Brevet FR2493030A1 — publié le 19820430

La présente invention concerne les condensateurs à électrolyte solide et elle a plus particulièrement pour objet la fabrication de l'anode d'un tel condensateur, par assemblage de plusieurs anodes élémentaires. L'invention a également pour objet un condensateur obtenu par ce procédé. On rappelle qu'un condensateur à électrolyte solide est en général constitué de la façon suivante : - une anode poreuse en poudre métallique, par exemple du tantale, frittée et conformée en pastille, munie d'un fil de connexion, en général du même métal que l'anode elle-même ; - un diélectrique obtenu par oxydation anodique de la pastille, par exemple en pentoxyde de tantale dans le cas d'une anode en tantale; - un électrolyte solide tel que, dans l'exemple précédent, le bioxyde de manganèse, déposé sur la pastille oxydée et recouvert d'une couche de graphite puis d'un revêtement métallique, par exemple en argent, sur lequel est placée la connexion de cathode. Différents procédés de fabrication de condensateurs de ce type sont connus, tentant notamment de résoudre le problème posé par le prix de revient de la matière première, principalement le tantale, et ceci pour une amélioration toujours plus grande des différents paramètres électriques du condensateur, parmi lesquels se trouve son facteur de dissipation et son rapport CV/g (capacité volt par gramme). L'optimisation de ces différents paramètres conduit à essayer d'obtenir un rapport CV/g aussi élevé que possible, et cela pour une anode constituée par une plaquette, disque ou parallélépipède de faible épaisseur et de relativement petite taille.Or il est connu que pour obtenir de gros condensateurs, caractérisés soit par une tension d'utilisation élevée soit par une capacité élevée, d'une part la poudre métallique (tantale) utilisée doit avoir une structure plus simple que dans le cas des petits condensateurs, c'està-dire un rapport CV/g plus petit, et d'autre part l'anode doit être plus grosse, le tout concourrant à une dégradation des caractéristiques électriques du condensateur et/ou une augmentation de son prix de revient. La présente invention a pour objet la réalisation de condensateurs de ce type dont l'anode est obtenue par assemblage de petites anodes aux paramètres optimisés. Plus précisément, I'invention a pour objet un procédé de fabrication de condensateur à électrolyte solide, caractérisé par le fait qu'il comporte les opérations suivantes : - la formation d'une pluralité de structures anodiques élémentaires par un premier frittage d'une poudre métallique - l'assemblage des structures anodiques élémentaires, formant l'anode du condensateur; - la mise en place d'une connexion électrique reliée aux structures anodiques élémentaires; - un second frittage de l'anode résultante. L'invention a également pour objet un- condensateur à électrolyte solide, caractérisé par le fait qu'il comporte une anode constituée d'un empilement d'anodes élémentaires. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, dormée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés, qui représentent - la figure 1, le schéma d'un procédé de fabrication d'un condensateur selon l'invention; - la figure 2, un premier mode de réalisation de l'anode d'un condensateur selon l'invention ; - les figures 3, a et b, un deuxième mode de réalisation de l'anode d'un condensateur selon l'invention ; - la figure 4, a, b et c, un troisième mode de réalisation de l'anode d'un condensateur selon l'invention. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. On a donc indiqué sur la figure 1 les différentes étapes de la fabrication d'un condensateur selon l'invention. La première étape (11) consiste en la préparation d'une poudre métallique, telle que le tantale, destinée à constituer l'anode du condensateur. La seconde étape (12) conduit à l'obtention d'une structure anodique élémentaire. Lors de cette étape, la poudre préalablement préparée (par exemple mélangée à un corps liquide à la température ambiante) est placée dans un réceptacle, ou moule ou creuset, correspondant à la forme souhaitée pour l'anode élémentaire, c'està-dire une plaquette de faible épaisseur et de relativement petite taille, pour y subir un premier frittage. Dans le cas du tantale, ce frittage est réalisé à une température de l'ordre de 1 5000C. I1 est alors obtenu une structure poreuse qui peul: être par exemple dopée à l'aide d'un élément tel que azote, tungstène, molybdène, vanadium ou hafnium, dans le cas d'une poudre da tantale, par tout procédé connu. L'étape suivante (13) consiste à assembler les différentes anodes élémentaires telles qu'obtenues après les étapes 11 et 12, ainsi qu'à placer la connexion d'anode, constituée en général par un fil de tantale lorsque l'anode est elle-même en tantale, et à faire subir à l'ensemble un deuxième frittage. Toujours dans le cas du tantale, ce deuxième frittage est fait à une température comprise entre 1 500 et 2 2000C. L'étape suivante (14) consiste à oxyder anodiquement l'assemblage précédemment réalisé, afin de former autour de ce dernier le diélectrique du condensateur. Dans le cas où l'anode est constituée de tantale, le diélectrique obtenu est du pentoxyde de tantale. L'étape suivante (15) consiste à imprégner l'assemblage o'anodes oxydées par une solution destinée à former la cathode, telle qu'un sel de manganèse (un nitrate par exemple), celui-ci étant décomposé par une pyrolyse donnant dans l'exemple précédent du bioxyde de manganèse. Les étapes 14 et 15 peuvent être répétées plusieurs fois dans le même ordre, pour obtenir l'épaisseur de bioxyde de manganèse qui est nécessaire à la fois électriquement et mécaniquement. L'étape suivante (16) consiste à enrober l'élément obtenu par une couche conductrice (graphite) sur laquelle est ensuite déposée une couche métallique (de l'argent ou du cuivre par exemple) puis les connexions de sortie du condensateur. Enfin, le condensateur obtenu est encapsulé. A titre d'exemple, il a été obtenu des résultats satisfaisants avec des anodes élémentaires en poudre de tantale de très haute capacité, sensiblement en forme de disques, dont le diamètre est compris entre 0,5 et 10 mm et l'épaisseur entre 0,5 mm et quelques millimètres. Toujours à titre d'exemple, il a été obtenu des condensateurs d'une capacité voisine de 50 uF pour une tension d'utilisation de 40 volts, comportant une anode constituée d'un empilage de dix anodes élémentaires en forme de disques d'1 mm d'épaisseur et 7 mm de diamètre; avec sensiblement les mêmes dirnensions, mais avec une capacité légèrement supérieure à 30 uF, la tension d'utilisation est de 5Q volts. En outre, il apparat que le procédé d'assemblage selon l'invention permet une modularité des condensateurs, qui peuvent alors tous, quelle que soit leur taille, être obtenus à partir des mêmes anodes élémentaires. La figure 2 représente un premier mode de réalisation de l'assemblage de l'étape 13 de la figure 1. Dans ce mode de réalisation, le plus simple, chaque anode élémentaire est constituée par un disque 21 d'axe 22 et d'épaisseur petite devant son rayon. Les anodes élémentaires 21 sont empilées les unes sur les autres, formant ainsi un cylindre, et elles sont soudées chacune à un fil métallique 23, en tantale dans le cas où les anodes élémentaires 21 sont en tantale, formant le fil de connexion d'anode, placé le long d'une des génératrices du cylindre résultant. Le second frittage qui intervient lors de l'étape 13 puis les couches de diélectrique, d'électrolyte solide et les couches conductrices sont suffisantes pour assurer la rigidité de l'ensemble. Dans ce mode de réalisation, comme d'ailleurs dans les suivants, la forme circulaire pour les anodes élémentaires peut bien entendu être remplacée par une forme carrée ou rectangulaire, sous réserve que les plaquettes restent de faible épaisseur devant la longueur des côtés. La figure 3a représente un autre mode de réalisation de l'anode selon l'invention. Les anodes élémentaires 26 sont chacune constituées d'un disque plat en métal fritté, percés d'un trou central 25, comme le montre la vue de dessus de la figure 3b ; par ce trou axial est passé le fil de connexion d'anode, repéré 24, qui peut être fixé à l'empilement des anodes élémentaires 26 de plusieurs façons - il peut être de forme cylindrique simple et il est alors soudé, par exemple par laser, aux anodes élémentaires du haut et du bas oe l'empilement - le fil 24 peut être simplement placé dans les trous axiaux 25, la liaison électrique entre ce fil et les anodes élémentaires, ainsi que la liaison entre anodes, étant réalisées lors du frittage de l'étape 13, une pression périphérique étant alors appliquée à la structure;; - le fil 24 peut être encore soudé à chacune des anodes élémentaires 26 à l'aide d'une impulsion électrique; - le fil de connexion 24 peut être également de diamètre supérieur à celui des trous 25 et entré à force dans ces derniers; cela est réalisé par exemple en chauffant le fil; - avant d'être inséré dans les trous 25, le fil 24 peut être trempé dans la poudre métallique constituant les anodes de façon à ce que des grains de cette poudre, restant sur le fil, puissent établir le contact entre la connexion 24 et les anodes élémentaires 26, ce contact réduit en superficie s'avérant expérimentalement suffisant; - le fil 24 peut encore affecter une forme particulièrement comme celle qui est illustrée figure 3b, dans laquelle le fil 24 est de forme étoilée, les pointes de l'étoile étant dimensionnées de telle sorte qu'elles pénètrent dans la pastille 26. Les figures 4, a, b et c, illustrent un autre mode de réalisation de l'anode selon l'invention, dans lequel la forme des anodes élémentaires est modifiée de façon à assurer le contact entre les anodes sur une surface réduite. Dans la variante de la figure 4a, l'anode élémentaire 27, vue en perspective, a la forme d'un disque analogue à l'anode élémentaire 21 de la figure 2, mais dont la partie centrale est pourvue d'un bossage 28. Dans la variante de la figure 4b, L'anode élémentaire 32 est vue en section ; la partie centrale de l'anode (située entre les faces 30 et 31) est plus épaisse que la partie périphérique, les faces centrales 30 et 31 étant normales à l'axe d'empilement 22 des anodes élémentaires, et le reste de la surface de l'anode étant troncônique. La figure 4c illustres vue en perspective, une variante de la figure 4b dans laquelle l'anode élémentaire 33 est de section rectangulaire (dans un plan normal à l'axe d'empilement 22), sa partie centrale (située sur la face 34) étant comme précédemment plus épaisse que la périphérie de la plaquette 33. Dans ces variantes, la connexion d'anode est placée selon l'axe 22 de l'empilement des anodes élémentaires. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de condensateur à électrolyte solide, caractérisé par le fait qu'il comporte les opérations suivantes: - la formation d'une pluralité de structures anodiques élémentaires par un premier frittage d'une poudre métallique ; - l'assemblage des structures anodiques élémentaires, formant L'anode du condensateur - la mise en place d'une connexion électrique reliée aux structures anodiques élémentaires ; - un second frittage de l'anode résultante. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les structures anodiques élémentaires sont constituées chacune par une plaquette d'épaisseur faible devant ses autres dimensions. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les structures anodiques élémentaires sont constituées respectivement par des disques plats identiques, leur assemblage étant réalisé par empilement des disques formant un cylindre, la connexion électrique étant placée le long d'une génératrice d'un cylindre. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les structures anodiques élémentaires sont constituées respectivement par des disques plats identiques comportant une ouverture centrale, leur assemblage étant réalisé par un empilement des disques formant un cylindre, la connexion électrique étant placée dans les ouvertures centrales. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la connexion électrique est constituée par un fil métallique de diamètre supérieur à celui de l'ouverture centrale. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la connexion électrique est constituée par un fil métallique dont la section est en forme d'étoile. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les structures anodiques élémentaires sont consti tuées respectivement par des disques identiques, comportant un bossage central sur l'une de leurs faces, leur assemblage étant réalisé par empilement des disques formant une structure sensiblement cylindrique, la connexion électrique étant placée selon l'axe du cylindre. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la connexion électrique est soudée aux deux structures anodiques élémentaires situées respectivement aux deux extrémités de l'anode résultant de l'assemblage de ces structures élémentaires. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la connexion électrique est soudée à chacune des structures anodiques élémentaires. 10. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 7, caractérisé par le fait que de la poudre du même métal est interposée entre la connexion électrique et les structures élémentaires. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la poudre métallique est une poudre de tantale et que la connexion métallique est également en tantale. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre les étapes suivantes: - la formation d'un diélectrique autour de l'anode résultante, par oxydation du métal constituant cette dernière; - le dépôt d'un électrolyte solide, par imprégnation de l'anode oxydée par un matériau ensuite décomposé par pyrolyse; - l'enrobage de l'élément précédemment obtenu par au moins une couche conductrice; - la fixation des connexions électriques du condensateur. 13. Condensateur à électrolyte solide, caractérisé par le fait qu'il comporte une anode constituée d'un empilement d'anodes élémentaires.