L'invention a trait à un procédé d'isolation électrique superficielle d'un conducteur dont la surface contient au moins 98% de cuivre.
Le problème de l'isolation de conducteurs de ce genre revêt une extrême importance dans l'électrotechnique. Aussi de nombreux procédés ont-ils vu le jour pour le résoudre. Dans la plupart d'entre eux, on recouvre la surface de la pièce avec une couche d'un diélectrique, en général organique, liquéfié par dissolution dans un solvant, lui aussi organique, et on évapore le solvant, soit en laissant la pièce ainsi revêtue sécher naturellement, ce qui est très lent, soit en la chauffant afin d'accélérer l'évaporation.
Parfois, le séchage a lieu sous vide, ce qui nécessite une installation relativement coûteuse. La température à laquelle une pièce isolée de cette façon peut travailler est limitée, car les diélectriques organiques se décomposent à des températures relativement basses, de l'ordre de 100"C à 200" C. La couche isolante obtenue de la sorte est assez épaisse, ce qui pose des problèmes de craquelures lorsque la pièce doit subir, au cours de son utilisation subséquente, des pliures, notamment lorsque la pièce est un conducteur filiforme (monofil, câble, bande, ruban, etc.), destiné à être bobiné avant d'être incorporé dans un produit électrotechnique tel qu'un moteur, un transformateur, un relais, etc.
Pour éviter cet écueil, on tend à réduire le plus possible l'épais- seur de la couche isolante, ce qui pose le problème de la continuité de cette dernière et abaisse la tension qui peut lui être appliquée sans risque de claquage. On a proposé d'améliorer la tenue à la température en recourant à des couches isolantes du type céramique, formées notamment d'oxydes et, en particulier, d'oxyde d'aluminium. On se heurte dans ce cas au problème de la porosité de la couche isolante, problème dont la solution nécessite des précautions particulières qui renchérissent la fabrication de ces pièces.
Il existe un procédé décrit dans le brevet USA N" 3564565 qui consiste à utiliser un revêtement en nitrure de bore obtenu par une déposition chimique en phase vapeur au cours de laquelle l'isolant est produit par pyrolyse d'un flux de vapeurs contenant du bore et de l'azote. Ce procédé nécessite un raitement préliminaire de la surface à isoler, traitement qui consiste à modifier la structure cristalline de la couche superficielle de cuivre afin de favoriser l'adhésion du nitrure de bore déposé lors de la pyrolyse subséquente.
La présente invention résout le même problème, mais en utilisant comme isolant de l'alumine, c'est-à-dire de l'oxyde d'aluminium, déposé sur la surface à isoler, surface qui a été préalablement traitée en vue d'accroître l'adhérence de l'alumine.
Elle a pour objet un procédé caractérisé par le fait que l'on soumet ladite pièce à un traitement préliminaire consistant à revêtir
sa surface d'une couche d'accrochage formée d'au moins un élément chimique capable de s'allier au cuivre et que l'on dépose sur la
surface ainsi traitée une couche isolante d'alumine obtenue par
déposition chimique en phase vapeur en procédant, dans une enceinte dont la pression est comprise entre 0,1 torr et 100 torrs, à une réaction de pyrohydrolyse de chlorure d'aluminium, la température de ladite pièce étant maintenue, durant cette pyrohydrolyse, à une valeur au moins égale à 4000 C.
La couche d'accrochage a une épaisseur comprise entre 20 Â
et 10000 , de façon à former, au cours de l'échauffement auquel
la pièce est soumise avant et pendant la déposition chimique en phase vapeur de l'alumine, un alliage, au moins partiel, avec le
cuivre de la surface.
On peut réaliser cette couche d'accrochage en recourant soit à
la technique connue de condensation sous vide de vapeurs de
l'élément choisi pour la constituer, soit à la déposition chimique
en phase vapeur de cet élément, soit de toute autre manière.
En revanche, la couche d'alumine est réalisée exclusivement
par déposition chimique en phase vapeur, et cela en recourant à la réaction de pyrohydrolyse obtenue en mettant en présence, dans une enceinte à pression réduite, de la vapeur de chlorure d'aluminium AICI3 et de la vapeur d'eau H2O, chacun de ces composants actifs étant introduit dans cette enceinte séparément et de façon continue à l'aide d'un courant d'un gaz porteur constitué par de l'hydrogène ou de l'argon. La surface de la pièce à recouvrir d'alumine doit être portée à une température suffisamment élevée pour que se produise l'alliage, au moins partiel, de la couche d'accrochage avec le cuivre que contient cette surface.
Cette température peut être modifiée, avant ou en cours de déposition, selon un programme donné, mais elle reste pendant la déposition, supérieure à 400"C. Les débits des composants actifs et leurs concentrations sont déterminés par des essais préalables, car ces paramètres dépendent des dimensions et de la forme de la pièce à isoler, des conditions d'écoulement, et de la vitesse de croissance de la couche. Dans tous les cas, la température de la pièce doit atteindre 4000 C au moins. Si la température est inférieure à cette valeur, la couche d'alumine adhère mal sur le substrat.
Pour favoriser la réaction qui se produit à la surface du substrat et diminuer celle qui se produit au sein de la phase vapeur, on abaisse la pression dans l'enceinte où s'effectue la réaction de pyrohydrolyse juqu'à une valeur réduite qui est, de préférence, comprise entre 0,1 torr et 100 torrs.
La durée pendant laquelle la pièce est soumise à la réaction détermine l'épaisseur de la couche d'alumine obtenue, donc la tension de disruption que la pièce peut supporter. Cette épaisseur est comprise entre 0,1 et 100 microns.
Le procédé décrit permet d'obtenir des couches isolantes en alumine parfaitement continues, non poreuses, dont les tensions de disruption sont de l'ordre du kilovolt pour des épaisseurs de l'ordre du micron. De plus, ces couches ont une bonne adhérence sur leurs substrats et, vu leurs faibles épaisseurs, ont une souplesse qui permet à ces derniers de subir des pliages sans que des phénomènes d'écaillage ou de craquelure se manifestent.
Exemples:
Dans tous les exemples ci-dessous, les échantillons étaient des plaquettes en cuivre pur (à 99,9%), de forme ronde ou carrée, ayant une superficie de l'ordre de quelques cm2.
Dans chaque cas, l'élément choisi pour réaliser la couche d'accrochage, en l'occurence un métal M , a été déposé par condensation sous vide de vapeurs de ce métal, cette condensation étant poursuivie jusqu'à ce que la couche atteigne une épaisseur e .
Chacun des échantillons ainsi préparé a été placé dans une enceinte contenant de l'hydrogène H2 à une pression inférieure à
5 torrs. L'enceinte était équipée d'un moyen de chauffage qui portait l'échantillon à une température de 5000 C en 3 mn environ.
Sitôt cette température atteinte, les composants actifs et leurs gaz porteurs (H2) étaient amenés à circuler simultanément dans l'enceinte où la pression était maintenue stable à la valeur de 5 torrs, la température conservant la valeur de 5000 C, de sorte que la réaction de pyrohydrolyse commençait.
Réactifs:
AICI3, à 30 mg/mn-l +H2, à 600 cm3/mn -
H2O, à 6 mg/mn-l + H2, à 600 cm3/mn-1
On poursuivait la réaction de pyrohydrolyse durant une durée D sans modifier les conditions de débit, de pression et de température, après quoi on interrompait l'arrivée des réactifs et on coupait le chauffage. On laissait l'échantillon se refroidir, on l'extrayait de l'enceinte et on mesurait l'épaisseur E de la couche d'alumine obtenue, ainsi que sa tension de disruption V .
Les résultats obtenus au cours des divers essais sont rassemblés dans le tableau ci-dessous.
Essai M e D E V
(Angström) (minute) (micron) (Volt)
I Al 1000 15 4,0 3000
II Al 50 20 4,4 4500
III Mn 200 15 6,3 3900
IV Zr 200 10 4,0 7000
II. Conducteur électrique, isolé superficiellement selon le procédé de la revendication I, caractérisé par le fait que sa surface est revêtue d'une couche d'oxyde d'aluminium reposant sur une couche intermédiaire faite d'au moins un élément chimique allié, au moins partiellement, au cuivre du conducteur.
SOUS-REVENDICATIONS
Le procédé décrit s'applique à des pièces linéaires de formes diverses notamment à des conducteurs filiformes tels que des monofils, des bandes méplates, des rubans, qui peuvent être traités en continu, ainsi qu'à des pièces discrètes plus ou moins compliquées, telles que des plaquettes, des bornes, des cosses, etc., qui peuvent être traitées soit par lots, soit à la chaîne.
The invention relates to a method for the surface electrical insulation of a conductor whose surface contains at least 98% copper.
The problem of insulating such conductors is of great importance in electrical engineering. Also many processes have emerged to solve it. In most of them, the surface of the part is covered with a layer of a dielectric, generally organic, liquefied by dissolution in a solvent, also organic, and the solvent is evaporated, either by leaving the part as coated dry naturally, which is very slow, either by heating it to accelerate evaporation.
Sometimes the drying takes place under vacuum, which requires a relatively expensive installation. The temperature at which a room isolated in this way can work is limited, as organic dielectrics decompose at relatively low temperatures, in the range of 100 "C to 200" C. The insulating layer obtained in this way is quite thick. , which poses cracking problems when the part must undergo, during its subsequent use, bends, in particular when the part is a filiform conductor (monofilament, cable, strip, ribbon, etc.), intended to be wound before to be incorporated into an electrotechnical product such as a motor, a transformer, a relay, etc.
To avoid this pitfall, the tendency is to reduce the thickness of the insulating layer as much as possible, which poses the problem of the continuity of the latter and lowers the voltage which can be applied to it without risk of breakdown. It has been proposed to improve the temperature resistance by using insulating layers of the ceramic type, formed in particular of oxides and, in particular, of aluminum oxide. In this case, we come up against the problem of the porosity of the insulating layer, a problem the solution of which requires special precautions which make the manufacture of these parts more expensive.
There is a process described in US Patent No. 3564565 which consists in using a boron nitride coating obtained by chemical vapor deposition in which the insulation is produced by pyrolysis of a flow of vapors containing boron. and nitrogen This process requires a preliminary treatment of the surface to be isolated, a treatment which consists in modifying the crystalline structure of the surface layer of copper in order to promote the adhesion of the boron nitride deposited during the subsequent pyrolysis.
The present invention solves the same problem, but by using as insulator alumina, that is to say aluminum oxide, deposited on the surface to be insulated, a surface which has been previously treated with a view to increase the adhesion of alumina.
Its object is a process characterized by the fact that said part is subjected to a preliminary treatment consisting of coating
its surface of a bonding layer formed of at least one chemical element capable of alloying with copper and which is deposited on the
surface thus treated an insulating layer of alumina obtained by
chemical vapor deposition by carrying out, in an enclosure whose pressure is between 0.1 torr and 100 torr, a pyrohydrolysis reaction of aluminum chloride, the temperature of said room being maintained, during this pyrohydrolysis, at a value at least equal to 4000 C.
The tie layer has a thickness between 20 Å
and 10,000, so as to train, during the warm-up in which
the part is subjected before and during the chemical vapor deposition of alumina, an alloy, at least partially, with the
copper from the surface.
This bonding layer can be produced using either
the known technique of vacuum condensation of vapors of
the element chosen to constitute it, i.e. chemical deposition
in the vapor phase of this element, or in any other way.
On the other hand, the alumina layer is produced exclusively
by chemical vapor deposition, and this by resorting to the pyrohydrolysis reaction obtained by bringing together, in a chamber at reduced pressure, aluminum chloride vapor AICI3 and water vapor H2O, each of these active components being introduced into this chamber separately and continuously using a stream of a carrier gas consisting of hydrogen or argon. The surface of the part to be covered with alumina must be brought to a sufficiently high temperature so that the alloying, at least partially, of the bonding layer with the copper contained in this surface occurs.
This temperature can be modified, before or during deposition, according to a given program, but it remains during the deposition, greater than 400 "C. The flow rates of the active components and their concentrations are determined by preliminary tests, because these parameters depend on the size and shape of the part to be insulated, the flow conditions, and the rate of growth of the layer. In all cases, the temperature of the part must reach at least 4000 C. If the temperature is lower at this value, the alumina layer adheres poorly to the substrate.
To promote the reaction which occurs at the surface of the substrate and reduce that which occurs within the vapor phase, the pressure is lowered in the chamber where the pyrohydrolysis reaction is carried out to a reduced value which is, preferably between 0.1 torr and 100 torr.
The time during which the part is subjected to the reaction determines the thickness of the alumina layer obtained, and therefore the disruption voltage that the part can withstand. This thickness is between 0.1 and 100 microns.
The method described makes it possible to obtain perfectly continuous, non-porous insulating layers of alumina, the disruption voltages of which are of the order of one kilovolt for thicknesses of the order of one micron. In addition, these layers have good adhesion to their substrates and, given their low thicknesses, have a flexibility which allows the latter to undergo bending without flaking or cracking phenomena occurring.
Examples:
In all of the examples below, the samples were pure copper (99.9%) platelets, round or square in shape, having an area of the order of a few cm 2.
In each case, the element chosen to produce the bonding layer, in this case a metal M, was deposited by vacuum condensation of vapors of this metal, this condensation being continued until the layer reaches a thickness e.
Each of the samples thus prepared was placed in an enclosure containing hydrogen H2 at a pressure below
5 torr. The enclosure was equipped with a heating means which brought the sample to a temperature of 5000 ° C. in approximately 3 minutes.
As soon as this temperature was reached, the active components and their carrier gases (H2) were caused to circulate simultaneously in the chamber where the pressure was kept stable at the value of 5 torrs, the temperature retaining the value of 5000 C, so that the pyrohydrolysis reaction began.
Reagents:
AICI3, at 30 mg / min-l + H2, at 600 cm3 / min -
H2O, at 6 mg / min-l + H2, at 600 cm3 / min-1
The pyrohydrolysis reaction was continued for a period D without modifying the flow, pressure and temperature conditions, after which the arrival of the reactants was interrupted and the heating was cut off. The sample was allowed to cool, it was extracted from the enclosure and the thickness E of the alumina layer obtained, as well as its disruption voltage V, was measured.
The results obtained during the various tests are collated in the table below.
Test M e D E V
(Angström) (minute) (micron) (Volt)
I Al 1000 15 4.0 3000
II Al 50 20 4.4 4500
III Mn 200 15 6.3 3900
IV Zr 200 10 4.0 7000
II. Electrical conductor, superficially insulated according to the method of Claim I, characterized in that its surface is coated with a layer of aluminum oxide resting on an intermediate layer made of at least one alloyed chemical element, at least partially , to the conductor copper.
SUB-CLAIMS
The method described applies to linear parts of various shapes, in particular to filiform conductors such as monofilaments, flat bands, tapes, which can be treated continuously, as well as to more or less complicated discrete parts, such as as wafers, terminals, terminals, etc., which can be processed either in batches or in the assembly line.