4-CELESTE MAPR 2007 Condensateurs Céramiques à Capacité Colossale pour l’Electronique des Systèmes Embarqués
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4-CELESTE MAPR 2007 Condensateurs Céramiques à Capacité Colossale pour l’Electronique des Systèmes Embarqués T. Lebey, Z. Valdez-Nava, C. Combettes, LAPLACE - UMR CNRS 5213, Toulouse F. Rossignol, M. Lejeune, N. Bouvier, SPCTS - UMR CNRS 7315, Limoges S. Guillemet-Fritsch, CIRIMAT - UMR CNRS 5085, Toulouse R. Noguera, C. Dossou-Yovo - Ceradrop, Limoges J. Sarrias – Marion Technologies, Verniolle E. Dutarde, S. Dagdag – Alstom, Tarbes Contexte Condensateurs utilisés par Alstom Filtrage du Bus continu en sortie d'un redresseur Tension DC (V)a Capacité (mF) Courant eff. (A) Objectif industriel Cartes allumeurs d’IGBT Fréquence (kHz) 900 9 - 18 900 0 - 2,5 1800 3 - 4,5 400 0 - 0,8 4000 1 200 0 - 1,5 Composant base-céramique à forte permittivité ayant des valeurs proches des condensateurs électrochimiques Contrôle BT Découpage de la tension Bus continu en entrée onduleur Tension DC (V) Capacité (µF) Courant eff. (A) Fréquence (kHz) 900 4 - 25 40 0 - 2,5 2000 1-4 25 0 - 0,8 Carte driver/allumeur Filtrage alimentation de découpage pour piloter les IGBTs (Gate drive) Tension DC (V) Capacité (µF) Courant eff. (mA) Fréquence (kHz) 25 - 35 10 - 220 500 0 - 2,5 Condensateur électrochimique 220µF/35V 105°C Adaptation à la fonction Condensateurs : design standard Construc on 3D Condensateurs multicouches (MLCC) Simulation des performances Nouveau design Représentation : Surface = Potentiel électrique Iso-valeur = Champ électrique Sec on Couches diélectriques Electrodes internes We = 3,342755.10-10 J/unité de longueur We = 2,335067.10-10 J/unité de longueur C/l = 6,69.10-10 F/unité de longueur C/l = 4,67.10-10 F/unité de longueur Electrode Contre-électrode Terminaisons Diélectrique Gain = 43% Aspects Matériaux et Procédés Poudres diélectriques CaCu3Ti4O12 (CCTO) Formulation des encres Mise en forme par impression jet d’encre Synthèse au laboratoire 4 vol.% < poudre< 15 vol.% Dispersants Co-précipitation d’oxalates mixtes dans l’éthanol puis calcination Désagglomération Ajustement des paramètres : taille, composition, morphologie, état d’agrégation 650 °C Risque d’obturation des buses Prototypage 3D goutte par goutte à partir d’un fichier CAO Phase majoritaire : CuO Phases minoritaires : CaTi4O9 et TiO2 de la poudre Compacité/épaisseur en cru 950 °C Phase majoritaire : CCTO Phase minoritaire : CuO Traces de TiO2 et CaTiO3 Liants Surfactants… Viscosité des suspensions Ejection/étalement des gouttes Tenue mécanique en cru Empilement des couches Approche « multimatériaux » Véhicules tests céramiques Véhicules tests métalliques Industrie : voie carbonate - Phase majoritaire : CCTO - Phase minoritaire : CuO Obtention de blocs de CCTO de 200 couches Couches élémentaires d'épaisseur 4 µm / couche 950°C Déliantage Ségrégation de phase limité (CuO : additif de frittage) Bilan Contraintes du procédé jet d’encre : ∅ grains < 1 µm = ∅ buses /50 Poudre agrégée : broyage nécessaire Ajout d’un dispersant de broyage (Max. efficacité et éviter ré-agglomération) Pistes interdigitées de résolution ≈ 58µm en cru Frittage avec quelques défauts (coalescence) Résistance couche métallique = 0,009 Ohm Résultats / Bilan Phénomènes de barrières internes Acquisition de savoir-faire stratégiques pour les PME partenaires • Synthèse de poudres spécifiques (Marion Technologies) • Influence de l’atmosphère de frittage ε eff = ε gb × Formulation d’encres (Ceradrop) Propriétés véhicules tests céramiques A t Internal Barrier Layer Capacitor Propriétés électriques mesurées à T°C ambiante, 1 Veff, 1 kHz Diffusion des savoir-faire Validation de la technologie jet d’encre sur véhicules de tests Intégration 3D reste à démontrer permittivité relative du matériau permittivité relative des joints de grains taille des grains épaisseur des joints de grains Blocs de CCTO frittés sous Atmosphère de frittage Taille des grains Matériau base-CCTO • • εeff : εgb : A: t: Interaction avec les têtes d’impression piézoélectriques Pertes di-électriques trop élevées Traitements thermiques sous 2 atmosphères successives 1) Réductrice grains semi-conducteurs 2) Oxydante joints de grains isolants [email protected] CONTACT [email protected] Tél : 05 87 50 24 14 Colloque ANR MATETPRO 15-16/10/2013 Ar/3%H 2 Ar/3%H2 puis O2 Air O2 5-10 2–5 2-5 2-5 50 50-100 εr 86183 27171 78007 256832 Tan δ 0,93 0,24 0,56 0,29 (µm)
