Brevet FR2306513A1 — publié le 19761029

La présente invention concerne un élément capacitif discret comportant un ensemble d'armatures et de couches diélectriques superposées, les armatures étant constituées par des dépôts métalliques localisés. Les condensateurs statiques utilisés comme composants discrets en électronique ont des dimensions importantes, relativement aux autres composants des circuits miniaturisés dits hybrides. L'en combrement de ces condensateurs vient surtout de l'épaisseur des diélectriques disponibles en bandes, qu'il n'est pratiquement pas possible de diminuer au dessous de 2 um. Cette épaisseur permet des fonctionnements permanents sous des tensions continues de l'ordre de 40 volts, alors que suffiraient des tensions de service voisines de celles des composants actifs, le plus souvent comprises entre 2 et 20 volts. Pour augmenter la capacité par unité de volume ou "capacité spécifique", on a cherché à utiliser des diélectriques de permittivité relative très élevée, mais l'augmentation de permittivité relative se traduit le plus souvent par un accroissement des p-ertes diélectriques et par une diminution de la stabilité en température et en fréquence. L'amélioration de la capacité spécifique devrait être obtenue par une réduction de l'épaisseur du diélec trique, celle des armatures pouvant être obtenue inférieure à 1000 o A par exemple, comme on sait les obtenir par les procédés connus de métallisation, dans le cas de condensateurs à diélectrique métallisé. On connaît par ailleurs le procédé de réalisation de condensateurs dits à feuilles minces, consistant à déposer sur une bande support, des couches métalliques et diélectriques qui sont ensuite détachées de ce support pour être bobinées en rouleaux. Mais pour être bobinées, ces couches, notamment les couches diélectriques ne peuvent avoir une épaisseur inférieure à 2 Vm et la capacité spécifique obtenue est faible. L'invention a pour but de remédier à cet inconvénient et de fournir des condensateurs multicouches dtencombrement minimal, comportant un diélectrique dont la permittivité est compatible avec des pertes diélectriques minimales et permettant des tensions de service voisines de celle des composants actifs des circuits de microélectronique et des circuits hybrides. L'invention utilise les possibilités des techniques de dépôt en couches minces. On entend ici par couches minces des couches obtenues par dépôt suivant des procédés physiques et/ou chimiques à partir d'une phase liquide ou d'une phase gazeuse et d'épaisseur sensiblement inférieure au micromètre, de préférence inférieure o à 1000 A. Ces couches minces ntont pas une tenue suffisante pour être séparées du substrat sur lequel elles sont déposées et ne peuvent être manipulées indépendamment de ce dernier. La fragilité de ces couches rend la prise de connexions particulièrement délicate et une structure comme, par exemple, celle des condensateurs à diélectrique métallisé ne peut être envisagée. Selon l'invention, un élément capacitif discret comportant un ensemble d'armatures et de couches diélectriques superposées, les armatures étant constituées par des dépôts métalliques localisés, est remarquable principalement en ce qu'il est formé d'un substrat rigide sur la surface duquel sont déposées des couches minces localisées successives, alternativement métalliques et diélectriques, chaque couche étant localement en retrait d'une part par rapport à la couche sous-jacente, d'autre part par rapport à la couche qui la recouvre, et en ce que les zones de dépôt métallique débordant des couches diélectriques et appartenant à des armatures de même polarité sont superposées, des conducteurs de connexion de sortie étant fixés sur lesdites zones débordantes supportées par ledit substrat. Le substrat sur lequel sont déposées les couches successives métalliques et diélectriques donne au condensateur sa tenue mécanique qui permet de le manipuler, de le fixer sur une plaquette de circuit hybride par e-xemple, et d'y fixer des connexions. Le substrat rigide, dont les dimensions peuvent être de l'ordre du mm3, par exemple un cylindre de 1 mm de diamètre et 2 5 mm de long ou une plaquette de 0,2 mm d'épaisseur et 1 cm de surface, peut recevoir sur les parties métalliques débordantes des conducteurs plans ou filiformes du type même des connexions des composants actifs connus. Les connexions sont aisément soudées, la surface disponible et la masse thermique étant plus importantes, et le diélectrique mieux protégé, que dans les condensateurs connus sans substrat rigide. La capacité spécifique est élevée du fait de l'épaisseur des couches minces diélectriques que les procédés de dépôt permettent de réaliser avec des matériaux de permittivité relativement élevée. la limite inférieure de l'épaisseur du diélectrique n'est plus déterminée par la nécessité d'une tenue mécanique suffisante, mais seulement par la valeur nécessaire de la tension de claquage des couches diélectriques déterminée elle-même en fonetion de la tension de service voulue. Par exemple pour des tensions de fonctionnement en service continu inférieures à 10 V, les couches d'un matériau diélectrique eourant tels que le polystyrène ayant une permittivité relative de l'ordre de 3, peuvent avoir une épaisseur de 500 . Avec un diélectrique ayant une épaisseur de cet ordre, la capacité spécifique d'un condensateur selon l'invention peut atteindre des valeurs plus de 1000 fois supérieures à celle d'un condensateur de type connu. Dans une première forme de réalisation, le substrat est cylindrique, de structure pleine ou tubulaire. Les couches métalliques et diélectriques sont déposées essentie-llement sur la surface cylindrique. Le substrat est de préférence constitué par un bâtonnet cylindrique isolant et les couches métalliques s'étendent au-delà des couches diélectriques, alternativement en direction de l'une et de l'autre extrémité du cylindre. Les couches métalliques forment ainsi des armatures concentriques, mises en parallèle respectivement aux deux extrémités du cylindre. L'élément capacitif se présente comme un ensemble de capacités concentriques en parallèle dont la structure coaxiale est particulièrement avantageuse, en haute fréquence notamment. Dans la forme de réalisation cylindrique, le substrat supporte l'ensemble capacitif et les connexions. Avantageusement, les couches métalliques recouvrent alternativement l'une et l'autre extrémités du cylindre et les connexions sont soudées directement sur ces extrémités qui reprtsentent une surface et une masse thermique relativement importante et où le diélectrique est hors d'atteinte. Selon une variante de réalisation de la forme cylindrique, 11 élément capacitif est formé de plusieurs capacités en série permettant une tension de service plus élevée. Des zones annulaires d'épargne sont prévues pour les différents dépôts de façon à partager ces derniers en tronçons en nombre voulu et de longueur voulue. La forme cylindrique mentionnée ci-dessus est de préférence à base circulaire, mais il va de soi que des formes à base elliptique, ovale ou même polygonale ou autres peuvent être envisagées également. bans une autre forme de réalisation, le substrat rigide est plan. Les couches métalliques et diélectriques sont déposées essentiellement sur des surfaces planes. Le substrat est de préférence constitué par une plaquette plane isolante et les couches métalliques s'étendent au-delà des couches diélectriques, alternativement en direction d'un bord et du bord opposé de la plaquette. Avantageusement les couches sont déposées sur les deux faces, les armatures d'une face et les armatures de l'autre face de même polarité étant mises en parallèle par des dépôts métalliques effectués sur la tranche, respectivement sur un bord et sur le bord opposé. Dans la forme de réalisation plane, le substrat supporte l'ensemble capacitif et les connexions. Avantageusement des couches métalliques recouvrent alternativement un bord et le bord oppo-sé et les connexions sont soudées directement sur la tranche, sur l'un et l'autre bords, qui représentent une surface et une masse thermique relativement importante où le diélectrique est hors d'atteinte. Selon une variante de la forme de réalisation plane, les couches métalliques d'armature recouvrent non seulement la tranche de la plaquette mais comportent en outre un retour sur la face opposée; ce retour, sur lequel sont soudées les connexions, représente une surface importante, notamment dans le cas où l'épaisseur de la plaquette est trop faible pour permettre la soudure dtune connexion sur la tranche. Dans les diverses formes de réalisation, le substrat au lieu d'être fait d'un matériau isolant dans la masse, peut être fait d'un matériau conducteur revêtu d'une couche isolante; le substrat peut même constituer une première armature et dans ce cas une partie de la couche isolante est absente de façon qu'à l'endroit non Isolé des couches métalliques déposées puissent être mises en parallèle avec le substrat. Avantageusement, l'élément capacitif est protégé extérieurement par laquage ou surmoulage ou tout autre technique connue de passivation. Les couches métalliques déposées sont obtenues par un procédé permettant d'obtenir des couches continues, adhérentes, de bonne conductivité électrique et d'épaisseur minimale. Les procédés connus de métallisation utilisés dans la fabrication de condensateurs à diélectrique métallisé, peuvent être- employés. Les couches métalliques obtenues ainsi par évaporation sous vide, peinture ou trempage suivi d'évaporation, dépôt électrochimique ou autre, ont des épaisseurs comprises entre quelques dizaines et quelques centaines d'angströms. Ces couches sont des couches d'aluminium, zinc, or, argent, silicium, chrome, tantale, titane par exemple. Les couches diélectriques déposées sont obtenues par un procédé permettant d'obtenir des couches continues, adhérentes, de bonne permittivité relative, exemptes de défauts tels que perforation, pores, inclusions, et d'épaisseur minimale. Les procédés connus utilisés pour déposer des matériaux isolants en couche mince tels que: oxydation d'une couche métallique, dépôt thermique sous vide, par pulvérisation cathodique, en phase vapeur, méthode de Langmuir Blodgett de dépôt de couches monomoléculaires, décrite notamment dans le brevet français nO 1 367 780, peuvent être employés. Les couches diélectriques obtenues ainsi ont des épaisseurs comprises entre quelques dizaines et quelques milliers d'angströms.Ces couches sont notamment des couches minérales d'oxyde de titane, de baryum, de tantale, d'aluminium, de niobium, ou de composés tels que des fluorures ou des oxyfluorures, ou des couches organiques de polystyrène, de polypropylène, de polytéréphtalate d'éthylène, de polytétrafluoréthylène, de polysulfone, ou d'acides gras et de leurs composés. Les différentes couches déposées sont localisées sur une certaine plage de la surfacq du substrat. La localisation est obtenue soit par un procédé additif, soit par un procédé soustractif. On sait que, selon les procédés additifs, le dépôt est effectué en masquant les portions de surface qui ne doivent pas être recouvertes; et que, selon les procédés soustractifs, le dépôt est effectué sur toute lasurface puis éliminé des portions qui ne doivent pas être recouvertes, l'élimination étant obtenue par photogravure sélective par exemple. La très faible épaisseur des couches déposées permet d'en superposer un grand nombre sans que cette superposition entraîne des discontinuités à l'endroit des limites de couches sous-jacentes.Un profil de couche en "marche d'escalier" n'est pas à craindre, l'épaisseur d'une couche étant de plusieurs ordres de grandeur inférieure à la largeur des zones limites des dépôts. L'invention est applicable à la réalisation de condensateurs statiques constituant des éléments discrets de microcircuits électroniques, de circuits hybrides et de circuits nécessitant un encombrement minimal et des tensions de service de l'ordre des tensions de service des composants électroniques actifs, notamment comprises entre 2 et 20 volts. La description qui va suivre en regard des dessins annexés fera bien compréndre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une vue en coupe d'un condensateur cylindri que selon l'invention. La figure 2 est une coupe schématique d'une variante compor tant des capacités en série. La figure 3 est une coupe schématique d'une autre variante de réalisation d'un condensateur cylindrique. La figure 4 est une vue en perspective d'un condensateur plan selon l'invention. La figure 5 est une coupe schématique d'un condensateur du type de celui de la figure 4. La figure 6 est une vue schématique en plan d'une possibilité de découpage en vue de l'obtention de condensateurs plans. Le condensateur cylindrique représenté sur la figure 1 compor te un substrat isolant 1 en forme de bâtonnet cylindrique. Sur le substrat 1 sont déposées successivement une couche mince métallique 2, une couche mince diélectrique 3, une couche mince métallique 4, une couche mince diélectrique 5 et ainsi de suite, alternativement une couche mince métallique et une couche mince diélectrique. Cette succession de couches est représentée jusqu'à une couche métalli que 12, mais il va de soi qu'un nombre plus ou moins élevé de cou ches peut être déposé. Les couches de même rang 2, 6, 10 recouvrent une extrémité 17 du substrat et sont limitées, à l'autre extrémité 18, à une distance "b" de cette dernière. Les couches de même rang 4, 8, 12 recouvrent l'extrémité 18 et sont limitées à l'autre extrémité 17, à une distance "a" de cette dernière. Les couches diélectriques 3, 5, 7, 9, 11 débordent des limites des couches métalliques d'une distance suffisante pour assurer l'iso lement, compte tenu des tolérances et des irrégularités des limi tes de dépôt. Les mêmes couches diélectriques sont limitées de façon à assurer le contact entre les couches métalliques de même rang sur une longueur suffisante à chaque extrémité du substrat. Aux deux extrémités de l'élément capacitif, une couche métal lique épaisse 13a, 13b obtenue par exemple par trempage recouvre les couches minces métalliques et un fil de -connexion est soudé sur cette couche épaisse, soit sur les surfaces sensiblement planes des extrémités en 15a et 15b, soit sur les surfaces latérales cylindriques en 16a et 16b. Un revêtement isolant 14 recouvre les couches minces, en vue de leur protection. Ce revêtement peut être remplacé par un enro bage total de l'élément capacitif. Il est à noter que, pour une meilleure compréhension du dessin, une épaisseur relativement importante a été donnée, sur la figure 1, aux différentes couches minces déposées; les dimensions relatives des diverses parties de l'élément- capacitif apparaissant sur cette figure ne peuvent ainsi correspondre à la réalité, les proportions entre longueur et épaisseur notamment ne peuvent être respectees, non plus que le profil, en coupe, des couches successives. Compte tenu de l'épaisseur réelle des couches,-celles-ci sont pratiquement cylindriques sur toute leur longueur, le diamètre de la cquche de protection 14 peut être inférieur à celui des couches de contact 13a, 13b et la soudure des connexions 16a, 16b peut être effectuée en prenant appui sur une surface cylindrique du substrat exempte de couche diélectrique et de longueur suffisante. Un élément capacitif de structure analogue à celui de la figure 1 est représenté schématiquement sur la figure 2 et comprend trois capacités en série. Un nombre restreint de couches minces a été représenté sur cette coupe schématique, mais il va de soi que ce nombre n'est pas limité. Les couches minces métalliques 22, 24, 26, 28 que supporte le substrat isolant 21 présentent des épargnes annulaires de façon à constituer trois capacités ensérie, de surfaces sensiblement égales et de ce fait de valeurs sensiblement égales. Les couches minces diélectriques 23, 25, 27 représentées en traits interrompus recouvrent les couches minces métalliques en - ménageant des possibilités de contact aux extrémités du substrat. Selon une variante de réalisation les couches diélectriques pré sentent également des épargnes annulaires aux. mêmes emplacements que les épargnes des couches métalliques mais de largeur moindre, assurant ainsi un contact entre les couches métalliques intéres sées aux points de mise en série des différentes capacités. Des conducteurs de connexion 29 sont fixés aux extrémités de l'élément capacitif. L'élément capacitif représenté schématiquement sur la figure 2 comporte à titre d'exemple trois capacités en série, mais il va de soi qu'il est possible de réaliser des éléments capacitifs de même structure comportant deux capacités, quatre capacités ou davantage. Selon une variante de réalisation d'un élément capacitif cylindrique, représenté en coupe schématique sur la figure 3, les couches minces sont déposées sur un substrat 31 fait d'un matériau conducteur. La première couche déposée 32 est une couche diélectrique laissant non recouverte la surface cylindrique de substrat, sur une certaine longueur à une de ses extrémités. Les couches successives métalliques 33, 35, 37 et diélectriques 34, 36, comportent des épargnes analogues à celles des couches des éléments capacitifs des figures 1 et 2. Des connexions, en fil ou en bande, 38 et 39 sont soudées sur les parties apparentes des couches métalliques aux emplacements indiqués par des flèches. Dans le cas de la structure de la figure 3, le substrat constitue une partie d'une des armatures. Un élément capacitif du type représenté sur la figure 1 est réalisé par exemple sur un substrat de diamètre 1 mm et de longueur 5 mm. Les couches métalliques sont constituées de dépôts d'alumi o nium de 200 à 1000 A d'épaisseur, leur nombre étant fonction de la capacité prévue. Les couches diélectriques sont constituées de dépôts de couches monomoléculaires d'acide gras présentant une permittivité relative de l'ordre de 3. Ces couches qui ont 25 ou o plusieurs fois 25 A d'épaisseur, sont obtenues par la méthode de Langmuir-Blodgett déjà citée. Des capacités spécifiques supérieures à 100 uF par cm3 sont obtenues avec moins de dix couches de 25 A. Les extrémités sont garnies d'une couche de métal, par exemple Zn, Al, Au ou Ag, obtenue par trempage et l'élément est enrobé dans une résine thermodurcissable. Le condensateur plan représenté sur la figure 4 est constitué par une plaquette plane 41 faite d'un matériau isolant. Sur une grande face est déposée une première couche métallique localisée 42, puis une couche diélectrique localisée 43, puis une autre couche métallique localisée 44, puis une nouvelle couche diélectrique identique à la couche 43, puis une couche métallique identique à la couche 42 et ainsi de suite. Du fait de la localisation des couches diéleetiqiaues 43, les différentes couches métalliques telles que 42 sont en contact entre elles sur une surface importante le long d'un bord 45 et les différentes couches métalliques telles que 44 sont en contact entre elles sur une surface import tante le1C loeng du bord opposé lui6. Des contacffls peuvent être pris par soudure sur lesdites sur faces im.portan es. t es possible également de prévoir que les couches métalliques recouvrent en outre la tranche de la plaquette, du côté du bord 45 quant aux couches 42 et du côté du bord 46 quant aux couches h4. Dans ce cas, les contacts peuvent être également pris par schoopage sur les tranches de la plaquette. Cette dernière forme de réalisation permet de mettre en parallèle avec les armatu res constituées par les couches 42 d'une part, 44 d'autre part, des armatures identiques prévues sur l'autre grande face.En effet, les mêmes dépôts de couches minces métalliques et diélectriques, pareil lement localisés, peuvent être présents sur 11 autre grande face de la plaquette et doubler ainsi la capacité, sans augmentation de volume Les couches minces métalliques et diélectriques déposées sur la plaquette peuvent également être localisées comme indiqué sur la coupe schématique de la figure 5. Les couches sont déposées sur un substrat en matériau conducteur 51 revêtu totalement d'une couche isolante 52. Les couches métalliques 53, 54, 56, 57, 59, 60 comportent chacune une partie principale s1 étendant soit sur la face a, soit sur la face b de la plaquette, une partie sur chant de la plaquette et un retour sur la face opposée.Les couches diélectriques 55, 58 recouvrent les parties prineipales des dépôts métalliques et laissent accessibles lesdits retours, pour la sou dure de conducteurs de connexion plats ou filiformes. Les différentes formes de réalisation d1éléments capacitifs sur plaquette permettent d'atteindre des capacités spécifiques très élevées. Par exemple des armatures eonstituées par des dépôts d'aluminium de 150 d'épaisseur et des diélectriques eonstitués par des dépôts d'oxyfluorures complexes de 1000 d'épaisseur obte nus par pulvérisation cathodique, permettent d'atteindre avec moins de dix touches sur une plaquette rectangulaire de 10 mm X 6 mm, d'épaisseur 250 um, une capacité spécifique supérieure à 1000 'IF par cm3, le volume du support étant compris dans ce chiffre. Un exemple de complexe d'oxyfluorures susceptible d'être utilisé pour un dépôt de couches diélectriques, est donné par la formule: Pb2-xNaxNb2O7-xFx dans laquelle x est un coefficient compris entre O et 2; ce matériau a une permittivité relative supérieure à 200. La figure 6 donne un exemple de procédé pour l'obtention d'éléments capacitifs plans, tels que ceux des figures 4 ou 5, a partir de surfaces planes de grandes dimensions, par découpage en plaquettes de dimensions compatlbles avec les composants de cir cuits de microélectronique. Les plaquettes peuvent être découpées dans des bandes de longueur quelconque et de largeur égale à l'une des dimensions des plaquettes. Les dépôts sont ensuite effectués sur une face ou sur les deux faces en prévoyant des épargnes en forme de peigne à partir d'un bord 61, puis de l'autre bord 62. La bande est ensuite divisée, par amorce et cassure ou tout autre procédé, selon les lignes 63 et 64 situées dans l'axe des dents des épargnes. Les contacts peuvent être pris soit sur les surfaces des épargnes le long des bords 61 et 62, soit sur la tranche de ces mêmes bords, soit le long des cassures, soit selon plusieurs de ces possibilités. Selon une variante de mise en oeuvre, le motif représenté sur, la figure 6 est répété de façon symétrique sur une bande de largeur double et l'opération de séparation des différents éléments comporte en plus une cassure le long de l'axe de symétrie. Selon une autre variante de mise en oeuvre, les plaquettes sont prises dans une plaque de grande surface qui, après les dépôts, est découpée à la manière du découpage des plaquettes de matériau semiconducteur dans lesquelles sont réalisés un grand nombre de dispositifs semiconducteurs plans. - REVENDICATIONS 1.- Elément capacitif discret comportant un ensemble d'armatu res et de couches diélectriques superposées, les armatures étant constituées par des dépôts métalliques localisés, caractérisé en ce qu'il est formé d'un substrat rigide sur la surface duquel sont déposées des couches minces localisées successives, alternativement métalliques et diélectriques, chaque couche étant localement en retrait d'une part par rapport à la couche sous-jacente, d'autre part par rapport à la couche qui la recouvre, et en ce que les zones de dépôt métallique débordant des couches diélectriques et appartenant à des armatures de même polarité sont superposées, des conducteurs de connexion de sortie étant fixés sur lesdites zones débordantes supportées par ledit substrat. 2.- Elément capacitif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est de forme cylindrique, des couches métal liques concentriques s'étendant sur la surface cylindrique au-delà des couches diélectriques concentriques, alternativement en direc tion de l'une et de l'autre extrémité du cylindre. 3.- Elément capacitif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les différents dépôts étant partagés en tronçons par des zones annulaires d'épargne, l'élément capacitif est formé de plu sieurs capacités en série. 4.- Elément capacitif selon la revendication 1) caractérisé en ce que le substrat est constitué par une plaquette plane, les couches métalliques parallèles s'étendant au-delà des couches diélectriques, alternativement en direction d'un bord et du bord opposé de la plaquette. 5.- Elément capacitif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les couches étant déposées sur les deux faces, les arma tures d'une face et les armatures de même polarité de l'autre face sont mises en parallèle par des dépôts métalliques sur la tranche du substrat, respectivement sur un bord et sur le bord opposé. 6.- Elément capacitif selon la revendication 5, caractérisé e ce que chaque couche métallique comporte un retour sur la face opposée du substrat où est fixée la connexion de l'armature correspondante. 7.- Elément capacitif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le substrat est fait d'un matériau conduc teur revêtu, sur au moins une partie îe sa surface, d'une couche isolante. 8.- Elément capacitif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, les couches métalliques ayant une épaisseur o comprise entre 100 et 1000 A, les couches diélectriques ont une o épaisseur comprise entre 25 et 5000 A. 9.- Elément capacitif'selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les couches diélectriques sont des couches minérales de composés pris dans le groupe comprenant les oxydes, les fluorures, les oxyfluorures. 10.- Elément capacitif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les couches diélectriques sont des couches organiques d'un composé pris dans le groupe comprenant les acides gras, les composés d'acides gras, le polystyrène, le polytéréphtalate d'éthylène, le polytétrafluoréthylène, le polypropylène, le polysulfone.