 0,05U n

Durée Brève Continue Brève

Courant efficace (68 µF/6,3 V)traversant à 100 Hz/85 ˚C .....................(mA) 90 120 50 60

Réduction de tension à 125 ˚C 0 0 1/3U n 1/3U nDurée de vie à 85 C ................................ (h) 5 000 10 000 10 000 10 000

Mécanisme de destruction Évaporation del’électrolyte Inconnu Cristallisation par effet

de champCristallisation par

effet de champ

Courant de fuite maximal..................... (µA)mesuré après

0,002C nU n1 min

0,1C nU n15 s

0,001C nU n1 min

0,01C nU n1 min

Gamme de capacité (C n)........................ (µF) de 0,2 à 22 000 de 0,1 à 2 200 de 3,3 à 15 000 de 0,1 à 1 500 de 0,47 à 1 000





_____________________________________________________________________________________________________________________ CONDENSATEURS


3.3 Applications

Les principales applications pour les condensateurs électrochimi-ques à l’aluminium sont les fonctions de filtrage, de liaison, dedécouplage, mais aussi de stockage d’énergie. Dans le cas de fil-trage à haute fréquence (> 500 kHz), on devra utiliser un type de con-densateur dont la valeur de capacité reste significative (> 10 µF) etdont la valeur de résistance série équivalente est faible. Une despossibilités consiste à utiliser plusieurs condensateurs électrolyti-ques à électrolyte liquide en parallèle de façon, d’une part, à accroî-tre la capacité et, d’autre part, à baisser la résistance sérieéquivalente. Une alternative est d’utiliser un condensateur à l’alumi-nium à électrolyte solide, pour lequel la décroissance de la capacitéen fonction de la fréquence est relativement faible et la valeur de larésistance série équivalente est significativement plus basse. Dansle cas des alimentations à découpage à haute fréquence, on préfèrede la même façon les condensateurs à l’aluminium ou tantale à élec-trolyte solide, par rapport à leurs homologues à électrolyte liquide.Les condensateurs électrochimiques à électrolyte liquide ou gélifiésont fréquemment utilisés pour des applications haute tension(jusqu’à 500 V). Un des atouts majeurs du condensateur électrochi-mique à électrolyte solide est sa résistance aux hautes températu-res, nécessairement indispensable dans le secteur automobile.

3.4 Évolution

La tendance actuelle, ainsi que celle des années à venir, est desubstituer les composants à piquer par des composants à montageen surface. Les condensateurs électrochimiques doivent suivre cetteévolution inéluctable. Pour cela, le condensateur électrochimiquedoit être apte à résister aux conditions de report : celles-ci imposentau condensateur une tenue aux hautes températures, soit 230 à260 ˚C suivant les modes de report. Seuls, les condensateurs à élec-trolyte solide sont alors susceptibles de convenir.

L’évolution des électrolytes solides des condensateurs électrolyti-ques concerne donc l’amélioration de leur conductivité et de leurstabilité en température. L’utilisation de complexes de transfert decharge (type sels de 7,7,8,8 tétracyanoquinodiméthane) ou bien depolymères conducteurs dopés (type polypyrrole, polythiophène)

permettrait d’atteindre 100 Ω−1 · cm−1, soit 1 000 fois plus que laconductivité de l’oxyde de manganèse actuellement utilisé.

4. Condensateurs films

4.1 Technologie

Généralement, les condensateurs films sont classés suivant lanature du diélectrique qui est utilisé, mais ils peuvent l’être aussiselon la technique de métallisation du film ou la structure ducondensateur, comme indiqué au tableau 10. Les deux principalestechniques de construction du condensateur sont :

— un bobinage du film diélectrique et des électrodes (si le filmn’est pas préalablement métallisé) ;— la technique d’empilement, cette seconde méthode étant

beaucoup plus récente.

4.1.1 Condensateur bobiné

Les condensateurs bobinés sont généralement réalisés parl’enroulement de deux films diélectriques métallisés ; déposé sousvide, le métal a une épaisseur comprise entre 10 et 30 nm. Les deux

films comportent chacun, respectivement, une marge à droite ouune marge à gauche (figure 18). L’établissement des contacts élec-triques avec le circuit extérieur est assuré par une métallisation.Cette technique, appelée shoopage , consiste à déposer sur les deuxfaces du condensateur bobiné un métal en fusion.

Pour des exigences particulières de tenue à fort courant, le bobi-nage comporte en plus deux feuilles d’aluminium. Appelées armatures , elles sont épaisses d’environ 5 µm et assurent une bonnedissipation thermique. La prise de contact électrique vers le circuitextérieur est assurée par l’intermédiaire de ces armatures(figure 19).

Les condensateurs bobinés à film métallisé présentent un encom-brement deux à trois fois plus faible que ceux comportant des arma-tures. En outre, les films ont l’avantage d’être autocicatrisables (self- healing ) : en cas de défaut dans l’isolant conduisant à un claquage,l’énergie dégagée par la décharge est généralement suffisante pourvaporiser la métallisation autour du défaut et, par suite, pour l’isolerélectriquement. Le condensateur a perdu un peu de sa capacité,mais a retrouvé son isolement et continue d’assurer sa fonction. Lebobinage généralement cylindrique est souvent aplati avant d’êtredisposé dans un boîtier. Par contre, les condensateurs comportantdes armatures supportent des courants plus élevés ; ils sontparticulièrement stables et présentent une bonne tenue en régimeimpulsionnel.

Figure 18 – Condensateur à film métallisé

Figure 19 – Condensateur à armatures débordantes





CONDENSATEURS ______________________________________________________________________________________________________________________


(0)

(0)

4.1.2 Condensateur film empilé

Sa technologie de fabrication a permis de progresser fortementdans le domaine de la compacité et de la réduction des coûts defabrication car elle est parfaitement adaptée à une production de masse (tableau 11). Ce type de condensateur est constitué d’unempilage de condensateurs élémentaires montés en parallèle(figure 20).

Deux films isolants, métallisés sous vide (couche d’aluminium de20 à 30 nm d’épaisseur) avec une marge respectivement à droite ouà gauche, sont bobinés sur une roue d’environ 80 cm de diamètre.Le nombre de tours de film déposé sur la roue dépend bien évidem-ment de la valeur de la capacité recherchée. Les 2 films bobinés for-ment un condensateur « mère ». Plusieurs condensateurs « mères »peuvent être bobinés sur la roue et séparés par des intercalaires,l’ensemble étant maintenu mécaniquement à l’aide d’un cerclage(figure 21). Les prises de contact vers l’extérieur sont assurées parshoopage d’une première couche d’aluminium, qui assure la liaisonélectrique avec les électrodes internes du film empilé, et d’une

deuxième couche d’alliage d’étain, qui permet la soudabilité des filsde connexion. Un traitement thermique à une température infé-rieure à celle de la température de fusion de l’alliage permet de sta-biliser mécaniquement les segments.

Dans le cas du condensateur empilé nu, le shoopage d’alliaged’étain est remplacé par une argenture. Chaque condensateur« mère » (ou segment) est décerclé et découpé en condensateursélémentaires, dont le nombre dépend de la valeur de capacité. Àtitre d’exemple, une roue peut comporter 16 segments ; chaque seg-ment peut de son côté porter plusieurs centaines de condensateursélémentaires de 100 nF.

4.1.2.1 Condensateur empilé habillé

Dans cette version technologique, le condensateur est muni deconnexions, disposé dans un boîtier plastique et protégé de l’envi-ronnement extérieur (humidité, brouillard salin, etc.) par une résineépoxy rendant le boîtier étanche (figure 22). Une version moinscoûteuse que la mise en boîtier consiste à tremper directement lepavé dans une résine époxy.

4.1.2.2 Condensateur empilé nu (chip film )

L’évolution irréversible de l’utilisation de la technologie de reporten surface pour l’ensemble des composants passifs et actifs conduità concevoir un condensateur film sans aucune protection ni boîtierni enrobage époxy, qui est directement reportable sur le circuitimprimé (figure 23). Les problèmes majeurs à résoudre sont liésaux contraintes climatiques et thermiques, notamment celles quisont exercées sur le film durant l’opération de soudure. Les princi-pales caractéristiques des diélectriques utilisés pour la technologiechip film sont indiquées dans le tableau 12. La technologie de fabri-cation des condensateurs chip film est identique à celle des conden-sateurs traditionnels du type empilé .

Tableau 10 – Trois types de classification des condensateurs films

Nature du diélectrique Polyester, polypropylène, polystyrène, PPS, PET, PEN (1)

Structure du condensateur Bobiné ou empilé

Nature de l’électrode Électrode sous forme d’une armature métallique (5 à 7 µm)Film directement métallisé par dépôt sous vide (≈ 20 nm d’épaisseur)

(1) PPS polysulfure de phénylène ; PET polytéréphtalate d’éthylène ; PEN polyéthylène naphtalate

Tableau 11 – Procédé de fabricationd’un condensateur film empilé

Métallisation sous vide du film diélectrique

↓

Découpe du film

↓

Bobinage du film métallisé

↓

Cerclage

↓

Shoopage aluminium et Cu-Zn et/ou Sn-Ag et/ou Sn-Pbdes surfaces latérales

↓

Traitement thermique de stabilisation mécanique

↓

Découpe en condensateurs élémentaires

Figure 20 – Condensateur film empilé





_____________________________________________________________________________________________________________________ CONDENSATEURS



Les caractéristiques électriques des condensateurs films sontdirectement liées à celles des diélectriques utilisés (tableau 1) :

— polystyrène : ce film est l’un des premiers utilisés pour l’appli-cation condensateur. Son excellente stabilité en température et envieillissement permet son emploi dans les circuits d’accord. Par con-tre, sa température de fonctionnement est limitée (85 ˚C) ;

— polyester : cet autre film est l’un des plus utilisés actuellement,compte tenu du très bon compromis coût/performances, notam-ment pour la technologie film métallisé, dans la gamme de capacitéde 1 000 pF à 10 µF ;

— polypropylène : ce support est particulièrement bien adapté àla technologie film métallisé, et plus particulièrement destiné auxapplications de puissance. Ces propriétés sont :

• faible angle de pertes, • faible absorption d’humidité, • autocicatrisation (après claquage), • film rugueux (imprégnation), • bonne tension de claquage, • bonne tenue, très relative pour un polymère, en température ;

— les films utilisés pour le montage en surface sont le PET(polyéthylène téréphtalate), le PEN (polyéthylène naphtalate) et lePPS (polysulfure de phénylène). Des traitements thermiques com-plexes ont permis l’utilisation du PET, du PEN et du PPS, avec dessoudures sans plomb, en ayant toutefois, une meilleure stabilitéthermique avec le PEN et le PPS ;

— PPS : il est limité aux applications spécifiques qui nécessitentune température de fonctionnement élevée (150 ˚C) ou des fréquen-ces de fonctionnement élevées ;

— PEN : ce support est utilisé dans la technologie chip film quinécessite une excellente tenue aux contraintes thermiques (250 ˚C)et mécaniques durant l’opération de soudure sur le circuit imprimé ;

— PET : ce matériau permet également d’avoir une très bonnetenue aux contraintes thermiques (245 ˚C) et mécaniques durantl’opération de soudure sur circuit imprimé.

(0)

Figure 21 – Opération de bobinage d’un condensateur film empilé

Figure 22 – Condensateur empilé habillé

Figure 23 – Condensateur empilé nu (chip film )

Tableau 12 – Caractéristiques des films diélectriques utilisés dans la technologie empilé nu (chip )

PPS PEN PET

Permittivité relative 3,1 3 3,2

Épaisseur minimale.......................................... (µm) 1,2 1,2 1,2

Température de fusion ...................................... (˚C) 285 266 244

Température maximale de fonctionnement .... (˚C) 150 125 125PPS polysulfure de phénylène ; PEN polyéthylène naphtalate ; PET polyéthylène téréphtalate





CONDENSATEURS ______________________________________________________________________________________________________________________


4.3 Applications

Les condensateurs à base de polyester sont utilisés pour les appli-cations où les tensions alternatives et de polarisation sont de faibleamplitude et pour des fréquences de fonctionnement jusqu’à quel-ques mégahertz. Plus particulièrement, les condensateurs polyesteront une plus forte capacité volumique.

Les condensateurs à base de polystyrène ou de polypropylènesont utilisés pour les applications à haute fréquence et à tension éle-vée compte tenu, respectivement, de leurs faibles pertes diélectri-ques et de leur bonne tenue au claquage (tableau 1). Lescondensateurs à base de PPS ou PEN (polyéthylène naphtalate),grâce à leur point de fusion élevé, sont particulièrement recomman-dés en version chip film . Le diélectrique PPS est bien adapté pour lesapplications en haute fréquence.

4.4 Évolution

L’évolution la plus importante des condensateurs films concerneactuellement le développement de modèles d’encombrement réduitet surtout reportables en surface . Cette évolution nécessite des films

métallisés d’épaisseur très fine (< 1 µm) et qui supportent les tempé-ratures de soudure actuellement utilisées. Il faut cependant ne passous-estimer les difficultés technologiques de leur mise au point etle prix du film, qui peuvent être un frein à un emploi généralisé deces nouveaux produits.

4.5 Condensateurs utilisésen électronique de puissance

Une application particulière des condensateurs film concerne lesecteur de l’électronique de puissance et plus particulièrement lesfonctions suivantes :

— filtrage ;— commutation ;

— stockage d’énergie et décharge ;— protection des semi-conducteurs ;— mise en forme de signaux impulsionnels associant condensa-

teurs et inductances.

Actuellement le diélectrique le plus utilisé est le polypropylène,au détriment du papier qui tend à disparaître. Les condensateursdoivent présenter des valeurs minimales de résistance série , pertes diélectriques et inductance compte tenu des conditions de fonction-nement (courants non sinusoïdaux, résidus harmoniques, fortevariation du courant en fonction du temps, tension continue depolarisation élevée, etc.). Les tensions mises en jeu sont comprisesentre 20 et 50 kV pour les produits standards, et peuvent atteindre100 voire 150 kV pour certaines applications. Toutefois, les courantsmis en jeu ne dépassent jamais 1 ampère ; aussi les puissancesréactives ne dépassent pas 100 kVA et les énergies volumiques sontde l’ordre de 800 J/L soit 800 kJ/m3.

La technologie de fabrication est semblable à celle des condensa-teurs bobinés et dépend également des conditions de fonctionne-ment énoncées précédemment. L’inconvénient est la présence d’unelame d’air entre les enroulements. En conséquence, le gradient detension admissible est limité, afin d’éviter le phénomène de cla-quage. Comme remède pour les applications qui nécessitent unetenue aux hautes tensions, on introduit un liquide d’imprégnation (huile de colza à titre d’exemple) entre les enroulements du conden-

sateur durant ou après l’opération de bobinage. L’énergie volumi-que du condensateur peut alors être augmentée d’un facteur deux.

Les développements actuels sont liés, entre autres, à la réductiondu volume et du poids des condensateurs, tout en conservant lesperformances électriques. Le tableau 13 permet de comparer lesperformances de différents matériaux. À titre d’exemple, les con-densateurs de filtrage et de commutation équipant les TGV Atlanti-que correspondent à un poids de 3 tonnes par rame. Une réductionde ce poids d’environ 40 % est un objectif réaliste. Cependant cer-tains types de diélectriques peuvent prétendre à de telles applica-tions. On constate que le SrTiO3, mais c’est aussi le cas de BaTiO3,présente une permittivité très élevée par rapport à celle des autresmatériaux. Grâce à cette propriété, on réalise des condensateurscéramiques, avec ces matériaux comme diélectriques, qui présen-tent de fortes capacités sous de faibles volumes. Ceci est très inté-ressant pour la miniaturisation des circuits.

5. Tendances

5.1 Évolution du secteurdes condensateurs

Le secteur industriel des condensateurs est caractérisé, d’un pointde vue économique, par une érosion continuelle des prix et, selon latechnique, par une évolution accélérée de la demande de condensa-teurs compatibles avec le report en surface. Conséquence de cesdeux tendances : la croissance la plus importante concerne les chipscéramiques multicouches, qui répondent aux exigences du marché.L’importance prise par cette technologie ne peut qu’être renforcéedans les prochaines années par sa bonne adéquation à l’évolution

des composants passifs (R , L, C ) vers l’intégration.A contrario , les condensateurs mica trop volumineux et coûteux

ne sont plus guère employés.

Les condensateurs céramiques monocouches traditionnels avecconnexions représentent encore un marché dans le domaine grandpublic grâce à leur prix attractif, mais ils se trouvent dans une phasede décroissance. Cependant sur des marchés de niche, tels que lahaute tension, les condensateurs monocouches peuvent encore sedévelopper.

Les condensateurs films souffrent de l’évolution du marchéorienté vers la technique de report en surface. Si plusieurs construc-teurs commercialisent des chips films , ceux-ci ne concernent quedes marchés de niche correspondant à des applications où lescéramiques multicouches ne sont plus compétitives en termes deprix (forte capacité, haute tension par exemple).

(0)

Tableau 13 – Comparaison des caractéristiques des différents condensateurs de puissance

Capacité(µF)

U n(V)

Densité Énergie(J/dm3)

Champ maximal(V/ µm)

ε r

Film (PPS-PET) < 100 de 10 à 10 000 600 500 3

Céramique (SrTiO3) < 100 de 10 à 10 000 100 10 1 800

Aluminium de 1 à 106 de 10 à 500 250 800 8





_____________________________________________________________________________________________________________________ CONDENSATEURS


Le marché des condensateurs au tantale est en forte croissancepour les modèles CMS (composants pour montage en surface) utili-sés dans les télécommunications mobiles et l’informatique porta-ble. Cette technologie est cependant handicapée par le prix de lapoudre de tantale, principale matière première de ce type de con-densateur. Les efforts d’amélioration portent sur la réduction de laquantité de poudre utilisée à performance constante et égalementsur le remplacement du tantale par le niobium.

Le marché des condensateurs à l’aluminium est en faible crois-sance pour les tensions nominales inférieures à 63 V et de capacitéinférieure à 100 µF, car en compétition avec les condensateurs chipstantale et dans une moindre mesure avec les condensateurscéramiques multicouches pour les plus faibles valeurs de capacitéutilisées dans les alimentations à découpage.

Enfin, le marché des condensateurs au papier utilisés dans les appli-cations de puissance tend à disparaître au profit des condensateursfilms métallisés et des condensateurs électrolytiques à l’aluminium.

Nous terminerons cette analyse de tendance en détaillant au para-graphe suivant les perspectives d’avenir des supercondensateurscaractérisés par des capacités volumiques particulièrement élevées.

5.2 Supercondensateurs

5.2.1 Technologie

Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage d’éner-gie. Aussi bien dans leur principe que dans leurs caractéristiques, ilsse positionnent entre les accumulateurs électrochimiques et les con-densateurs. De par leur conception, ils sont constitués de deux élec-trodes et d’un électrolyte.

On peut classer les supercondensateurs en deux groupes, suivantleur principe de fonctionnement :

— stockage de l’énergie sous forme électrostatique ;— stockage de l’énergie sous forme électrochimique.

5.2.1.1 Technologie au charbon actif

Actuellement commercialisés sous le nom de gold capacitors , cessupercondensateurs fonctionnent selon un principe de type élec-trostatique. L’électricité est stockée dans la double couche électro-chimique existant à l’interface électrode/électrolyte. La figure 24montre la structure de ce supercondensateur : l’électrode est consti-tuée par un matériau en charbon actif de très grande surface spéci-fique (> 1 000 m2 /g). L’électrolyte imprégnant le séparateur entre lesdeux électrodes est un électrolyte à conduction ionique, soitaqueux, soit organique. L’électrolyte aqueux permet d’obtenir uneforte puissance (10 kW/kg), due à une plus grande conductivité audétriment d’une plus faible densité d’énergie (1,1 Wh/kg). L’électro-lyte organique permet d’obtenir une plus forte densité d’énergie

(jusqu’à 4,2 Wh/kg) (tableau 14). La capacité massique est de l’ordrede 70 F/g. Les valeurs typiques de capacité commercialisées sont del’ordre de 10 F sous une tension de 2,5 V.

5.2.1.2 Technologie basée sur les réactions faradiquesLa supercapacité résulte de la mise en jeu de réactions électrochi-

miques faradiques à l’interface électrode/électrolyte. Le matériaud’électrode est constitué soit par un oxyde de métal de transitionnon stœchiométrique (matériau d’insertion), soit par un polymèreconducteur de type polypyrrole, polythiophène, polyaniline ...L’électrolyte peut être de l’acide sulfurique dans le premier cas, oubien un sel dissous dans un solvant aqueux ou organique dans lesecond cas, sel ayant la particularité de jouer le rôle de dopant dupolymère conducteur employé. Cette technologie est, actuellement,en cours de développement. Le comportement capacitif est lié aublocage inhérent à la pénétration des ions dans la réaction interfa-ciale électrolyte/matériau d’électrode. Dans ce cas, la capacité déve-loppée peut atteindre 200 F/g avec des tensions de 2 V dans le casd’électrolytes organiques aprotiques.

5.2.2 Propriétés électriques

Les paramètres électriques significatifs des supercondensateurssont, essentiellement, la densité d’énergie massique (Wh/kg) et sur-tout la puissance massique (W/kg) qui traduit l’aptitude de la super-capacité à délivrer une importante quantité d’énergie pendant destemps brefs (0,1 ms à 1 s). Le tableau 14 indique les caractéristiquesdes divers types de supercondensateurs. Outre les paramètres éner-gie et puissance déjà discutés, on remarque que les meilleures per-formances sont obtenues pour des électrodes de type polymèreconducteur associées à un électrolyte organique.

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Figure 24 – Structure d’un supercondensateur

Tableau 14 – Comparaison des caractéristiques des supercondensateurs

Électrode : Charbon actif Charbon actif Matériau d’insertion Polymère conducteur

Électrolyte : Acide sulfurique Électrolyte organique Acide sulfurique Électrolyte organique

Énergie massique..................(Wh/kg) de 0,2 à 1,1 de 2 à 4,2 de 2,7 à 5,5 11

Puissance massique.............. (kW/kg) de 1 à 10 de 0,1 à 1 de 10 à 100 100

Tension........................................... (V) de 0,8 à 1,2 de 2 à 2,5 de 0,8 à 1,2 2,5





CONDENSATEURS ______________________________________________________________________________________________________________________


5.2.3 Applications

Les supercondensateurs peuvent être utilisés en remplacement ouen complément des accumulateurs électrochimiques. La caractéristi-que essentielle qui est exploitée dans les applications est la puissancemassique. On trouvera donc ces supercondensateurs dans les systè-mes qui nécessitent une importante énergie délivrée en un temps bref.Les domaines d’applications militaires sont, à titre d’exemple nonlimitatif, le canon électromagnétique et les radars. Le secteur des télé-communications porte un intérêt à ces composants dans lesmémoires de sauvegarde en remplacement des batteries. Les super-condensateurs présentent également un intérêt en complément desbatteries dans la radiotéléphonie, où l’on doit disposer d’énergie

durant des temps très courts (1 ms), excluant l’utilisation de batteriesà forte impédance ; de même, ils pourraient être exploités comme sau-vegarde de mémoire en informatique. Le secteur automobile, et enparticulier le véhicule électrique, utilisera les supercondensateurs : eneffet, pour accélérer et franchir une côte, il faut disposer d’une grandequantité d’énergie dans un temps très bref : dans ce cadre, les batte-ries au lithium d’une puissance d’environ 150 W/kg ne suffisent pas,alors que le supercondensateur issu de l’électrochimie pourraitdélivrer une puissance massique très élevée : 10 kW/kg.

Le tableau 15 permet d’évaluer la progression des superconden-sateurs dans des secteurs très divers. Le marché estimé d’ici à10 ans serait de l’ordre de 500 millions à 1 milliard de dollars.

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Tableau 15 – Marché disponible en 2000 pour les supercondensateurs à double couche de carbone (EDLC)dans le domaine de la traction

Véhicules produits Marché potentiel :nombre de cellules

Pénétration du marché(%)

Transport routier :marchandises et passagers

227 000 4 300 000 4

Chariots élévateurs 1 100 000 4 400 000 0





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