Brevet FR2867301A1 — publié le 20050909

CONDENSATEUR PAVE POUR MONTAGE EN SURFACE La présente invention concerne des condensateurs. Plus particulièrement, mais non exclusivement, la présente invention concerne des condensateurs pavés pour montage en surface améliorés et des procédés pour fabriquer ceux-ci. Des condensateurs existent dans la technique, qui sont réalisés à partir d'un élément capacitif tel qu'une perle ou pastille de tantale. Pour créer une perle de tantale classique, une poudre de tantale est comprimée avec un liant et ensuite exposée à un processus pour former un condensateur polarisé ayant une borne positive et une borne négative. Une perle de tantale typique va avoir une anode constituée d'un fil qui part de la perle et une cathode constituée d'une surface conductrice formée sur le côté opposé de la perle de tantale. Le procédé habituel pour fabriquer des pastilles au tantale destinées à être utilisées dans des condensateurs de tantale inclut des étapes dans lesquelles une poudre de tantale est tout d'abord comprimée ou compactée en une pastille. Les pastilles comprimées obtenues subis-sent alors un processus de frittage au cours duquel les pastilles sont chauffées sous vide. Le chauffage permet aux particules de tantale de se coller les unes aux autres de sorte qu'elles peuvent supporter un fil de raccordement, qui fonctionne en tant qu'anode. Après le processus de frittage, la pastille de tantale est immergée dans une solution acide pour former un film diélectrique sur la surface extérieure de la pastille et des particules au sein de la pastille, qui est typique-ment du pentoxyde de tantale. La pastille et les particules au sein de la pastille sont alors revêtues par la suite à l'aide de divers autres matériaux contenant du métal, qui forment la cathode. L'anode et la cathode de ces condensateurs sont attachées à une carte de circuit imprimé par des fils de connexion. Les procédés modernes pour monter des composants utilisent la possibilité de souder les composants directe- ment à des pistes conductrices de cartes de circuit imprimé sans l'utilisation de fils de connexion. Cette technologie est utilisée de plus en plus sous la désignation "dispositif monté en surface" (SMD pour Surface Mounted De- vice ). Des condensateurs adaptés à la technique SMD peuvent être fabriqués sous forme d'un composant pavé et sous forme d'un composant à électrode métallique soudée par la face avant (MELF pour Metal Electrode Face bonding ). Les composants pavés ont généralement des pièces-support en forme de parallélépipèdes rectangles dont les faces d'extrémité sont adaptées à la soudure, ou sous la forme de pastilles isolées qui ont une face ayant à la fois des bornes cathodique et anodique adaptées à la soudure. Des composants MELF sont issus d'éléments de support cylindriques ayant des embouts de connexion dans lesquels les fils de connexion sont omis et les embouts eux-mêmes sont rendus propres à une soudure en surface par un traitement galvano-plastique et sont soudés directement avec lesdits embouts de connexion à des pistes conductrices de cartes de circuit imprimé. Le grand avantage de la technologie SMD est de permettre des densités d'implantation extrêmement élevées des composants sur les cartes de circuit imprimé. Pour obtenir des densités toujours croissantes, il faut que les composants adaptés à la technique SMD deviennent de plus en plus petits. Cependant, la technologie SMD peine à la produire des dispositifs avec productivité et uniformité. On voit par conséquent qu'il existe un besoin d'un condensateur pavé pour montage en surface amélioré et d'un procédé pour fabriquer celui-ci. De plus, la technologie SMD actuelle peut nécessi- ter la manipulation de condensateurs individuellement par opposition à l'utilisation de techniques de manipulation à grande échelle de condensateurs. Une technique particuliè- rement utile de manipulation à grande échelle est réalisée par l'utilisation d'un processus bobine-bobine. Par consé- quent, une propriété supplémentaire de la présente inven- tion est la fourniture d'un condensateur qui est fabriqué de manière efficace en utilisant un processus bobine-bobine. Egalement, la technologie SMD courante peut être améliorée en utilisant un dépôt électrophorétique. Parmi les avantages du dépôt électrophorétique figurent un taux de revêtement élevé de particules chargées sur le substrat, un film résultant de particules chargées sur le substrat qui est dense et uniforme, une épaisseur de film que l'on peut commander par la condition de dépôt, et un processus simple qui est facile à monter en gamme. Par conséquent, un autre aspect supplémentaire de la présente invention est la fourniture d'un procédé qui utilise un dépôt électrophorétique afin d'accentuer l'uniformité, la tolérance, la capacité et la densité volumique des condensateurs. Encore un autre aspect de la présente invention est de fournir une puce de montage en surface qui est facile à réaliser et économique à fabriquer. Le dispositif et le procédé pour atteindre ces buts entre autres vont mieux apparaître à la lecture de la description qui va suivre de la présente invention, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe latérale d'un condensateur pavé pour montage en surface selon la présente 25 invention, - les figures 2 à 5 sont des vues de dessus du condensateur pavé pour montage en surface représenté sur la figure 1, à divers stades de fabrication, - les figures 6 à 14 sont des vues en coupe latérale du condensateur pavé pour montage en surface représenté sur la figure 1, à divers stades de fabrication, et - la figure 15 est un schéma d'un condensateur de la technique antérieure. La présente invention va être décrite telle qu'elle s'applique au mode préféré de réalisation. Il n'est pas prévu que la présente invention soit limitée au mode de réalisation décrit. Il est prévu que la présente invention couvre toutes les variantes, modifications, et équivalences qui peuvent être incluses dans l'esprit et la portée de la présente invention. La figure 15 représente un condensateur typique 10 de la technique antérieure. Les condensateurs sont utilisés dans de nombreux types de dispositifs électroniques. Les utilisations les plus populaires des condensateurs se situent dans le domaine des ordinateurs personnels, des lecteurs de disque, des téléphones cellulaires, des imprimantes, des radiomessageurs portatifs, de l'automobile et de l'équipement militaire. Le condensateur 10, comme représenté, a deux conducteurs, c'est-à-dire la pastille de tantale 12 et le dioxyde de manganèse (MnO2) 16, qui est en réalité un semi-conducteur. Le film diélectrique 14 est du pentoxyde de tantale (Ta2O5). Lorsque le condensateur 10 est en service, la pastille de tantale 12, chargée positivement, constitue l'anode, et le dioxyde de manganèse 16, chargé négative-ment, forme la cathode. Le condensateur comprend également un fil de raccordement anodique 18 en tantale, une couche de carbone 22, et une électrode extérieure métallisée 20. Le condensateur 10 de la technique antérieure est habituellement fabriqué en prenant une poudre de tantale et en la comprimant ou compactant en une pastille. La pastille comprimée obtenue 12 subit alors un processus de frittage au cours duquel cette pastille 12 est chauffée sous vide. Le chauffage permet aux particules de tantale de se coller les unes aux autres de sorte qu'elles peuvent tenir le fil de raccordement 18. Après le processus de frittage, la pastille 12 est typiquement immergée dans une solution acide pour former un film diélectrique 14 sur la surface extérieure de la pas- tille 12. La pastille 12 est alors revêtue ensuite de divers autres matériaux contenant du métal qui forment la cathode. Typiquement, du MnO2 16 est placé autour du film diélectrique 14 ce qui peut être suivi de la couche de carbone graphitique 22 qui est peinte à l'aide d'une im- pression argentée 20. D'autres polymères conducteurs tels que polypyrrole peuvent également être utilisés à la place de l'oxyde de manganèse. La partie cathodique finit par une terminaison cathodique. Le fil de raccordement 18 est habituellement revêtu d'une substance isolante telle que du Téflon (nom commercial déposé) (non représenté). Le fil de raccordement 18 est typiquement la terminaison anodique. Ces terminai-sons peuvent être connectées à une carte de circuit imprimé pour monter le condensateur 10 dans un circuit électrique. La figure 1 représente un condensateur pavé pour montage en surface 30 selon la présente invention. On note que sur les figures, dans parties des condensateurs un but de clarté, les diverses sont représentées en avec des bords rectilignes peuvent avoir des les condensateurs et à coins nets. Les condensateurs réels coins légèrement arrondis, etc. De plus, ont été représentés selon une forme et une taille standards; cependant, la forme et la taille peuvent varier pour avoir des longueurs, largeurs, hauteurs, proportions de taille de composants différentes, etc. Le condensateur inclut un fil 32. Le fil 32 est typiquement constitué de tantale. En variante, le fil peut être constitué d'un autre métal de "valve" (c'est-à-dire niobium (Nb), hafnium (Hf), zirconium (Zr), titane (Ti), vanadium (V), tungstène (W), béryllium (Be), ou aluminium 25 (Al)). En variante, le fil peut être constitué d'un subs- trat contenant un métal de "valve" (c'est-à-dire Ta, Nb, Hf, Zr, Ti, V, W, Be ou Al). Le fil a une épaisseur de préférence comprise entre 50 et 100 pm. Le fil peut être un parallélépipède rectangulaire. En variante, le fil peut 30 avoir diverses autres formes. Un élément de poudre conductrice 34 se trouve sur le fil 32. L'élément de poudre conductrice peut être un métal de "valve". En variante, l'élément de poudre conduc- trice peut être un substrat de métal de "valve". L'élément de poudre conductrice 34 peut avoir un faible produit capacité-tension (CV) (c'est-à-dire 10 CV) et allant jus- qu'à 100-150 KCV. L'élément de poudre conductrice 34 avant d'être placé sur le fil 32 peut avoir la forme d'une poudre qui est agglomérée de manière régulière, tamisée, et/ou concassée. Lorsqu'il est attaché au fil 32 dans une couche, l'élément de poudre conductrice 34 a une densité dans la plage de 3 à 8 g/cm3. Un film diélectrique 36 se trouve sur la surface de l'élément de poudre conductrice 34 et le fil anodique 32. Le film diélectrique 36 est typiquement du pentoxyde de tantale (Ta2O5). Un revêtement isolant 38 tel que du Téflon (nom commercial déposé) recouvre une partie du fil anodique 32 et de la couche de tantale frittée 34. Un électrolyte solide, c'est-à-dire du dioxyde de manganèse (MnO2) ou un polymère conducteur, forme un extérieur diélectrique 40. La cathode du condensateur est formée de cet électrolyte solide, qui imprègne des espaces au sein de l'élément de poudre conductrice 34 revêtu du film diélectrique 36. Une couche de contre-électrode conductrice chevauche l'extérieur diélectrique 40 et se trouve en continuité électrique avec la cathode de dioxyde de manganèse du condensateur 30. La couche de contre-électrode est de préférence constituée d'une première sous-couche 42 de carbone graphitique et d'une sur-couche de particules 44 contenant du métal, de préférence de l'argent, dans un liant ou une résine organique. La couche de contre-électrode doit s'étendre sur l'extrémité cathodique 46 de la couche de tantale 34 de même qu'elle aide à étanchéifier la couche de dioxyde de manganèse 40. La couche de contre-électrode chevauche sensiblement la totalité des surfaces latérales et l'extrémité cathodique 46 de la couche de tantale 34 pour obtenir un condensateur ayant un facteur de dissipation et une résistance série minimum, mais est maintenue séparée du fil anodique 32, et n'est pas en continuité électrique avec celui-ci. Un revêtement organique ou revêtement de passiva- tion 48 est formé sur la couche de contre-électrode sur la surface latérale de la couche de tantale 34 et sur le revêtement isolant 38 au niveau de l'extrémité anodique 50 de la couche de tantale 34 sans s'étendre pour autant sur l'extrémité cathodique 15. Une anode imprimée en argent 52 est liée au niveau de l'extrémité anodique 50 de la couche de tantale 34 sur le revêtement organique 48 et vient au contact du fil anodique 32. Un embout d'extrémité cathodique 54 est lié en contact avec l'extrémité cathodique 46 de la couche de contre-électrode, en formant ainsi une borne cathodique ou seconde borne 56. Un embout d'extrémité anodique 58 est lié en contact avec l'extrémité anodique 50 recouvrant l'anode imprimée en argent 52 et une partie du revêtement isolant 48, en formant ainsi une borne anodique ou première borne 60. La borne cathodique 56 et la borne anodique 60 sont des connexions qui peuvent être connectées à une carte de circuit imprimé pour monter le condensateur 30 dans un circuit électrique. Alors que le procédé décrit ci-dessous et représenté sur les figures 2 à 14 ci-dessous est appli- qué à un condensateur, il est également possible d'utiliser le présent procédé pour tout type de composant pavé nécessitant une terminaison au niveau d'une extrémité opposée. La figure 2 est une vue de dessus d'un ruban de feuille 70 ayant la forme d'un peigne. La forme de peigne est produite par poinçonnage mécanique. En variante, la forme de peigne peut être réalisée par d'autres procédés chimiques ou physiques. L'épaisseur du ruban de feuille 70 est de préférence de 50 à 100 pm, d'une longueur de 0,8 mm, et d'une largeur de 0,08 mm. Le peigne est constitué de fils de tantale individuels 32. Le ruban de feuille 70 a également des trous 72 sur les bords extérieurs. Les trous 72 sont utilisés pour placer le ruban de feuille 70 dans un cadre 74. Comme visible sur la figure 3, le cadre 74 a une section supérieure 76 et une section inférieure (non représentée). Des réceptacles mâles (non représentés) qui reçoivent les trous 72 se trouvent sur la section inférieure. Les rubans de feuille 70 sont agencés de sorte que les fils 32 se font face les uns aux autres. Le cadre 74 sur la figure 3 supporte 20 rubans de feuille 70. Une fois que tous les rubans de feuille sont en place, des connecteurs 78 verrouillent les rubans de feuille 70 en place. Une fois verrouillés, les rubans de feuille sont masqués. Les rubans de feuille 70 et le cadre 74 sont dans un dispositif pour manipuler les fils poinçonnés 32. En variante, un ruban de feuille unique ayant une rangée unique de fils 32 peut être utilisé. Toujours en variante, un ruban de feuille large unique peut être utilisé pour remplacer la série de rubans de feuille 70, comme observé sur la figure 3 et le ruban de feuille large peut être poinçonné pour former des fils 32. La figure 4 est une vue de dessus des rubans de feuille 70 après qu'ils ont été masqués. L'extrémité de connexion du fil 32 aux rubans de feuille 70 est physique-ment masquée en plaçant une barrière physique plate 80 sur les rubans de feuille 70 et sur une partie du fil 32 venant au contact du ruban de feuille 70. L'élément de poudre conductrice 34 peut alors être formé sur le fil 32. L'élément de poudre conductrice 34 est placé sur le fil par dépôt électrophorétique qui comporte essentiellement deux étapes: tout d'abord, des particules chargées d'une poudre (0,2 à 40 pm) en suspension sont déplacées sur le fil 32 par une tension appliquée et deuxièmement, les particules de poudre sont déposées (déchargées et floculées) sur le fil 32. Le film de particules chargées obtenu est l'élément de poudre conductrice 34 qui est dense et uniforme. La figure 5 est une vue de dessus des rubans de feuille 70, dans laquelle le masque 80 est retiré, mais dans laquelle l'élément de poudre conductrice 34 est dépo-sé. Comme visible sur la figure 6, l'étape suivante consiste à placer le cadre entier 74 avec les bandes 70 dans un processus de frittage pour chauffer l'élément de poudre conductrice 34 sous vide. La température de ce processus est comprise entre 600 et 1400 C, pour le tantale et le niobium. L'élément de poudre conductrice 34 est maintenu dans un vide à la température spécifiée entre environ 2 et 20 minutes et ensuite refroidi conformément à des procédés de refroidissement classiques qui sont bien connus dans la technique. Comme visible sur la figure 7, après le processus de frittage, l'élément de poudre conductrice 34 est placé dans une solution de formation d'oxygène de sorte qu'un film diélectrique mince 36 est formé. Par exemple, lorsque l'on utilise une poudre de tantale ou de niobium, le film diélectrique mince 36 va être du pentoxyde de tantale ou pentoxyde de niobium. L'étape suivante du processus, comme visible sur la figure 8, est l'ajout d'une impression de Téflon (nom commercial déposé) ou autre substance isolante 38. Ensuite, comme visible sur la figure 9, on forme la partie cathodique du condensateur. Typiquement, de l'oxyde de manganèse 40 est placé autour du film diélectrique 36 qui peut être suivi d'une couche de carbone graphitique 42 qui est imprimée à l'aide d'argent 44. L'impression argentée 44 est constituée d'une résine organique lourdement chargée en flocons d'argent, la rendant conductrice. Comme visible sur la figure 10, un matériau d'isolation ou de passivation 46 est placé en entoure au moins une partie de l'élément de poudre conductrice 34 et une partie des surfaces latérales du fil 32. Comme visible sur la figure 11, l'anode est ouverte au laser pour exposer le fil 32. L'ouverture au laser est le procédé préféré pour exposer la surface conductrice du fil 32, mais d'autres techniques peuvent être utilisées. A l'aide de tout processus, la surface conductrice du fil 32 va être exposée. Une fois que le fil est exposé, une impression argentée 52 peut être appliquée qui est la même que l'impression argentée 44. L'étape suivante consiste à découper le condensateur pavé pour montage en surface 30 pour le retirer des rubans 70, comme observé sur la figure 13. Le condensateur pavé pour montage en surface 30 peut être retiré des rubans de différentes manières bien connues dans la technique. L'étape finale, comme visible sur la figure 14, consiste à souder un embout d'extrémité cathodique 52 et un embout d'extrémité anodique 58. Une borne cathodique 56 est formée par l'embout d'extrémité cathodique 52 qui est en contact avec l'extrémité cathodique 46 de la couche de contreélectrode. Une borne anodique 60 est formée par l'embout d'extrémité anodique 58 qui est lié en contact avec l'extrémité anodique 50 recouvrant l'anode imprimée en argent 52 et une partie du revêtement isolant 48. Alors que la présente invention peut être réalisée en utilisant les procédés décrits ci-dessus, il est entendu que divers autres procédés peuvent être utilisés dans l'esprit et la portée de la présente invention. Le mode préféré de réalisation de la présente invention a été présenté sur les dessins et dans la description, et bien que des termes spécifiques soient utilisés, ceux-ci sont utilisés dans un sens générique ou descriptif uniquement et non dans un but de limitation. Des changements de forme et proportion de parties ainsi que la substitution d'équivalents sont envisagés lorsque les circonstances peuvent le suggérer ou le rendent commode, sans sortir de l'esprit et de la portée de la présente invention telle qu'elle est mieux définie dans les revendi- cations annexées. REVENDICATIONS 1. Condensateur pavé pour montage en surface (30) caractérisé en ce qu'il comporte: un fil (32) ayant des première et seconde surfaces d'extrémité et surfaces laté- rates en vis-à-vis, un élément de poudre conductrice (34) électriquement connecté au fil (32) et recouvrant la seconde extrémité et une partie des surfaces latérales du fil, un matériau isolant (38) entourant au moins une partie de l'élément de poudre conductrice (34) et une partie des surfaces latérales du fil, une première borne (60) formée par un premier corps de matériau conducteur disposée sur la première surface d'extrémité du fil et une partie du matériau isolant, et une seconde borne (56) formée par un second corps de matériau conducteur disposée sur la seconde extrémité de l'élément de poudre conductrice, et étant électriquement connectée à celle-ci. 2. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première borne (60) est une anode et la seconde borne (56) est une extrémité cathodique. 3. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de poudre conductrice (34) est constitué d'une poudre. 4. Condensateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la poudre est choisie dans le groupe consti-25 tué de. Ta, Nb, Hf, Zr, Ti, V, W, Be et Al. 5. Condensateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la poudre est un substrat d'un métal choisi parmi le groupe constitué de: Ta, Nb, Hf, Zr, Ti, V, W, Be et Al. 6. Condensateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la poudre a été déposée de manière électrophorétique sur le fil (32). 7. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de poudre conductrice (34) a une 35 densité comprise entre 3 et 8 g/cm3. 8. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de poudre conductrice (34) a un produit capacité-tension compris entre 10 CV et 150 KCV. 9. Procédé pour créer un condensateur pavé pour montage en surface (30), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: former un fil (32) ayant des première et seconde surfaces d'extrémité et surfaces latérales en vis-à-vis, former un élément de poudre conductrice (34) sur le fil (32) recouvrant la seconde extrémité et une partie des surfaces latérales du fil, l'élément de poudre conductrice (34) ayant une extrémité cathodique (46), une extré- mité anodique (50), et les côtés de l'élément de poudre conductrice s'étendant entre les extrémités anodique et cathodique, appliquer un matériau isolant (38) sur l'extrémité anodique (50) et l'élément de poudre conductrice (34) pour créer une couche du matériau isolant (38) à l'extérieur de l'extrémité anodique (50) et les côtés de l'élément de poudre conductrice, et ayant une relation de couverture avec ceux-ci, de sorte que le fil conducteur s'étend à travers et a une partie de fil en saillie faisant saillie depuis une surface extérieure de la couche de matériau isolant, appliquer une couche anodique de matériau conducteur sur la première extrémité de fil (32) et la surface extérieure du matériau isolant (38) adjacent à l'extrémité anodique (50) de l'élément de poudre conductrice (34) de sorte que la couche anodique de matériau conducteur est en contact électrique avec l'extrémité de fil et recouvre celle-ci, attacher un embout de terminaison anodique conduc- teur (58) selon une relation de couverture et en contact électrique avec la couche anodique de matériau conducteur, de sorte qu'une continuité électrique est obtenue depuis l'extrémité anodique (50) de l'élément de poudre conductrice (34), à travers le fil (32) et la couche anodique de matériau conducteur jusqu'à l'embout de terminaison anodique conducteur (58), appliquer une couche cathodique de matériau conducteur sur au moins une partie de l'extrémité cathodique (46) de l'élément de poudre conductrice (34), et attacher un embout de terminaison cathodique conducteur (52) selon une relation de couverture sur l'extrémité cathodique (46) de l'élément de poudre conductrice (34), et en contact électrique avec celle-ci. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape de formation d'un fil (32) est réalisée en comprimant une feuille (70). 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte de plus l'étape suivante: agencer la feuille (70) afin qu'elle puisse subir un processus bobine-bobine. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte de plus l'étape suivante: masquer la feuille (70) pour application d'une 15 poudre sur le fil (32). 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte de plus le dépôt électrophorétique de la poudre sur le fil (32). 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé 20 en ce que la poudre est choisie parmi le groupe constitué de: Ta, Nb, Hf, Zr, Ti, V, W, Be et Al. 15. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la poudre est un substrat d'un métal choisi parmi le groupe constitué de: Ta, Nb, Hf, Zr, Ti, V, W, Be et Al. 16. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'élément de poudre conductrice (34) a une densité comprise entre 3 et 8 g/cm3. 17. Procédé selon la revendication 13, caractérisé 30 en ce que l'élément de poudre conductrice (34) a un produit capacité-tension compris entre 10 CV et 150 KCV.