Brevet FR2708137A1 — publié le 19950127

PROCEDE DE FABRICATION DE CONDENSATEUR ET CONDENSATEUR ISSU D'UN TEL PROCEDE La présente invention concerne un procédé de fabrication de condensateur ainsi que le condensateur issu d'un tel procédé. L'invention sera plus particulièrement décrite pour les condensateurs de type empilé ou bobiné. Cependant, comme cela sera développé ultérieurement, I'invention concerne aussi d'autres types de condensateurs tels que, par exemple, les condensateurs à fil. L'une des étapes de fabrication d'un condensateur feuilleté de type empilé ou bobiné consiste à réaliser des feuilles plastiques métallisées dont l'une des faces est constituée d'un diélectrique et dont l'autre face est constituée d'un métal. II s'agit alors soit de déposer un métal sur une feuille diélectrique, soit de déposer un diélectrique sur une feuille métallique. Dans ce dernier cas le diélectrique peut être déposé selon différents procédés extrusion, laquage, pulvérisation sous vide polymérisation par plasma de décharge. Les feuilles métalliques sont généralement des feuilles de grandes largeurs entièrement métallisées ou constituées, pour des raisons mécaniques, d'un support diélectrique souple recouvert, sur l'une de ses faces ou sur ses deux faces, d'une métallisation. Le métal utilisé pour la fabrication des feuilles métalliques est généralement l'aluminium. Comme cela est connu de l'homme de l'art, le procédé de polymérisation par plasma de décharge consiste à dissocier les éléments constitutifs d'un gaz précurseur du dépôt à l'aide d'un plasma de décharge. Les produits de dissociation se recombinent alors par polymérisation à la surface de la feuille métallique pour former le dépôt proprement dit. Les procédés de dépôt par plasma de décharge ont toujours rencontré d'importants problèmes de réalisation. Tout d'abord, le choix des corps chimiques devant intervenir dans le processus de polymérisation n'a jamais trouvé de solution réellement satisfaisante. Ainsi, la valeur de la tangente de perte du diélectrique obtenu par ce procédé a-t-elle toujours été très élevée (tg8 = 10-3 dans le meilleur des cas). D'autre part, la vitesse de dépôt des composés monomères a toujours été faible, rendant le procédé difficilement industrialisable. La présente invention ne présente pas ces inconvénients. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de condensateur, ledit procédé comprenant une étape de dépôt de diélectrique sur un élément métallique, caractérisé en ce que ladite étape de dépôt est effectuée par polymérisation d'éléments gazeux issus de la dissociation, par plasma différé d'azote, d'un gaz organo-silicé ou organo-germané. Différents modes de réalisation de l'invention seront décrits avec référence aux figures ci-annexées dans lesquelles: - la figure 1 est un schéma synoptique de principe du dispositif selon l'invention permettant le dépôt de diélectrique sur une feuille métallique, - la figure 2 représente la vue en coupe d'une feuille métallique de grande largeur du type possédant un support diélectrique sur laquelle a été déposée un diélectrique selon l'invention, - la figure 3 représente la vue en coupe d'une feuille métallique de grande largeur du type entièrement métallisé sur laquelle a été déposé un diélectrique selon l'invention, - la figure 4 représente la vue en coupe d'un condensateur feuilleté réalisé avec des feuilles de films plastiques métallisés issues de la découpe d'une feuille de grande largeur comme représenté en figure 2, - la figure 5 représente la vue en coupe d'un condensateur feuilleté réalisé avec des feuilles de films plastiques métallisés issues de la découpe d'une feuille de grande largeur comme représenté en figure 3. Sur toutes les figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments. La figure 1 est un schéma synoptique de principe du dispositif selon l'invention permettant le dépôt de diélectrique sur une feuille métallique. Un gaz précurseur du dépôt est dissocié par un plasma différé d'azote. Les produits de dissociation se recombinent alors à la surface de la feuille métallique pour former le dépôt proprement dit. Le plasma différé est un plasma froid différé en écoulement. Comme cela est connu de l'homme de l'art, un plasma froid différé en écoulement est obtenu sous une pression de quelques hPa, par extraction et détente dans un réacteur, en dehors du champ électrique, des espèces actives formées dans un plasma en décharge. Dans le cas présent, une source 4 d'alimentation d'azote est envoyée dans une cavité 6, par l'intermédiaire d'un tube 5. La pression de l'azote à l'intérieur du tube 5 est comprise entre 1 et 20 hPa. Sous l'effet de l'onde générée par le générateur micro-onde 7, une décharge est entretenue dans la cavité 6. Le fréquence de l'onde issue du générateur micro-onde 7 est, par exemple, égale à 2450 Mhz ou à 433 MHz. L'azote se trouve excité en sortie de la cavité et le plasma froid différé en écoulement est alors obtenu par extraction dans le réacteur 8 des espèces excitées de la dé charge (électrons, ions, atomes excités). L'écoulement est réalisé à l'aide de la pompe à vide 9. Le gaz précurseur du dépôt 10 est introduit dans le tube 5 entre la sortie de la cavité 6 et l'endroit où les espèces excitées de la décharge pénètrent dans le réacteur 8. Ce gaz peut-être un composé organo-germané. Ce peut aussi être un composé organo-silicé choisi parmi les alkoxysilanes, les siloxanes ou les silazanes. Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, il s'agit de tetramethyldisiloxane. L'utilisation d'un plasma différé est un avantage de l'invention. En effet, en opposition avec les plasmas de décharge, les plasmas différés sont des milieux actifs dépourvus d'électrons et exempts des radiations énergétiques provenant de la décharge. L'absence de champ électrique qui en découle favorise le dépôt des éléments lourds sur les feuilles métalliques. Dans le cas présent, les feuilles métalliques F se présentent sous forme de bobines 13 placées à l'intérieur du réacteur 8. Chaque bobine de film 13 est déroulée à la vitesse V de façon à faire apparaître la feuille F. Le dépôt par plasma différé d'azote s'effectue alors sur une distance d. Les surfaces que l'on ne désire pas recouvrir de diélectrique sont masquées par tout dispositif connu de l'homme de l'art. II peut s'agir de tout ou partie d'une face de la feuille métallique F, comme cela apparaît sur les figures 2 et 3. Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, le dispositif d'injection du composé gazeux organo-silicé est relié à une source d'oxygène Il. La présence d'oxygène introduit dans le réacteur 8 en même temps que le composé organo-silicé accélère avantageusement la vitesse de formation de la couche de diélectrique sur la feuille métallique. Ainsi, la vitesse V d'entraînement du film peut-elle atteindre avantageusement la valeur de 1 m/s pour une épaisseur de diélectrique déposée de l'ordre de 0,1 micron. La teneur en oxygène est de l'ordre de quelques pour cent du mélange gazeux présent dans le réacteur 8. Un autre agent dopant 12 peut être introduit dans le réacteur par le dispositif d'injection du composé organo-silicé. II peut s'agir, par exemple, de l'un des gaz dont la formule chimique est donnée ci-après : NH3, NF3, CF4, SF6. Ce deuxième agent dopant permet alors d'accroître l'action du premier agent dopant. Un avantage de l'invention est le dépôt d'une couche de diélectrique possédant d'excellentes qualités d'adhérence et d'homogénéité et dont l'épaisseur obtenue peut varier, selon les besoins, de 0,05 micron à quelques microns. Comme représenté en figure 1, une fois le dépôt de diélectrique effectué, les films métallisés sont enroulés sous forme de bobines 14. Les composés organo-silicés introduits dans le réacteur peuvent être: un alkoxysilane de formule avec n inférieur ou égal à 5 un siloxane de formule avec n inférieur ou égal à 4 un silazane de formule avec n inférieur à 4 La constante diélectrique relative des dépôts obtenus est alors supérieure ou égale à 30. Selon l'invention, la source d'oxygène 11 ou l'élément dopant 12 peuvent contenir de l'oxyde de titane, par exemple de l'isopropylate de titane (IV), afin d'augmenter encore la valeur de la constante diélectrique relative du dépôt. A priori, il est connu de l'homme de l'art que les diélectriques ayant des constantes diélectriques relatives élevées présentent souvent des pertes élevées, ainsi qu'une mauvaise tenue en température. Dans le cas présent, il a été constaté que le dépôt diélectrique selon l'invention ne présentait pas ces inconvénients. La tenue en température se trouve améliorée, la température maximale d'utilisation pouvant atteindre de l'ordre de 300 C. Un autre avantage de l'invention est de permettre la réalisation de capacités de fortes valeurs dans un volume réduit atteignant, par exemple, 1 500 nF par mm3. Les tensions de claquage des diélectriques se trouvent, elles aussi, fortement améliorées, pouvant atteindre, par exemple, 2 000 Volts par micron. La figure 2 représente la vue en coupe d'une feuille métallique de grande largeur du type possédant un support diélectrique et sur laquelle a été déposée un diélectrique selon l'invention. Un support diélectrique 1, constitué d'un film diélectrique souple tel qu'un film de polyester, de polycarbonate, de polypropylène ou similaire, est recouvert sur ses deux faces de métallisations 2. Comme cela est connu de l'homme de l'art, les métallisations 2 ne recouvrent pas entièrement les faces de la feuille diélectrique 1. Des zones 3 sont dépourvues de métallisation. Avantageusement, le procédé selon l'invention permet le dépôt de diélectrique non seulement sur les métallisations 2 mais aussi sur le support diélectrique 1. Afin de faciliter l'opération ultérieure de shoopage, le dépôt diélectrique 15 ne recouvre pas toute la surface de la feuille métallique. II apparaît alors des zones de métallisation 16 dépourvues de tout dépôt diélectrique. Sur la figure 2, le dépôt diélectrique 15 n'est représenté que sur une des faces de la feuille métallique. Cependant, I'invention concerne aussi le cas où le dépôt diélectrique est effectué sur les deux faces de la feuille. La figure 3 représente la vue en coupe d'une feuille métallique de grande largeur du type entièrement métallisée sur laquelle a été déposé un diélectrique selon l'invention. La couche diélectrique 15 recouvre les deux faces de la feuille métallique du type entièrement métallisée F. Sur chacune des faces, une zone 16 est laissée vierge de dépôt diélectrique de façon à permettre l'opération ultérieure de shoopage. La couche diélectrique 15 recouvre la feuille métallique non seulement en surface mais aussi en épaisseur. Ainsi, le procédé selon l'invention permet-il d'effectuer un dépôt homogène de diélectrique sur les deux bords latéraux de la feuille métallique. L'avantage qu'il y a à déposer du diélectrique sur la tranche des feuilles métalliques sera précisé ultérieurement (cf. figure 5). Les figures 2 et 3 représentent deux exemples de feuilles métalliques sur lesquelles du diélectrique a été déposé selon le procédé de l'invention. II est évident que le procédé selon l'invention permet de réaliser d'autres types de feuilles plastiques métallisées entrant dans la fabrication des condensateurs de type empilé ou bobiné. Une fois l'opération de dépôt du diélectrique achevée, le procédé de fabrication de condensateurs redevient conforme à l'art antérieur. Ainsi, les films de grande largeur sont-ils découpés en rubans de films plastiques métallisés. La découpe s'effectue, comme représenté aux figures 2 et 3, dans la partie médiane des zones 3 et 16, selon les axes AA'. A l'issue de la découpe des films de grande largeur, chaque ruban de film plastique métallisé est enroulé sous forme de galette de film. Le procédé de fabrication de condensateurs de type empilé comprend alors les étapes principales suivantes: - bobinage d'au moins une paire de films plastiques métallisés sur une roue de grand diamètre de façon à constituer un condensateur-mère, le bobinage étant effectué en créant un décalage entre les films destiné à faciliter l'opération ultérieure de shoopage, - projection de métal, par shoopage, sur les flancs du condensateur-mère de façon à constituer les armatures des futurs condensateurs, - découpe du condensateur-mère en condensateurs individuels, tels que ceux représentés, à titre d'exemple, aux figures 4 et 5. La figure 4 représente la vue en coupe d'un condensateur feuilleté réalisé avec des feuilles de films plastiques métallisés issues de la découpe d'une feuille de grande largeur comme représentée en figure 2. A titre d'exemple, I'empilement est constitué de cinq feuilles de film plastique métallisé. Chaque feuille de film plastique métallisé présente un bord métallisé et un bord non métallisé. Les bords métallisés de deux feuilles successives de l'empilement sont situés sur des côtés opposés et les bords métallisés situés d'un même côté sont reliés à la même armature 17. La figure 5 représente la vue en coupe d'un condensateur feuilleté réalisé avec des feuilles de film plastiques métallisés issues de la découpe d'une feuille de grande largeur comme représentée en figure 3. A titre d'exemple, I'empilement est constitué de cinq feuilles de film plastique métallisé. De même que pour le condensateur représenté en figure 4, les bords métallisés de deux feuilles successives de l'empilement sont situés sur des côtés opposés et les bords métallisés situés d'un même côté sont reliés à la même armature 17. L'épaisseur de diélectrique déposée sur la tranche permet avantageusement non seulement d'éviter les courts-circuits entre les deux armatures du condensateur mais aussi d'améliorer la tension de claquage du composant. Comme cela a été mentionné précédemment, I'invention concerne aussi la fabrication de condensateurs de type bobiné et, par voie de conséquence, la fabrication de condensateurs de puissance utilisant de tels condensateurs. Les condensateurs de puissance sont de type sec ou imprégné. L'invention concerne la fabrication de films plastiques métallisés destinés à réaliser ces deux types de condensateurs. Les principales étapes du procédé de fabrication d'un condensateur puissance, une fois les galettes de films réalisées, peuvent être listées comme suit: - bobinage sur au moins une broche d'au moins deux films plastiques métallisés de manière à obtenir au moins un élément capacitif cylindrique, le bobinage étant réalisé avec un asservissement continu du foisonnement; - aplatissement, si nécessaire, des éléments cylindriques ainsi obtenus de façon à former des éléments plats présentant une épaisseur prédéterminée; - constitution de pains capacitifs par association de différents éléments capacitifs; - étuvage sous vide des pains capacitifs; - shoopage des terminaisons latérales des pains capacitifs; - câblage des connexions sur les pains capacitifs; - mise en cuve des pains capacitifs, - imprégnation des pains capacitifs dans le cas des condensateurs de type imprégné. Les condensateurs de puissance obtenus à l'aide de films plastiques métallisés réalisés selon le procédé de l'invention présentent avantageusement des énergies spécifiques de valeurs élevées, pouvant atteindre, par exemple, plusieurs milliers de joules par litre. Ainsi un avantage du procédé selon l'invention est-il d'obtenir - à énergie spécifique égale - des condensateurs dont l'encombrement est très sensiblement réduit par rapport aux condensateurs de l'art antérieur. Un autre avantage du procédé selon l'invention est de permettre un dépôt de diélectrique homogène sur des surfaces présentant des géométries très différentes. Ainsi, I'invention concerne-t-elle aussi le dépôt de diélectrique sur des fils métalliques cylindriques, par exemple des fils d'aluminium, permettant de réaliser des condensateurs à fils. Comme cela est connu de l'homme de l'art, un condensateur à fil selon l'art antérieur comprend une étape durant laquelle le diélectrique est formé par oxydation du métal dans un bain chimique. Un tel procédé ne permet pas de réaliser des diélectriques dont la valeur de la constante diélectrique relative est aussi élevée que celles citées précédemment. Le procédé selon l'invention permet de réaliser de tels diélectriques. Les valeurs des constantes diélectriques relatives sont alors sensiblement supérieures ou égales à 30. Les condensateurs à fil obtenu par ce procédé présentent alors les mêmes avantages que les condensateurs décrits précédemment. Leur tenue en température ainsi que leur tension de claquage se trouvent très fortement améliorées. Comme cela a été mentionné plus haut, le procédé selon l'invention concerne différents gaz précurseurs du dépôt (composé organogermané, alkoxysilane, siloxane, silazane). Ainsi, le procédé selon l'invention permet-il avantageusement la polymérisation de différents diélectriques sur les feuilles métalliques. A titre d'exemple, lorsqu'on introduit dans le réacteur 8 un silazane, on obtient sur la feuille métallique une couche diélectrique formée des composés suivants -Si-NH-Si -Si-O -Si -Si-C -Si Lorsqu'on introduit un siloxane, on obtient une couche diélectrique formée des composés suivants: polymère (Si - O - Si) réticulé -Si-(CH3) 1 -Si-OH -Si-NH-Si pour une très faible teneur en oxygène, ou bien: polymère (Si - O - Si) réticulé - Si - (CH3)2 - Si - (CH3)3 -Si-OH -Si-NH-Si pour une teneur en oxygène plus élevée. Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, le gaz dopant est de l'oxygène. Selon d'autres modes de réalisation, il peut s'agir, plus généralement, d'un composé gazeux contenant de l'oxygène. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de condensateur, comprenant une étape de dépôt de diélectrique (15) sur un élément métallique (F), ledit dépôt étant effectué dans un réacteur (8) par polymérisation d'éléments issus de la dissociation, par plasma, d'un gaz précurseur du dépôt, caractérisé en ce que le plasma est un plasma différé d'azote et en ce que le gaz précurseur du dépôt est un gaz organo-silicé ou organo-germané. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composé organo-silicé est choisi parmi les alkoxysilanes de formule: . t . t s avec n inférieur ou égal à 5 les siloxanes de formule: avec n inférieur ou égal à 4 ou les silazanes de formule: avec n inférieur à 4 3. Précédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le composé organo-silicé est du tétraméthyldisiloxane. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que de l'oxygène est introduit, lors dudit dépôt, dans ledit réacteur (8) de façon à accéler la vitesse de dépôt du diélectrique (15). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un élément dopant, choisi parmi les corps de formule chimique NH3, NF3, CF4 ou SF6 est introduit, lors dudit dépôt, dans ledit réacteur (8). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément métallique (F) est une feuille métallique destinée à fabriquer des condensateurs feuilletés de type empilé ou bobiné. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les condensateurs de type bobiné sont des éléments capacitifs destinés à constituer des condensateurs de puissance. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément métallique est un fil destiné à fabriquer des condensateurs à fils. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que de l'oxyde de titane est mélangé à l'oxygène ou à l'élément dopant.