FR2494890A1 - Procede pour ameliorer l'isolation electrique d'un empilage de films dielectriques metallises et appareil de mise en oeuvre dudit procede - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN PROCEDE POUR AMELIORER L'ISOLATION ELECTRIQUE ENTRE LES COUCHES METALLIQUES D'UN EMPILEMENT DE FILMS DIELECTRIQUES METALLISES TEL QUE PAR EXEMPLE UN CONDENSATEUR. LE PROCEDE SELON L'INVENTION EST CARACTERISE EN CE QUE L'EMPILEMENT DE FILMS DIELECTRIQUES EST SOUMIS A L'ACTION D'UN MILIEU IONISE 23, AYANT UNE ENERGIE SUFFISANTE POUR ATTAQUER ET VOLATILISER LA COUCHE METALLISEE AU CONTACT DE CELUI-CI, MAIS INSUFFISANTE POUR PROVOQUER UNE ALTERATION DES COUCHES DIELECTRIQUES. DE PREFERENCE, CE MILIEU IONISE EST CREE PAR UNE TENSION ALTERNATIVE DE FREQUENCE VARIANT ENTRE 1 ET 100KILOHERTZ SOUS UNE TENSION EFFICACE DE 2 A 10.10V. METRE. APPLICATION: TRAITEMENT ET AJUSTAGE DES CONDENSATEURS.

Description

La présente invention concerne un procédé pour ainéliorer l'isolation électrique entre les couches métalliques d'un ez"uilernent de films diélectriques métallisés.

L'utilisation d'empilements de films diélectriques métallisés est une technique bien connue pour réaliser, par exemple, des condensateurs. Dans ce but, on relie généralement les couches métallisées de rangs pairs entre elles et les couches métallisées de rangs irnpairs entre elles. On obtient alors un ensemble de condensateurs unitaires connectées en parallèle, dans lequel les couches métallisées jouent le rôle d'armatures, tandis que les films diélectriques jouent le rôle d'isolant. Généralement, on utilise des films diélectriques dont la métallisation s'étend jusqu'au bord d'une lisière, mais s'arrente peu avant le bord de l'autre lisière.On superpose ainsi des films diélectriques métallisés dont un premier ensemble possède par exemple une bordure non métallisée à droite et dont un second ensemble possède une bordure non métallisée à gauche, l'empilement étant réalisé par superposition alternative d'un film métallisé du premier ensemble et d'un film métallisé du second ensemble. De cette manière, les connexions électriques destinées à relier entre elles les armatures peuvent s'effectuer simplement par projection latérale de métal en fusion (ou schoopage), sans risque de contact électrique entre deux couches métalliques successives. Afin d'augmentir la fiabilité de tels condensateurs, on procède généralement à une opération supplémentaire consistant à décaler latéra!ement les deux ensembles de films.

Lorsque lesdits empilements ont été ainsi réalisés, ii convient alors de couper ceux-ci à la longueur voulue, afin de réaliser des condensateurs ayant la capacité désirée. Ce découpage effectue généralement à l'aide d'une lame tranchante, ou par sciage, ou bien encore par tout autre procédé de découpage approprié.

Après découpage, les couches métalliques situées sur les faces découpées ne sont séparées les une des autres que par l'épaisseur du film diélectrique. Celu-ci, au cours de l'opération de découpage peut avoir été écrasé, ce qui réduit considérablement la distance entre deux couches métallisées successives. Par ailleurs, ces couches métallisées sont directement au contact de l'air. II est donc aisé de comprendre, que les risques de court-circuit ou de décharge disruptive entre deux couches métallisées successives sont très élevés, du fait de la faible distance séparant deux couches métalliw sées à un potentiel différent et de la faible constante diélectrique de l'air ambiant.On constate d'ailleurs généralement que de tels condensateurs ne peuvent être utilisés que pour des tensions faibles, généralement inférieures à 100 volts.

Pour augmenter la tension rnaximale à laquelle peuvent être sournis ces condensateurs, il a déjà été proposé d'utiliser, par exemple, une lame chauffante pour le découpage desdits condensateurs. En effet, dans ce cas, on constate généralement qu'il se forme un bourrelet au niveau de la ligne de coupure du diélectrique. Les bourrelets de deux couches diélectriques successives se rejoignant, on réalise ainsi une isolation latérale desdits condensateurs, les couches métallisées étant généralement volatilisées dans les régions des bourrelets.

Toutefois, un tel procédé ne résout que partiellement le problème posé. En effet, les couches métallisées peuvent fort bien subsister sur les bourrelets et deux couches métallisées successives entrer ainsi en contact électrique. De cette façon, le condensateur ainsi réalisé est inutilisable.

Par ailleurs, le bourrelet susmentionné no peut mettre formé qu'à la condition que le Film diélectrique utilisé ait une température de fusion pas trop élevée: dans le cas contraire, la couche métallique est partiellement détruite à ladite température.

Plus récemment, il a été proposé de revêtir l'empilement de films diélectriques métallisés par un film de polyéthylène avant de procéder au découpage de l'ensemble. De cette façon, on constate que le polyéthylène vient se loger sur les tranches des condensateurs découpés et réaliser ainsi une isolation des couches métallisées successives.

Toutefois, un tel procédé n'est pas entièrement satisfaisant, car s'il permet une isolation des tranches des condensateurs réalisés, il ne permet pas d'éviter complètement les court-circuits entre deux couches métallisées successives, court-circuits qui peuvent être provoqués par l'opération de découpage elle-même qui tend à écraser le diélectrique et à rapprocher les couches métallisées les unes des autres.

Le procédé selon l'invention permet d'éviter ces inconvénients.

Dans ce but, ledit procédé est caractérisé en ce que l'empilement de films diélectriques métallisés est soumis à I'action d'un milieu ionisé ayant une énergie suffisante pour attaquer et volatiliser la couche métallisée au contact de celui-ci, mais insuffisante pour provoquer une altération des couches diélectriques.

On a en effet constaté que, d'une manière surprenante, l'utilisation d'un milieu ionisé ayant une énergie adaptée, permettait d'attaquer les couches métallisées situées sur la bordure des faces découpées de l'empilement diélectrique. On constate alors que lesdites couches métallisées sont volatilisées sur une faible largeur en bordure du film diélectrique ce qui augmente la distance entre les extrémités latérales de deux couches métallisées successives, et permet ainsi une augmentation substantielle de la tension maximale d'utilisation des condensateurs ainsi réalisés.

En utilisant un milieu ionisé ayant une énergie adaptée, on constate que cette démétallisation ne se produit que sur les bordures desdits films métallisés. En effet, la distance entre deux couches diélectriques successives n'étant que de l'ordre de quelques centaines d'angstroems (épaisseur de la couche métallisée) les ions ne peuvent pénétrer très profondérnent entre ces deux couches diélec triques. S'ils avaient une énergie suffisante pour pénétrer beaucoup plus profondément, ils réaliseraient alors un endommagement des films diélectriques correspondants.

Suivant la nature de la couche métallique et de la couche diélectrique, ainsi que J'épaisseur de ces couches, I'homrne de l'art pourra sans difficulté avec les indications données ci-dessus déterminer dans chaque cas les limites à ne pas dépasser pour obtenir à la fois une démétallisation sur une distance suffisante pour augmenter la résistance d'isolement et éviter un endommagement des filrns diélectriques, un tel endommagement tendant à diminuer ladite résistance d'isolement.Par de simples manipulations expérimentales, l'homme de l'art pourra ainsi facilement déterminer l'efficacité maximum du traitement par la mesure de la tension maximale d'utilisation d'un type de condensateurs déterminé en faisant varier les différents paramètres du traitement telles que l'intensité du milieu ionisé et la durée du traitement.

De préférence, un tel traitement sera généralement réalisé après découpage des condensateurs unitaires à partir d'un empilement ou condensateur "mère".

I1 est également généralement souhaitable de réaliser un tel traitement après projection latérale de métal ou "schoopage" afin de réaliser les connexions électriques entre les différentes armatures.

Un autre avantage résultant du procédé décrit ci-dessus réside dans le fait que ce traitement, parce qu'il enlève une faible partie des armatures des condensateurs élémentaires, entraîne une diminution de la capacité desdits condensateurs. Cette évolution de la valeur de la capacité peut être contrôlée, soit par le temps de traitement, soit par l'intensité du milieu ionisé (en particulier la valeur du champ électrique appliqué, ainsi qu'on le verra ci-après) et permettre ainsi un ajustage à une valeur précise de la capacité des condensateurs ainsi traités.

Selon un mode préférentiel de réalisation, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le milieu ionisé est obtenu à l'aide d'un champ électrique alternatif de fréquence comprise entre 1 kilohertz et 100 kilohertz.

L'intensité du charnp électrique utilisé est variable et dépend de nombreux paramètres liés à la nature des empilements ainsi qu'on l'a vu ci-dessus. Toutefois, I'intensité dudit champ électrique sera généralement comprise entre 2.106 Veff./mBtre et lü.106 Veff./mètre.

De même, la durée du traitement sera généralement comprise entre 0,3 et 3 secondes.

Ce traitement peut bien entendu s'appliquer à tout type d'empilement de films diélectriques métallisés. Toutefois, on utilisera de préférence comme diélectrique les polyoléfines, tels que le polyéthylène, polypropylène, etc..., le polycarbonate, le polysulfone, ainsi que les polyesters, tels que le polytérephtalate d'éthylène, etc.

L'épaisseur de tels films métallisés dépend bien -entendu des applications des empilements ainsi réalisés. Généralement, I'épaisseur de ces films variera entre 1 et 20 microns.

Les métaux utilisés pour la réalisation de tels empilernents sont des métaux facilement déposables sur les films diélectriques cités plus haut par les techniques bien connues d'évaporation sous vide, de "sputtering", etc. De préférence, on utilisera l'aluminium et le zinc. L'épaisseur de métal déposé sera telle que la résistance "carré" sera comprise entre 0,5 ohm et 5 ohms. Au delà de ces limites, la métallisation est soit trop mince et présente des défauts de surface, soit trop épaisse et donc inintéressante économiquement.De plus, le condensateur perd sa faculté d'auto-cicatrisatrion dans ce dernier cas.

L'invention concerne également un appareil de mise en oeuvre du procédé ci-dessus. Cet appareil est essentiellement caractérisé en ce qu'il corn?orte deux électrodes planes en reyard l'une de l'autre alimentées par un générateur (3e tension alternative. De préférence, la fréquence de ladite tension alternative variera entre 1 kilohertz et 100 kilohertz.

Selon un mode préférentiel de réalisation, l'appareil selon l'invention est également caractérisé en ce que la tension entre les deux électrodes peut varier entre 10 kilovolts et 50 kilovolts efficaces.

De préférence, les deux électrodes seront distantes des faces de l'empilement à traiter de 0,5 à 5 mm.

La surface des électrodes utilisées peut varier dans de grandes limites suivant la façon dont on effectue le traitement. De préférence, cete surface variera entre 0,2 et 2 cm2. Lesdites électrodes seront généralement entourées d'un diélectrique plan disposé parallèlement à elles et de surface supérieure à celle des électrodes, afin d'uniformiser le champ électrique.

Selon un mode préférentiel de réalisation, les électrodes seront réalisées par métallisation dudit diélectrique plan. Ce diélectrique pourra être réalisé sous forme de plaque en oxyde métallique fritté, de préférence en alumine frittée.

L'appareil selon l'invention peut être équipé de plusieurs paires d'électrodes entre lesquelles règne le même champ électrique ou un champ électrique différent, suivant les résultats désirés. On peut ainsi effectuer le traitement en plusieurs étapes successives, en contrôlant éventuellement les résultats entre chaque étape. Ceci est particulièrement intéressant lorsqu'on utilise le procédé selon l'invention pour ajuster de façon précise, la valeur des condensateurs traités.

L'appareil selon l'invention comporte également des moyens pour supporter l'empilement à traiter, lesdits moyens étant tels que les surfaces à traiter soient sensiblement perpendiculaires au champ électrique créé. De plus, il est également prévu des moyens d'avance pour déplacer l'empilement entre les électrodes, la vitesse de déplacement desdits empilements étant généralement comprise entre 0,i et 5 cm/seconde.

Les empilements réalisés ainsi que décrit ci-dessus présentent généralement une surface métallisée à l'air libre située au-dessus ou au-dessous de l'empilement. Au cours de l'opération de traitement, on pourra soit laisser cette couche métallisée à l'air libre auquel cas la métallisation sera volatilisée sur toute la surface, soit recouvrir ladite surface métallisée avec un film diélectrique de protection.

L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants donnés à titre non limitatif, conjointeinent avec les figures qui représentent
- la figure 1, un empilement de films diélectriques métallisés,
- la figure 2, une coupe suivant BB de l'empilement de la figure 1,
- la figure 3, une vue de la coupe BB de la figure 2 sur sa face
F avant traitement,
- la figure 4, une vue identique à la figure 3 après traitement selon l'invention.

Sur la figure 1, on a représenté un empilernent de films métallisés. Les couches 1, 2 et 3 représentent les couches métallisées, tandis que les couches 4, 5 et6 représentent les couches de films diélectriques. Cet empilement peut etre réalisé par tous procédés bien connus de l'homme de liard tels que décrits par exemple dans les brevets français 903 040 et 2 011 553.

Sur la figure 2 est représentée une coupe de l'empilement de la figure 1 selon le plan BB. Sur cette figure, les mêmes éléments que ceux de la figure précédente portent les mêmes références. On remarquera sur cette figure les zones non métallisées 7, 8 et 9.

Ainsi que cela a été expliqué ci-dessus, ces zones non métallisées sont situées alternativement sur une. bordure du film métallisé et sur la bordure opposée, afin de faciliter les connexions électriques latérales ou "schoopages". Sur cette figure 2, il est à remarquer que les schoopages ne sont pas représentés, I'opération de traitement décrite ci-dessous pouvant en effet s'effectuer avant ou après schoopage.

Sur la figure 3, est représentée la face F de la coupe BB de la figure 2. Sur cette figure, les mêmes éléments que ceux des figures préct5dentes portent les mêrnes références. I a coupe représentée sur cette figure 3 illustre l'état de la face F avant traitement. Les couches métallisées 1, 2 et.3 ont la même longueur que les couches diélectriques 4, 5 et 6. Il est donc aisé de voir sur cette figure que deux couches métallisées successives telles que par exemple les couches 1 et 2 peuvent être mises en court-circuit lorsque la différence de potentiel entre ces deux couches métallisées devient trop élevée, en particulier si la bordure du film diélectrique 4 a été écrasée au cours de l'opération de découpage.

Sur la figure 4 est reprsentée une vue identique à celle de la figure 3 après traitement selon l'invention. Ainsi qu'on peut le constater, les couches métallisées ont été attaquées sur les bordures des films diélectriques 4, 5, ó, sur une distance égale à d. Si e est l'épaisseur du film diélectrique 4, on voit que la distance entre les extrémités des couches métallisées 1 et 2 est maintenant égale à 2d + e alors que cette distance n'était égale qu'à e avant traitement.

La figure 5 représente un appareil de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Sur cette figure, n'ont été représentés que les éléments essentiels dudit appareil, sous forme schématique.

Deux plaques diélectriques en alumine frittée 10,11, sont munies respectivement d'électrodes 12,13, déposées sur les plaques 10 et 11.

Ces électrodes 12 et 13 sont respectivement reliées par l'intermédiaire des connexions 14 et 15 au secondaire 19 d'un transformateur 18 dont le primaire 20 est alimenté par une source de tension alternative 21. Entre les deux extrémités 16 et 17 du secondaire 19, dont le point milieu 22 est relié à la masse, existe une différence de potentiel variable entre 10 et 50 kilovolts efficaces. Sous l'action de cette différence de potentiel, le milieu gazeux se trouvant entre les électrodes 12 et 13 subit une ionisation. Ce milieu gazeux sera généralement l'air ambiant. Toutefois, suivant les résultats désirés, on pourra injecter entre les électrodes différents gaz inertes ou agressifs tels que l'azote, I'ammoniaque, etc.

Sur cette figure, n'ont pas été représentés les moyens pour supporter les empilements ainsi que les moyens d'avance desdits empilements. Ceux-ci seront généralement constitués d'un simple tapis roulant supportant lesdits empilements et se déplaçant à vitesse variable suivant les résultats que l'on veut obtenir.

EXEMPLES On a réalisé un empilement de films diélectri ques d'épaisseur 3 microns en polytérephtalate d'étnylène, revêtu d'une couche de 200 angstroems d'aluminium. Après projection latérale de métal en fusion pour réaliser les connexions de schoopage, l'empilement ou condensateur "mère" a été découpé en condensateurs unitaires de longueur 0,5 centimètre. La laryeur des films diélectriques utilisés était de 0,5 centirnxtre. L'épaisseur de l'empilement réalisé était de 1,5 millimètre.Lesdits condensateurs unitaires sont ensuite disposés sur un tapis roulant et introduits entre les électrodes de l'appareil de la figure 5, avec leurs faces découpées en regard desdites électrodes. La vitesse d'avance du tapis roulant était de 0,5 centimètre par seconde.

L'appareil était constitué de plaques d'alumine frittée d'épaisseur 1 millimètre, de longueur 2 centimètres et de largeur 1 centimètre. Sur ces plaques a été déposée, par sérigraphie, une argenture par érnaillage afin de constituer les électrodes 12 et 13.

Ces électrodes étaient de forme rectangulaire, disposées sensiblement au centre des plaques 10 et 11, de dirnensions respectives 1 centimètre x 0,5 centimètre, et d'épaisseur 1/10 de mm. La distance entre les deux plaques 10 et 11 était de 1 centimètre. On a appliqué au secondaire du transformateur 18 une tension de 25 kilovolts efficaces, de fréquence 30 kilohertz.

De cette manière, lesdits condensateurs ont été soumis pendant environ 3 secondes à un champ électrique de 5.106 volts/mètre.

On a mesuré les pertes à 1 KHz (ou tg S > ) d'un lot de dix condensateurs avant traitement, et après le traitement décrit cidessus. Les résultats obtenus sont les suivants

<tb> <SEP> Condensateur <SEP>
<tb> <SEP> N <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> 6 <SEP> 7 <SEP> 8 <SEP> 9 <SEP> 10
<tb> <SEP> 104 <SEP> x <SEP> tg <SEP> #
<tb> avant <SEP> traitement <SEP> 57 <SEP> 55 <SEP> 59 <SEP> 71 <SEP> 80 <SEP> 440 <SEP> 60 <SEP> 53 <SEP> 53 <SEP> 54
<tb> <SEP> 104 <SEP> x <SEP> tg <SEP> #
<tb> après <SEP> traitement <SEP> 50 <SEP> 51 <SEP> 51 <SEP> 52 <SEP> 53 <SEP> 52 <SEP> 54 <SEP> 52 <SEP> 52 <SEP> 50
<tb>
On constate donc une uniformisation de la tangente de l'angle de perte après traitement, ce qui permet d'obtenir des condensa tueurs d'un même lot ayant tous une tension isolation améliorée ainsi qu'une valeur de la capacité sensiblement identique.

Claims (20)

REVENDICATIONS

1. Procédé pour améliorer l'isola Lion électrique entre les couches métalliques d'un empilement de films diélectriques métallisés, caractérisé en ce que- l'empilement de films diélectriques est soumis à l'action d'un milieu ionisé ayant une énergie suffisante pour attaquer ou volatiliser la couche métallisée au contact de celui-ci, mais insuffisante pour provoquer une altération des couches diélectriques.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'empilement est soumis à l'action du milieu ionisé après réalisation des connexions latérales de ichoopage.

3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'action du milieu ionisé est réalisée après découpage de l'empilement de films diélectriques métallisés.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le milieu ionisé est obtenu à l'aide d'un champ électrique alternatif, de fréquence comprise entre 1 kilohertz et 100 kilohertz.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'intensité du champ électrique est comprise entre 2 x 106 Veff. x m et 10 Veff. x m.

6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la durée du traitement est comprise entre 0,3 et 3 secondes.

7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le film diélectrique est choisi parmi les polyoléfines, le polycarbonate, le polysulfone, et les polyesters, son épaisseur étant comprise entre 1 et 20 microns.

8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le métal qui recouvre les films diélectriques est choisi parmi l'aluminium et le zinc, son épaisseur étant telle que la résistance "carré" varie entre 0,5 ohm et 5 ohms.

9. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte deux élec- trodes planes en regard l'une de l'autre, alirnentées par un générateur de tension alternative dont la fréquence varie entre 1 kilohertz et 100 kilohertz.

10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que la tension entre les deux électrodes, fournie par le secondaire d'un transformateur, varie entre 10 et 50 kilovolts efficaces.

11. Appareil selon llune des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que les deux électrodes sont distantes de 0,5 à 5 mm respectivement des faces de l'empilement à traiter.

12. Appareil selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la surface des électrodes varie entre 0,2 et 2 cm2.

13. Appareil selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que les électrodes sont entourées d'un diélectrique plan disposé parallèlement aux dits électrodes.

14. Appareil selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que les électrodes sont réalisées par métallisation du diélectrique.

15. Appareil selon l'une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que le diélectrique est un oxyde métallique.

16. Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce que oxyde métallique est obtenu par frittage.

17. Appareil selon l'une des revendications 9 à 16, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour supporter l'empilement de films diélectriques à traiter, lesdits moyens étant tels que les surfaces à traiter sont sensiblement perpendiculaires au champ électrique.

18. Appareil selon l'une des revendications 9 à 17, caractérisé en ce qu'il comporte également des moyens d'avance pour déplacer l'empilement à travers le milieu ionisé.

19. Appareil selon l'une des revendications 9 à 18, caractérisé en ce que la vitesse de déplacement de l'empilement de films diélectriques métallisés varie entre 0,1 et 5 cm/s.

20. Appareil selon l'une des revendications 9 à 19, caractrérisé en ce qu'il comporte également des moyens pour appliquer une feuille de protection sur la couche métallique supérieure de l'empi- lement avant pénétration de celui-ci dans le milieu ionisé.