4-CELESTE MAPR 2007 Condensateurs Céramiques à Capacité Colossale pour l’Electronique des Systèmes Embarqués

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