Brevet FR2532465A1 — publié le 19840302

L'invention concerne un condensateur cérami- que polycristallin de faible dimension, haute capa- cité et haute fiabilité. On a récemment tenté de réduire l'épaisseur d'une céramique diélectrique utilisée dans un conden- sateur céramique feuilleté à moins de 30 pm, et de préférence à moins de 20 pm, afin d'améliorer la capa- cité par unité de volume, de réduire le nombre d'élec- trodes et de réduire la dimension du condensateur. Cependant, lorsque l'épaisseur du diélectrique est réduite, la tension de rupture descend de façon corres- pondante et la durée de vie diminue On ne peut donc obtenir un condensateur de haute fiabilité. A cet égard, une analyse de la dimension des particules de la matière diélectrique est donnée ci- après. Dans le condensateur céramique de l'art anté rieur, une matière produite par une réaction à l'état solide, telle que du titanate de baryum qui est produit par mélange, à l'état mouillé, de carbonate de baryum et d'oxyde de titane, déshydratation et séchage du mélange à 10000 C à 1200 'C, puis frittage et broyage à l'état mouillé, est utilisée comme diélectrique Une telle matière possède des particules de grande dimen- sion, par exemple de 1 à 3 im, et la distribution granulométrique de cette matière s'étend sur une large plage La dimension des particules de la matière diélectrique du condensateur céramique produit en formant la matière ci-dessus sous pression et par Q frittage, est très supérieure à 3 pm et atteint 6 pm ou plus, et l'écart des dimensions des -particules est important, en raison d'une croissance locale desgrains du cristal dans l'opération de frittage, cette crois- sance étant due à des impuretés et à un manque d'uni- formité de la dimension des particules Lorsqu'une tension est appliquée à un tel condensateur céramique constitué dela matière à dimensions de particules non uniformes, un champ électrique se concentre sur les grosses particules et la tension de rupture est abais- sée; de plus, la courbe de distribution s'étend jusqu'à une zone de faible tension Par conséquent, la durée de vie est réduite, le risque de rupture est important et la fiabilité est faible Si une telle céramique diélec- trique est utilisée dans un condensateur d'épaisseur réduite, la tension de rupture est donc davantage abaissée, la durée de vie est notablement raccourcie et de nombreux problèmes apparaissent. A cet égard, on a étudié l'effet d'une rela- tion entre la dimension des particules de la céramique diélectrique et l'épaisseur du diélectrique sur les caractéristiques de fonctionnement du condensateur céramique, et ces études ont conduit à la mise au point d'un nouveau condensateur céramique qui ne présente pas les inconvénients indiqués précédemment. Le condensateur céramique selon l'invention sera décrit plus en détail ciaprès Il comprend une matière diélectrique céramique polycristalline et plusieurs électrodes en matière conductrice, l'épais- seur de la matière diélectrique céramique disposée entre au moins deux électrodes opposées n'étant pas supérieure a 30 pm et la dimension des particules de la céramique diélectrique n'étant pas supérieure à -Un cinquième de l'épaisseur du diélectrique. L'épaisseur de la céramique diélectrique est choisie de façon à ne pas être supérieure à 30 zpm, car la réalisation d'un tel condensateur céramique est un problème fréquent à résoudre La dimension maximale des particules est choisie comme décrit ci-dessus car, dans le condensateur céramique dont le diéléctrique céramique mince ne dépasse pas 30 vm d'épaisseur, il est nécessaire que la dimension maximale des parti- cules de la céramique diélectrique ne dépasse pas un cinquième de l'épaisseur du diélectrique pour que l'on obtienne, en pratique, une tension de rupture et une durée de vie suffisantes, ainsi que cela ressort de la description des diverses mesures effectuées sur les formes-de réalisation décrites ci-après. La céramique diélectrique du condensateur céramique selon l'invention est constituée d'une matière fine et uniforme, choisie de façon stricte, ayant une distribution granulométrique aussi étroite que possible, et elle est produite par un procédé de frittage étroite- ment contrôlé. Une telle matière peut être produite par synthétisation, conforme du point de vue stoechiométri- que, de titanate de baryum en même temps que par forma- tion et co-précipitation d'additifs dans une réaction en solution, par exemple une-décomposition thermique d'oxalate de baryum-titanyle, un procédé de synthétisa- tion du nitrate de baryum et du tétrachlorure de titane, ou une hydrolyse d'alcoolate de titane et de baryum. Une matière ayant une dimension de particule ne dépas- sant pas 0,1 pm et une distribution granulométrique très-étroite, contenant de plus une petite quantité d'un oxyde de métal alcalin tel que sodium ou potassium, d'un oxyde de métal: alcalino-terreux, à l'exclusion du baryum, par exemple un oxyde de calcium ou de strontium, un oxyde de silicium, un oxyde d'aluminium et un composé de l'acide sulfurique, est utilisée. Dans-le cas de condensateurs céramiquesayant couches de céramique diélectrique d'une épaisseur de 30 lim, après cuisson (exemple 1), 20 vm (exemple 2) et 10 pm (exemple 3), les dimensions des particules sont choisies de manière à ne pas dépasser un cinquième de l'épaisseur des diélectriques respectifs et les tensions de rupture et les durées de vie, en charge et sous haute température, sont mesurées Elles sont indiquées dans les tableaux 1, 2 et 3. Dans les tableaux, les échantillons portant les numéros 1-5, 8-10, 13 et 14 sont des condensateurs selon l'invention, et les échantillons portant les numéros 6, 7, 11, 12 et 15 sont des exemples comparatifs n'entrant pas dans le cadre de l'invention. Les conditions de cuisson (température et temps) sont données dans les tableaux Le procédé de préparation de la matière est expliqué ci-après Le procédé de fabrication du condensateur feuilleté est le même que le procédé de l'art antérieur. Tableau 1 Epaisseur d'une couche de diélectrique: 30 pm Nombre de couchez: 20 v'i Essai de durée Condition Tension de rupture de vie en charge No de cuisson Teso erpueà haute température d'échantillon Matière Dimension maximale des Moyenne Tempé Temps particules Max Min Moyenne Ecart Epaisseur du Nombre de rature Type diélectrique défauts sur Taux ( C) (h) ( pm)() (V) (V) (V) (k V/mm) 5000 heures 1 A 1300 1,5 2,0 1600 1000 1212 124 40,4 1 0,4 2 A 1300 2,0 3,2 1600 900 1191 132 39,7 1 0,4 3 A 1300 4,0 4,2 1550 750 1137 150 37,9 2 0,6 4 B 1330 2,0 5,1 1500 650 1056 167 35,2 4 1,0 C 1350 2,0 6,0 1450 550 954 173 31,8 5 1,2 6 D 1370 1,0 6,5 1400 450 855 178 28,5 8 1,8 7 D 1370 2,0 7,7 1300 350 753 183 25,1 9 2,0 Tableau 2 Epaisseur d'une couche de diélectrique: 20 Pm Nombre de couches: 20 No d'échantillon I Matière i 11 A A A A -4 T E Condition S de cuisson Tempé- rature (OC) Temps (h) 1,5 2,0 3,0 4,0 1,0 Dimfension maximale des particules Pm) 2,0 3,0 4,0 4,5 ,0 Tension de rupture _______ ________ ___________________ I. Max. (V) Min. (V) Moyenne CV) Ecart- Type (V) Moyenne Epaisselur du diélectrique (k V/mm) 43,2 39,4 32,0 ,4 27, 1 Essai de durée de vié en charge à haute temj'C,rature Nombre de défauts sur 5000 heures Taux 0,8 1,0 1,2 1,8 3,2 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ I _ _ _ _ _ _ I _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ j _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ o I 1.9 > o'. ui Tableau 3 Epaisseur d'une couche de diélectrique: 10 pm Nombre de couches: Essai de durée Conditions Te de rupturede vie en charge N de cuisson à haute température d'échantillon Matière Dimension -o e Temp maximale des Moen Tempé Temps particules Max Min Moyenne Ecart Epaisseur d Nombre de rature Type diélectrique défauts sur Taux ( C) (h) ( pm) (V) (V) (V) (V) (k V/mm) 5000 heures 13 A 1300 1,0 1,6 650 350 463 57 46,3 5 1,2 14 A 1300 1,5 2,0 650 250 401 77 40,1 8 1,8 A 1300 2,0 2,8 550 100 298 103 29,8 19 3,6 j Dans les tableaux précédents, la dimension maximale des particules est mesurée au moyen d'un microscope métallique, au grossissement de 1000, après polissage de la matière cuite pour permettre l'obser- vation d'un plan de coupe, et décapage thermique pour définir la dimension des particules. La tension de rupture est mesurée sur 100 échantillons, à l'aide d'un appareil du type "Nisshin Denki Model NS-3150 ". La durée de vie en charge, à température éle- vée, est mesurée sous l'application d'une tension conti- nue de 100 volts, à 150 C, sur 20 échantillons. La proportion de défauts (taux) est calculée par établissement d'une condition de référence de 12,5 volts et 40 C, et le nombre de défauts sur 5000 heures est traité selon la norme de fiabilité à 60 % et une valeur estimée à 95 % conformément à la règle du cube de tension et à la règle de température de 10 C (k = 2). ' Les matières A-D des tableaux sont préparées de la façon suivante. Dans le cas de la matière A, on pèse de l'isopropylate de baryum et de l'isopropylate de titane à un rapport (pourcentage molaire) de 1 à 1, puis on les mélange dans du benzène et on les fait réagir à C De l'eau est ensuite ajoutée au mélange pour l'hydrolyser et produire un précipité blanc de titanate de baryum De l'isopropyiate de cérium est ajouté au benzène et de l'eau est ajoutée à l'ensemble, à 70 C, pour l'hydrolyser et donner un précipité jaune d'oxyde de cérium De l'isopropylate de titane est ajouté à du benzène et de l'eau est ajoutéeà - l'ensemble, à 70 C, pour l'hydrolyser et donner un précipité blanc d'oxyde de titane On pèse (pourcenta- ges molaires) 92 % de titanate de baryum, 4 % d'oxyde de cérium et 4 % d'oxyde de titane et on les mélange, à l'état humide, dans un broyeur à billes pendant heures Puis le mélange est déshydraté et séché. La matière résultante est la matière A. Dans le cas de la matière C, on pèse et on mélange à l'état humide, dans un broyeur à billes, pendant 20 heures, de l'oxalate de baryum-titanyle, de qualité spéciale pour réactif, à raison de 92-moles % pour la teneur en titanate de baryum, de l'oxalate de cérium à raison de 4 moles % pour la teneur en oxyde de cérium, et de l'oxalate de titane à raison de 4 moles % pour la teneur en oxyde de titane Le mélange est broyé, déshydraté et séché, puis laissé à 7000 C pendant une heure pour être décomposé par la chaleur. La matière C résultante présente une dimension de particule ne dépassant pas 0,1 pm. Pour la matière B, on broie à sec la matière C afin d'obtenir une matière plus fine. La matière D est préparée par un procédé classique de réaction à l'état solide. Bien que des condensateurs feuilletés soient indiqués dans les exemples ci-dessus, l'invention n'est pas limitée à de tels condensateurs et un condensateur à une seule couche, ou bien une structure capacitive comprenant deux condensateurs ou plus en un seul élé- ment peut être réalisé. Le condensateur céramique selon l'invention présente les avantages suivants. Le condensateur selon l'invention présente la très faible épaisseur de-la céramique diélectrique, c'est-à-dire une épaisseur ne dépassant pas 30 pm, alors que la tension de rupture est suffisamment éle- vée et que sa variation est faible, ainsi qu'il ressort des tableaux précédents En conséquence, le risque de défaut est faible et la fiabilité est grande. On obtient donc un condensateur céramique plus petit, de capacité plus élevée et plus fiable que le condensateur de l'art antérieur. Lorsque deux condensateurs ou plus sont formés dans un seul élément, la fabrication est simplifiée par rapport au cas dans lequel plusieurs condensateurs sont produits séparément. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au condensateur décrit sans sortir du cadre de l'invention. REVEND ICAT IONS 1 Condensateur céramique comprenant unè matière diélectrique céramique polycristalline et plusieurs électrodes en matière conductrice, caracté- risé en ce que la matière diélectrique céramique est disposée entre au moins deux électrodes opposées et présente une épaisseur ne dépassant pas 30 pm et une dimension de particule ne dépassant pas un cinquième de l'épaisseur de la matière diélectrique. 2 Condensateur céramique selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs matières diélectriques céramiques et plusieurs élec- trodes alternées en une structure feuilletée. 3 Condensateur céramique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que des matières diélectriques céramiques de même type ou de type différent sont disposées entre au moins deux électrodes pour former au moins deux condensateurs. -l