Brevet FR2707123A1 — publié le 19950106

CONDENSATEUR CERAMIQUE MULTICOUCHES QUADRIPOLE L'invention concerne un condensateur céramique multicouches quadripôle et notamment un condensateur à forte valeur de capacité (par exemple plus de 6 Ils), fonctionnant à haute fréquence (par exemple supérieure à 4 MIT et à fort courant (par exemple supérieur à 15 A). Dans certaines applications et notamment dans les alimentations à découpage modulaire, la modularité a permis l'utilisation de condensateurs de plus faibles valeurs par rapport aux condensateurs utilisés dans les alimentations monolithiques, mais ces condensateurs restent malgré tout des condensateurs de forte capacité de 10 à 100 pF. Pour diminuer l'encombrement de ces alimentations modulaires on utilise de plus en plus des chips capacitifs, c'est-à-dire des condensateurs plans constitués de couches conductrices, séparées par des couches isolantes. Or plus la capacité doit être importante et plus les dimensions du condensateur doivent également être importantes. Il s'avère qu'à partir de certaines valeurs de capacité, il n'est plus possible d'obtenir un condensateur du type chip ayant les performances requises car l'inductance et la résistance qui sont proportionnelles aux dimensions des armatures sont nuisibles au fonctionnement. L'inductance parasite contribue à diminuer la fréquence de coupure du condensateur. L'impédance série limite le courant efficace par effet Joule. Généralement, pour obtenir une diminution de ces deux paramètres on augmente la longueur de la connexion réalisée sur deux tranches opposées du chip (largeur du composant), et on diminue la distance entre ces deux connexions pour conserver une même surface d'armature (dissymétrisation). La longueur des armatures (définie par le trajet du courant) est réduite dans une proposition inverse à celle de la largeur, le condensateur a ainsi une forme allongée. La diminution de l'inductance est proportionnelle au carré de ce rapport. Cependant, l'augmentation de la largeur (longueur des connexions) et la diminution de la longueur du chip capacitif (distance entre connexions) à des limites dues au fait que le condensateur devient trop fragile à la torsion. La réalisation de chip capacitif de forte capacité se trouve donc limitée par ce problème mécanique ce qui est un inconvénient dans la mesure où on cherche de plus en plus à utiliser ce type de condensateur pour contribuer à la miniaturisation des alimentations à découpage. La Demande de Brevet français 2 599 546 déposée le 30 Mai 1986 décrit un condensateur dans lequel on multiplie le nombre de connexions et on entrelace les connexions de polarités opposées des deux tranches. Cependant une telle architecture est complexe et pose des difficultés de réalisation et d'utilisation. Notamment elle nécessite l'utilisation d'un circuit imprimé double face pour réaliser les connexions (croisement des connexions). Egalement une telle architecture nécessite une connectique qui dégrade les caractéristiques du composant (inductance série et résistance série). De plus, les plages de connexion étant de petites dimensions (de l'ordre de 1 mm de largeur), il est quasiment impossible et en tout cas très difficile d'empiler plusieurs composants en réalisant leur interconnexion par contact entre les différentes plages de connexion. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de fournir un condensateur utilisable à hautes fréquences (supérieures à 1 MHz) en présentant des pertes les plus réduites et en étant loin des conditions de résonance. n convient donc de minimiser les réactances et résistances série du condensateur. L'invention concerne donc un condensateur céramique multicouches quadripôle comprenant un premier ensemble d'armatures en matériau conducteur de forme générale polygonale, un deuxième ensemble d'armature en matériau conducteur de même forme générale polygonale, intercalées entre les armatures du premier ensemble avec du matériau diélectrique compris entre les différentes armatures, l'ensemble ayant une forme de polygone; les armatures possèdent des prolongements qui affleurent des côtés du polygone, les prolongements d'un même ensemble affleurant un côté étant interconnectées entre elles pour former une connexion caractérisé en ce que chaque armature possède au moins deux prolongements situés sur deux faces opposées du polygone et en ce que chaque face du polygone possède au maximum un prolongement de chaque armature du premier ensemble et un prolongement de chaque armature du deuxième ensemble. L'invention concerne également un procédé d'un condensateur multicouches, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - réalisation de lames de forme polygonale possédant une couche de diélectrique et une couche d'armature en matériau conducteur, l'armature ayant une dimension supérieure à celle de la lame et possédant au moins un prolongement qui atteint un côté de la lame et qui occupe sur ce côté une zone de longueur inférieure à la moitié du côté; - empilement des lames pour former un parallélépipède avec le diélectrique d'une lame en contact avec l'armature d'une lame voisine et de telle façon que les prolongements affleurent la même face du parallélépipède et qu'une lame sur deux a son prolongement sur le côté gauche de ladite face du parallélépipède et l'autre lame sur deux sur le côté droit de ladite face du parallélépipède; - réalisation d'une rainure dans ladite face du parallélépipède entre les prolongements situés à gauche et les prolongements situés à droite; - cuisson de l'ensemble; trempage de ladite face dans un bain d'un matériau conducteur; - retrait de la face à partir du bain conducteur et cuisson. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple et dans les figures annexées qui représentent: - les figures la à lc, un premier exemple de réalisation du condensateur selon l'invention; - la figure ld, un schéma électrique équivalent du condensateur de la figure lb; - les figures 2 à 4b, d'autres exemples de réalisation du condensateur selon l'invention; - la figure 5, des courbes caractéristiques d'impédance en fonction de la fréquence - la figure 6, un empilement de condensateurs selon l'invention; - les figures 7a à 7d, un procédé de réalisation d'un condensateur selon l'invention; - la figure 8, un procédé d'empilement de plusieurs condensateurs selon l'invention. La réduction d'encombrement des systèmes électroniques fonctionnant à haute fréquence nécessite le développement d'alimentations à découpage de forte puissance volumique (par exemple supérieure à 1 kW/dm3). Certaines alimentations doivent fournir des tensions continues (généralement 5 et 10V) présentant une faible ondulation résiduelle de sortie. C'est pourquoi, un filtrage de sortie performant est indispensable. Cette montée en fréquence entraîne pour les condensateurs de nouvelles exigences auxquelles les condensateurs électrolytiques ne peuvent répondre. Les condensateurs céramiques multicouches constituent une solution bien adaptée à l'usage haute fréquence. Pour être utilisables de 1 M à 5 MHz, ces composants doivent cependant présenter des pertes les plus réduites possibles et être loin de leur condition de résonance. Ceci implique de minimiser inductance et résistance série des composants ce qui nécessite l'étude de structures et de géométries particulières. L'utilisation de composants standards de structure dipolaire, même très dissymétriques, ne permet pas d'obtenir des valeurs d'inductances et résistances séries suffisamment faibles pour satisfaire aux contraintes de fonctionnement des convertisseurs haute fréquence. Ainsi et compte tenu des effets de couplage l'inductance série d'un condensateur dipôle ne peut être réduite à des valeurs inférieures à quelques nH. L'utilisation d'une structure quadripôle permet en revanche une meilleure distribution des courants qui réduit l'inductance propre du composant. Un tel composant est constitué de quatre connexions. Son utilisation nécessite donc une conception particulière. Les figures la à îd représentent donc un condensateur selon l'invention. Ce condensateur comporte un empilement de lames 10, 11, etc, en matériau diélectrique. Chaque lame possède sur une de ses faces principales une zone en matériau conducteur 20, 20' (zone métallisée) appelée armature. Selon l'invention, comme cela est représenté sur la figure la et plus en détail sur la figure lc, chaque armature occupe au moins la partie centrale de la lame et possède des prolongements 21, 22 qui affleurent deux côtés opposés 30, 31 de la lame et qui n'occupent sur ces côtés qu'une zone inférieure à la moitié de la longueur 1 de ces côtés. Les lames sont empilées de façon qu'une lame sur deux (telle que 10) ont ses prolongements tels que 21 sur la partie droite de la lame et les prolongements tels que 22 sur la partie gauche. Les autres lames telles que 1 1 ont leurs prolongements dans les parties opposées des côtés de la lame. La lame supérieure în ne porte pas d'armature. Sur les figures la et lb, les prolongements tels que 21 n'atteignent pas les extrémités (droite et gauche sur les figures la et lb) des lames. Comme cela est représenté en figure lc, ils peuvent en fait atteindre ces extrémités. La figure lb représente un condensateur selon l'invention dans lequel les lames ainsi décrites sont empilées et les prolongements connectés entre eux. La connexion 41 réalise la connexion des prolongements 21 des lames telles que 10. La connexion 42 réalise la connexion des prolongements 22 des lames telles que 10. Les connexions 43, 44 réalisent de même la connexion des prolongements des armatures telles que 20'. Le condensateur de la figure lb constitue donc un condensateur à structure quadripolaire dont le schéma électrique est représenté en figure ld et qui ne possède que quatre connexions réparties sur deux faces facilitant la connexion à d'autres circuits électriques en évitant des croisements de conducteurs. Les figures 2a et 2b représentent un autre mode de réalisation du condensateur selon l'invention. Les lames telles que 10 ont leur armature 20 qui joint deux côtés opposés 30, 31 de la lame. Il en est de même pour les lames telles que 20' dont l'armature joint les côtés 32, 33. Les lames sont empilées comme représenté en figure 2a de telle façon que le condensateur de la figure 2b fournit des connexions 60 et 61 situées respectivement sur les faces 50 et 51 du condensateur et qui correspondent aux armatures 20 des lames 10. Les connexions 62, 63 situées sur les faces 52, 53 correspondent aux armatures 20' des lames 11. Le condensateur de la figure 2b est également un condensateur quadripolaire. Les figures 3a, 3b représentent une variante de réalisation de l'invention dans laquelle on ne prévoit que deux connexions seulement par face du condensateur. Selon cette variante, l'armature de chaque lame possède une partie centrale et des prolongements de cette partie centrale vers chaque côté de lame. Sur chaque côté un prolongement occupe une zone inférieure à la moitié de la longueur du côté. Selon le même principe de disposition que le dispositif des figures la et lb les lames alternées du type 10 et 1 1 sont empilées de façon à présenter leurs prolongements dans des zones complémentaires des côtés du dispositif. Ainsi, sur la figure 3b, les connexions 60, 61, 62, 63 appartiennent aux armatures 20 des lames telles que 10 et les connexions 60', 61', 62', 63' appartiennent aux armatures 20' des lames telles que 11. La conséquence est que sur chaque face on n'a que deux connexions seulement. Par exemple, sur la face 50 on a la connexion 60 des armatures 20 et la connexion 60' des armatures 20'. Les figures 4a et 4b représentent une autre variante de réalisation qui est une combinaison des dispositifs des figures la, lb et 3a, 3b. Les armatures 20 des lames tels que 10 possèdent des prolongements 21, 22 qui affleurent les côtés opposés de la lame et occupent la moitié de ces côtés. L'armature 20 possède un troisième prolongement 23 qui affleure un troisième côté de la lame. Les lames telles que 1 1 sont de constitution similaire à celle de la lame 10. L'empilement de ces lames fournit la structure de la figure 4b dans laquelle les connexions 60', 61' et 64' correspondent aux connexions des prolongements 21, 22 et 23 respectivement. Les connexions 60, 61 et 64 correspondent aux connexions des prolongements des armatures des lames telles que 11. Les condensateurs ainsi conçus permettent d'atteindre des niveaux d'inductances séries bien inférieures à capacité équivalente à ce qui est habituellement réalisé en structure classique dipôle. De plus le fait de ne prévoir qu'au maximum que deux connexions par face du condensateur permet de réduire les problèmes de connectiques et les inconvénients liés à la connexion de condensateurs ayant un plus grand nombre de connexions. La caractérisation comparative entre deux composants de même format et de proche valeur de capacité montre clairement l'intérêt de la structure quadripolaire. Capacité Résonance Inductance Résistance Courant (*) Structure (pF) (MHz) Serie (nH) Se rie admissible (mOhm) (A) Dipôle 4.8 1.9 1.5 15 Quadripôle 6.6 4.9 1 19 (*) Le courant admissible correspond à une élévation maximale de la température de surface du composant de 40"C. La figure 5 représente un exemple de caractéristiques comparée entre un dipôle et un quadripôle selon l'invention. On voit que la structure quadripôle permet un fonctionnement à fréquence plus élevée. La réduction d'inductance série est de l'ordre de 6. La fréquence de résonance est donc décalée d'un facteur 2.5. Le calcul montre que pour une valeur de capacité de 4.8 pF le composant quadripôle résonnerait à environ 8 MEk. De plus les structures quadripolaires selon l'invention présentent un plus faible effet Joule résultant d'une meilleure répartition des courants. Le condensateur de l'invention présentera donc un échauffement inférieur. L'étude du condensateur selon l'invention a montré qu'il présente en HF une réactance capacitive très supérieure à celle des composants dipôles. Un filtrage très efficace est donc obtenu avec des quadripôles pour de plus faibles valeurs de capacité. L'utilisation des composants de structure quadripôle permet d'envisager des applications filtrage à des fréquences de l'ordre de quelques MF pour des capacités de quelques tiF. De plus, le fait de ne prévoir au maximum que deux connexions par face du condensateur permet d'empiler aisément plusieurs condensateurs sans avoir besoin de précision de positionnement. La figure 6 représente un empilement de condensateurs 1, 1', ln du type de la figure lb. En effet, selon des réalisations préférées de l'invention les condensateurs auront les dimensions indicatives et approximatives suivantes: - condensateur de la figure lb: largeur 1 ~ 30 mm longueur 1 ~ 10 mm longueur C d'une connexion - 12 mm distance entre deux connexions a - 2 à 5 mm - condensateur de la figure 2b: dimension L - 15 mm longueur C d'une connexion - 12 mm - condensateur de la figure 3b: dimension L - 20 mm longueur d'une connexion C - 6 mm distance entre deux connexions a - 5 mm Sur la figure lb, les faces portant deux connexions possèdent une rainure 9, 9' qui sépare les connexions. Cela peut être le cas aussi pour les composants des figures 3b et 4b. Ces rainures sont utiles pour la réalisation des connexions qui se trouvent ainsi séparées efficacement l'une l'autre. Elles peuvent aussi servir pour l'empilement des composants comme cela sera décrit ci-après. En se reportant aux figures 7a et 7b on va maintenant décrire un procédé de réalisation d'un condensateur selon l'invention. A titre d'exemple ce procédé est appliqué au condensateur des figures la à lc. On réalise tout d'abord des lames en matériau diélectrique, tel que la lame 10 de la figure 7a, avec sur une face une couche 20 conductrice qui servira d'armature au condensateur. Ces armatures ont les formes décrites précédemment. Les lames sont ensuite empilées (figure 7b) pour former un ensemble parallélépipédique. Les prolongements des lames impaires affleurent sur une partie droite (par exemple) d'une face du parallélépipède tandis que les prolongements des lames paires affleurent la partie gauche et inversement pour les prolongements qui affleurent la face opposée du parallélépipède. Des rainures 9, 9' sont réalisées dans les faces auxquelles affleurent les prolongements pour séparer de façon sûre ces prolongements (figure 7c). L'ensemble est chauffé à température de cuisson suffisante pour obtenir un bloc fritté. Ensuite, chaque face à laquelle affleure des prolongements d'armatures est trempé dans un bain 80 d'un matériau conducteur et est ensuite retiré du bain. Les faces du condensateur qui possèdent une rainure sont trempées (figure 7d) selon une profondeur inférieure à la profondeur de la rainure. La rainure évite ainsi de connecter ensemble les deux connexions qui trempent dans le même bain. L'ensemble est à nouveau cuit. Selon une variante de réalisation, les rainures prévues en figure 7c ne sont pas réalisées avant trempage dans le bain de matériau conducteur. On peut alors prévoir de réaliser un usinage des faces du condensateur entre les connexions d'une même face pour séparer ces connexions après le trempage. La figure 8 représente un procédé de mise en parallèle de plusieurs condensateurs selon l'invention. Les composants munis au moins d'une rainure telle que la rainure 9 de la figure lb sont placés sur une plaque support 90 possédant une nervure 91. La rainure 9 de chaque composant chevauche la nervure 91. Les composants sont ensuite pressés selon le sens des flèches F et F' et trempés dans le bain de matériau conducteur. L'ensemble est ensuite cuit. Les connexions des condensateurs sont ainsi réalisées simultanément. Dans ce qui précède, on a décrit l'invention en prenant comme forme des condensateurs une forme parallélépipédique et sur les figures les lames on des formes rectangulaires ou carrées. Cependant on aurait pu prévoir des formes polygonales. Par exemple les lames pourraient avoir la forme d'un hexagone ou d'un octogone etc, sans sortir du cadre de rinvention. REVENDICATIONS 1. Condensateur céramique multicouches quadripôle comprenant un premier ensemble d'armatures (20) en matériau conducteur de forme générale polygonale, un deuxième ensemble d'armature (20') en matériau conducteur de même forme générale polygonale, intercalées entre les armatures du premier ensemble avec du matériau diélectrique compris entre les différentes armatures, l'ensemble ayant une forme de polygone ; les armatures possèdent des prolongements (21, 22, 23) qui affleurent des côtés du polygone, les prolongements d'un même ensemble affleurant un côté étant interconnectées entre elles pour former une connexion; caractérisé en ce que chaque armature possède au moins deux prolongements (20, 21) situés sur deux faces opposées du polygone et en ce que chaque face du polygone possède au maximum un prolongement de chaque armature du premier ensemble et un prolongement de chaque armature du deuxième ensemble. 2. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les armatures (20, 20') sont de forme parallélépipédique et possèdent deux prolongements (21, 22) situés sur deux côtés opposés de l'armature occupant dans ces côtés des zones situées en diagonales et de dimensions inférieures à la longueur (L) du côté de telle façon que les deux ensembles d'armatures (20, 20') étant empilés pour former un parallélépipède, présentent chacun sur deux faces opposés de parallélépipède deux ensembles de prolongements par face du parallélépipède. 3. Condensateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les armatures de chaque ensemble possèdent quatre prolongements situés sur les quatre côtés des armatures atteignant chacun une face (50, 51, 52, 53) du parallélépipède. 4. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les armatures sont de forme parallélépipédique et possèdent deux prolongements situés sur deux côtés de l'armature, de telle façon que les deux ensembles étant empilés sous forme d'un parallélépipède, les prolongements d'un ensemble d'armatures affleurent deux faces opposées du parallélépipède et les prolongements de l'autre ensemble d'armatures affleurent deux autres opposés du parallélépipède. 5. Condensateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les armatures (20, 20') possèdent également un prolongement (23, 23') situé sur un autre côté de l'armature de telle façon que les deux ensembles étant empilés sous forme d'un parallélépipède, ce prolongement (23) d'un ensemble d'armatures (20) affleure un côté du parallélépipède tandis que ce prolongement (23') de l'autre ensemble d'armatures (20') affleure un autre côté du parallélépipède. 6. Condensateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces qui possèdent deux connexions possèdent également une rainure (9, 9') située entre ces deux connexions. 7. Procédé d'un condensateur multicouches, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - réalisation de lames (10, 11) de forme polygonale possédant une couche de diélectrique et une couche d'armature (20, 20') en matériau conducteur, l'armature (20, 20') ayant une dimension inférieure à celle de la lame (10, 11) et possédant au moins un prolongement (21, 22) qui atteint un côté de la lame et qui occupe sur ce côté une zone de longueur inférieure à la moitié du côté; - empilement des lames pour former un parallélépipède (1) avec le diélectrique d'une lame en contact avec l'armature d'une lame voisine et de telle façon que les prolongements affleurent la même face du parallélépipède et qu'une lame sur deux a son prolongement sur le côté gauche de ladite face du parallélépipède et l'autre lame sur deux sur le côté droit de ladite face du parallélépipède; - réalisation d'une rainure (9, 9') dans ladite face du parallélépipède entre les prolongements situés à gauche et les prolongements situés à droite; - cuisson de l'ensemble; - trempage de ladite face dans un bain d'un matériau conducteur; - retrait de la face à partir du bain et cuisson du matériau conducteur. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque armature est réalisée avec deux prolongements (21, 22) disposés sur deux côtés opposés de l'armature et symétriquement par rapport au centre de l'armature ; et en ce qu'après empilement le dispositif présente sur chacune de ces deux faces opposées, des prolongements d'un ensemble d'armatures situés dans une zone de la face et des prolongements de l'autre ensemble d'armatures situés dans une autre zone de la face. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la longueur (L) d'une face du parallélépipède selon le plan des lames est inférieure à 30 mm et que la largeur et la profondeur de la rainure sont inférieure à 7 mm. 10. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que plusieurs condensateurs sont placés sur un support (90) possédant une nervure (91) puis sont pressés l'un contre l'autre et trempés dans le bain de matériau conducteur puis cuit pour réaliser la connexion des condensateurs voisins..