Intégration : verrous technologiques - Elaboration et caractérisation de condensateurs à base d

5.3.1 CaCu

Ti

O

: un matériau de choix pour les condensateurs cé-

ramiques ?

L’objectif de cette partie est de comparer les performances des condensateurs à base de CCTO à celles des condensateurs céramiques fabriqués industriellement. Pour cela, les grandeurs suivantes sont à prendre en compte : la capacité, la tension d’utilisation et les dimensions du composant. Nos composants multicouches possèdent des électrodes internes de 6 mm x 5 mm, ce qui correspond à un composant de format 2220 (22 inch x 20 inch, normes industrielles). Le tableau 5.7 permet de comparer les performances des composants multicouches à base de CCTO (8 électrodes internes, 105 µm interélectrodes) à un composant du marché de composition Z5U, pour des formats très proches.

Composition Format Epaisseur (mm) C (µF) Vmax (V)

Z5U 2225 1,3 1,8 50

CCTO 2220 1,6 1,33 15

TAB. 5.7 – Caractéristiques de condensateurs multicouches Z5U et CCTO pour des formats équiva- lents

Le condensateur à base de diélectrique Z5U a une capacité légèrement supérieure au composant à base de CCTO, pour une épaisseur légèrement inférieure. D’autre part, la tension d’utilisation du condensateur Z5U est environ trois fois plus élevée que celle du condensateur CCTO. Ces résultats nous permettent de comparer les propriétés des matériaux utili- sés. En sachant que les matériaux utilisés industriellement possèdent des permittivités relatives largement inférieures à celle de notre matériau CCTO, nous devrions, pour un même format de composant, obtenir des capacités beaucoup plus élevées dans le cas du CCTO. Or nous obtenons des capacités inférieures pour nos composants. L’explication se situe à n’en pas douter au niveau de l’épaisseur de diélectrique interélectrodes. Nous avons démontré au cours de notre étude que pour des grains de CCTO d’environ 5 à 6 µm (valeurs courantes dans la littérature), une épaisseur interélectrodes minimum de 40 µm est requise pour conserver de fortes permittivités relatives. Dans le cas des matériaux utilisés industriellement (à base de BaTiO3), les tailles des grains varient de 500 nm à 1 µm [11]. Il est alors possible d’at-

teindre des épaisseurs interélectrodes inférieures à 10 µm et ainsi atteindre des capacités plus élevées pour un même format de composant, grâce à l’insertion d’un nombre beaucoup plus élevé d’électrodes internes dans une épaisseur de composant donnée. C’est donc la taille de grains élevée de CCTO qui, dans ce cas, est un facteur limitant. D’autre part, il est important de souligner une propriété importante des matériaux isolants : la permittivité relative est très souvent inversement proportionnelle à la rigidité diélectrique. Par exemple, un polymère tel que le polypropylène possède une permittivité très faible (3) pour une rigidité diélectrique très élevée (200 kV.mm−1_{). A l’inverse, les diélectriques tels que Z5U ou Y5V possèdent}

une permittivité élevée (_{∼ 10 000 à l’état massif) et une rigidité diélectrique bien plus faible} (_{∼ 6 kV.mm}−1_{). Le matériau CCTO n’échappe pas à cette règle, et la permittivité relative co-}

lossale (150 000) est accompagnée d’une rigidité diélectrique estimée à environ 0,5 kV.mm−1. Ceci permet d’expliquer pourquoi la tension d’utilisation est trois fois plus

élevée dans le cas du composant Z5U (par rapport au composant CCTO). Notons qu’un pa- ramètre important est à prendre en compte : il a été largement démontré dans la littérature que la rigidité diélectrique des céramiques connaît une forte augmentation pour les très faibles

épaisseurs d’échantillon. Ceci est dû à une plus faible probabilité de rencontrer des défauts créant un chemin de conduction du courant dans le cas d’échantillons de faibles épaisseurs. Dans le cas du CCTO, la nécessité d’avoir une épaisseur de couche minimum de 40 µm ne nous permet pas d’observer ce comportement. De plus, il a également été démontré que pour plusieurs céramiques telles que CCTO [12], BaTiO3, TiO2 et MgO [13], la tenue en tension

augmente lorsque la taille des grains de la céramique diminue, selon une loi pouvant être décrite par la relation suivante : E _{∼ G}−a_{où E est le champ de rupture, G la taille des grains}

et a une constante valant 0,5. Ce phénomène est attribué à une meilleure homogénéité des cé- ramiques à faible taille de grains. La permittivité relative augmentant avec la taille des grains de CCTO, on comprend alors aisément que la tenue en tension varie de manière opposée à la permittivité, pénalisant les propriétés en tension des composants à base de CCTO.

5.3.2 Remplacement de condensateurs électrolytiques par des multi-

couches de CaCu

Ti

O

Dans cette partie, nous nous intéressons aux condensateurs électrolytiques présents sur la carte de commande des interrupteurs IGBT. Comme nous l’avions précisé précédemment, ces condensateurs sont de taille largement supérieure aux autres composants présents sur la carte et imposent la hauteur du packaging. Les composants entourés d’un cercle rouge sur la figure 5.13 sont des condensateurs électrolytiques dont les caractéristiques de fonctionnement sont les suivantes :

. C = 10 µF (2 kHz) . V = 30 V

. i = 500 mA

FIG. 5.13 – Localisation des condensateurs électrolytiques de capacité 10 µF (2 kHz) sur la carte de commande

Nous avons envisagé d’élaborer des condensateurs multicouches de CCTO présentant les mêmes caractéristiques électriques. Un premier facteur est à prendre en compte : la tension de fonctionnement de 30 V nécessite, d’après nos précédents résultats, une épaisseur de CCTO entre les électrodes internes égale à 250 µm. Avec notre configuration d’électrodes internes (30 mm2), cette épaisseur correspond à une capacité de 90 nF. En multipliant par 4 la surface d’électrodes internes (soit 1,2 cm2), cette épaisseur correspond à une capacité de 360 nF. L’obtention d’une capacité de 10 µF impose alors la mise en parallèle de 28 capacités élémentaires, soit une épaisseur de composant multicouches totale de 0,7 cm. La figure 5.14 permet de comparer les dimensions de condensateurs de capacité 10 µF élaborés à partir des technologies électrolytique et céramique multicouches.

FIG. 5.14 – Comparaison des dimensions de condensateurs 10 µF pour deux technologies différentes : électrolytique et multicouches CCTO

Il apparaît que pour une même capacité (10 µF) sous une tension de 30 V, le condensateur multicouches à base de CCTO présente une hauteur (0,7 cm) inférieure à celle du condensateur électrolytique (1 cm). Dans le cas du condensateur céramique, la surface oc- cupée sur la carte est légèrement plus élevée mais ne constitue pas un paramètre rédibitoire. La diminution de hauteur engendrée lors du remplacement des condensateurs électrolytiques de capacité 10 µF est un premier pas vers l’intégration de composants passifs permettant une diminution du volume du packaging de la carte électronique de commande. De plus, les condensateurs électrolytiques sont polarisés (respect du sens de montage), possèdent une ré- sistance série importante et une durée de vie qui diminue rapidement lorsqu’ils fonctionnent à une température éloignée de leur température nominale d’emploi. Les condensateurs à base de CCTO ne sont pas polarisés et leurs propriétés varient très peu avec la tempérarure, ce qui fait du CCTO un matériau attractif pour la fabrication de condensateurs céramiques.

Dans le document Elaboration et caractérisation de condensateurs à base de CaCu3Ti4O12 à forte permittivité relative pour l'électronique de puissance (Page 147-151)