TITLE: Polymer film type capacitor with a high-temperature stability.
European Patent Application EP0266245 A1

ABSTRACT:
Abstract not available for EP0266245
Abstract of corresponding document: US4768130
The invention pertains to a capacitor of a thermostable polymer film
type. The polymer used is polyphenylquinoxaline or polyhydantoin. The
polymer film may be obtained by casting with organic solutions. The
capacitor can also be obtained with supporting films covered with
metallizations coated with this thermostable polymer.

INVENTORS:
Bernard, Gilles
Bureau, Jean-marc
Dubois, Jean-claude
Zattara, Jean-luc

APPLICATION NUMBER: EP19870402219
PUBLICATION DATE: 05/04/1988
FILING DATE: 10/06/1987

ASSIGNEE: Europ, Composants Electron (FR)
INTERNATIONAL CLASSES: H01G4/18; (IPC1-7): H01G4/18
EUROPEAN CLASSES: H01G4/18

FOREIGN REFERENCES:
3649892 CAPACITORS UTILIZING BONDED DISCRETE POLYMERIC FILM DIELECTRICS
GB2039929A
DD65313A

OTHER REFERENCES:
REVUE GENERALE DE L'ELECTRICITE, vol. 83, no. 5, mai 1974, pages
299-304, Paris, FR; E. REESE: "Isolants en feuilles dans
l'électrotechnique"

CLAIMS:
1. Condensateur du type £a film de polym£ere, caract¢eris¢e en ce que
ledit polym£ere est un polyph¢enylquinoxaline ou un polyhydanto·ine.
2. Condensateur selon la revendication 1, caract¢eris¢e en ce qu'il est
form¢e d'une pluralit¢e de condensateurs ¢el¢ementaires, chaque
condensateur ¢el¢ementaire ¢etant constitu¢e d'un ¢el¢ement dudit film
de polym£ere compris entre une premi£ere armature et une seconde
armature, des ¢electrodes reliant les premi£eres armatures entre elles
et les secondes armatures entre elles.
3. Condensateur selon la revendication 2, caract¢eris¢e en ce que le
film de polym£ere (30) est employ¢e nu et que chaque ¢el¢ement dudit
film est enserr¢e entre des premi£eres (31) et des secondes (32)
armatures.
4. Condensateur selon la revendication 2, caract¢eris¢e en ce que le
film de polym£ere (40) est m¢etallis¢e sur une de ses faces, cette
m¢etallisation jouant le r¥ole de premi£eres (41) et de secondes (42)
armatures.
5. Condensateur selon la revendication 2, caract¢eris¢e en ce que ledit
film de polym£ere est constitu¢e de d¢ep¥ots (50) effectu¢es sur les
premi£eres (51) et secondes (52) armatures.
6. Condensateur selon la revendication 5, caract¢eris¢e en ce que
chaque face principale desdites armatures supporte un d¢ep¥ot de
polym£ere.
7. Condensateur selon la revendication 2, caract¢eris¢e en ce que les
armatures sont constitu¢ees de m¢etallisations (61, 62) d¢epos¢es sur
un film support (60), les m¢etallisations ¢etant elles-m¥emes enduites
de couches dudit polym£ere (63,64).
8. Condensateur selon la revendication 7, caract¢eris¢e en ce que le
film support (60) est ¢egalement du type polyph¢enylquinoxaline ou
polyhydanto·ine, du polyimide ou du polyt¢etrafluoro¢ethyl£ene.
9. Condensateur selon la revendication 7, caract¢eris¢e en ce que le
film support (60) est en polycarbonate ou en poly¢ethyl£ene
t¢erephtalate.

DESCRIPTION:
CONDENSATEUR DU TYPE A FILM DE POLYMERE ET A STABILITE EN TEMPERATURE
ELEVEE
La pr¢esente invention concerne des condensateurs du type £a film de
polym£ere et poss¢edant une stabilit¢e en temp¢erature ¢elev¢ee.
Il est connu de r¢ealiser des condensateurs £a base de films
di¢electriques minces m¢etallis¢es et empil¢es, les films ¢etant en un
polym£ere tel que le polyester, le polycarbonate ou le polypropyl£ene.
Les permittivit¢es di¢electriques de ces polym£eres sont de l'ordre de
3. On veut toujours miniaturiser les composants et donc r¢ealiser des
capacit¢es sp¢ecifiques ¢elev¢ees. L'un des moyens pour y parvenir est
de diminuer l'¢epaisseur du film de di¢electrique comme le mentionne le
brevet FR 2 548 440. Selon ce brevet, le film mince de polym£ere est
d¢epos¢e par enduction d'une solution de ce polym£ere (proc¢ed¢e
laque).
Un autre probl£eme important est celui de la stabilit¢e en temp¢erature
des diff¢erents param£etres caract¢eristiques d'un condensateur : la
valeur de la capacit¢e (c'est-£a-dire la permittivit¢e du
di¢electrique), le facteur de pertes qui doit rester faible et la
r¢esistance d'isolement qui doit rester ¢elev¢ee. Il est difficile de
trouver des polym£eres qui poss£edent de telles qualit¢es d'autant plus
que l'on voudrait pouvoir utiliser ces condensateurs pour des
temp¢eratures de plus en plus ¢elev¢ees.
Afin de pallier ces inconv¢enients, l'invention propose d'utiliser
comme film di¢electrique un polym£ere tel que les
polyph¢enylquinoxalines ou les polyhydanto·ines. Un tel film peut ¥etre
obtenu par coulage £a partir de solutions organiques ou par enduction
(laquage).
L'invention a donc pour objet un condentateur du type £a film de
polym£ere, caract¢eris¢e en ce que ledit polym£ere est un
polyph¢enylquinoxaline ou un polyhydanto·ine.
L'invention a ¢egalement pour objet un condensateur, caract¢eris¢e en
ce qu'il est form¢e d'une pluralit¢e de condensateurs ¢el¢e mentaires,
chaque condensateur ¢el¢ementaire ¢etant constitu¢e d'un ¢el¢ement
dudit film de polym£ere compris entre une premi£ere armature et une
seconde armature, des ¢electrodes reliant les premi£eres armatures
entre elles et les secondes armatures ¥etre elles.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages appara¥itront au
moyen de la description qui va suivre et des figures annex¢ees parmi
lesquelles : - La figure 1 repr¢esente le sch¢ema de synth£ese du
polyph¢enylquinoxaline, - La figure 2 est un diagramme donnant le poids
r¢esiduel de polyph¢enylquinoxaline en fonction de la temp¢erature, -
La figure 3 est un diagramme donnant la permittivit¢e relative du
polyph¢enylquinoxaline en fonction de la temp¢erature, - La figure 4
est un diagramme donnant le facteur de pertes du polyph¢enylquinoxaline
en fonction de la temp¢erature, - La figure 5 repr¢esente le sch¢ema de
synth£ese du polyhydanto·ine, - La figure 6 est un diagramme donnant le
poids r¢esiduel de polyhydanto·ine en fonction de la temp¢erature, - La
figure 7 est un diagramme donnant la permittivit¢e relative du
polyhydanto·ine en fonction de la temp¢erature,
- La figure 8 est un diagramme donnant le facteur de pertes du
polyhydanto·ine en fonction de la temp¢erature, - Les figures 9 £a 12
sont des exemples de r¢ealisation de condensateurs selon l'invention.
Le premier polym£ere consid¢er¢e est un polyph¢enylquinoxaline (PPQ).
Comme il sera d¢emontr¢e plus loin, il poss£ede des propri¢et¢es
di¢electriques int¢eressantes : une bonne permittivit¢e, un faible
facteur de pertes et une r¢esistance d'isolement ¢elev¢ee. De plus, ces
propri¢et¢es pr¢esentent une remarquable stabilit¢e en fonction de la
temp¢erature (jusqu'£a 350 DEG C environ). Enfin, ce polym£ere est
soluble, ce qui permet son d¢ep¥ot en couches minces par des m¢ethodes
de coulage ou d'enduction.
La figure 1 repr¢esente la synth£ese du polyph¢enylquinoxaline. Ce
polym£ere, don t la formule est repr¢esent¢ee sous la r¢ef¢erence 1,
est pr¢epar¢e par cyclisation d'une t¢etraamine 2 et d'une
t¢etrac¢etone 3. Le taux de cyclisation est voisin de 100 %. Le PPQ est
soluble dans le solvant de pr¢eparation, le m¢eta-cr¢esol. Il peut
¥etre pr¢ecipit¢e et redissous dans d'autres solvants comme le
t¢etrachloro 1-1-2-2 ¢ethane. Cette solubilit¢e permet de disposer de
solutions de polym£ere dans une large gamme de viscosit¢es permettant
le d¢ep¥ot de films minces d'¢epaisseur contr¥ol¢ee. Apr£es s¢echage,
on peut obtenir, selon la m¢ethode de mise en oeuvre, des films
homog£enes autoport¢es ou couvrant un support et pr¢esentant
d'excellentes propri¢et¢es m¢ecaniques, thermiques et di¢electriques.
Le PPQ est un polym£ere thermostable infusible. Il se d¢egrade avant de
fondre.
La figure 2 repr¢esente un diagramme r¢esultant de l'analyse
thermogravim¢etrique. La courbe 4 donne le poids r¢esiduel P en
fonction de la temp¢erature T exprim¢ee en degr¢es Celsius. Sa
temp¢erature de d¢egradation £a l'air (d¢efinie comme la temp¢erature
correspondant £a l'intersection des tangentes aux deux parties de la
courbe 4) est d'environ 550 DEG C. Il s'agit essentiellement d'une
pyrolyse. En isotherme, il perd 10 % en masse en 1 500 heures £a 300
DEG C et en 1 000 heures £a 350 DEG C. Il pr¢esente une transition
vitreuse vers 350 DEG C (r¢ev¢el¢ee par analyse thermique
diff¢erentielle et analyse thermom¢ecanique). Son module d'¢elasticit¢e
est de 8.10<9>N/m<2>. Son coefficient de dilatation thermique de
6,5.10<-><5>/ DEG C le rend compatible avec un substrat m¢etallique.
Les propri¢et¢es di¢electriques du PPQ en dessous de la temp¢erature de
transition vitreuse (350 DEG C) sont d'une remarquable stabilit¢e.
La figure 3 est un diagramme indiquant l'¢evolution de la permittivit¢e
relative epsilon du PPQ en fonction de la temp¢erature T exprim¢ee en
degr¢es Celsius. La courbe 5 concerne un film pr¢epar¢e £a partir du
m¢eta-cr¢esol et test¢e £a la fr¢equence de 1 kHz. La courbe 6 concerne
un film pr¢epar¢e ¢egalement £a partir du m¢eta-cr¢esol mais test¢e £a
10 kHz. La courbe 7 concerne un film pr¢epar¢e £a partir du
t¢etrachlor¢ethane et test¢e £a 1 kHz. D'apr£es ces courbes on constate
que la permittivit¢e varie tr£es peu de 0 £a 350 DEG C. Par exemple,
pour la courbe 5, la permittivit¢e varie entre 2,6 et 2,8 lorsque la
temp¢erature varie entre - 50 et + 350 DEG C.
La figure 4 est un diagramme montrant l'¢evolution du facteur de pertes
tg delta du PPQ en fonction de la temp¢erature exprim¢ee en degr¢es
Celsius. La courbe 8 concerne un film pr¢epar¢e £a partir du
m¢eta-cr¢esol et test¢e £a 1 kHz. La courbe 9 concerne le m¥eme film
mais test¢e £a 10 kHZ. D'apr£es ces courbes, on constate que le facteur
de pertes est inf¢erieur £a 10<-><3> entre 0 et 300 DEG C.
La r¢esistivit¢e transversale du PPQ est tr£es ¢elev¢ee : de l'ordre de
3.10<1><7> OMEGA .cm pour des valeurs de tensions continues allant de 0
£a 100 V.
Le second polym£ere consid¢er¢e est le polyhydanto·ine (PH). Le
polyhydanto·ine se pr¢epare selon le sch¢ema de synth£ese repr¢esent¢e
£a la figure 5. Il se pr¢epare par polycondensation d'un di-isocyanate
10 et d'un bis-glycinate 11 dans le m¢eta-cr¢esol £a 220 DEG C. On
obtient apr£es le produit interm¢ediaire 12 le polyhydanto·ine 13.
Le PH est soluble dans le solvant de pr¢eparation, le m¢eta-cr¢esol. Il
peut ¥etre pr¢ecipit¢e et redissous dans d'autres solvants comme le
dichlorom¢ethane. Cette solubilit¢e permet de disposer de solutions de
polym£ere dans une large gamme de viscosit¢es permettant le d¢ep¥ot de
films minces d'¢epaisseur contr¥ol¢ee. Apr£es s¢echage on peut obtenir,
selon la m¢ethode de mise en oeuvre, des films homog£enes autoport¢es
ou couvrant un support et pr¢esentant d'excellentes propri¢et¢es
m¢ecaniques, thermiques et di¢electriques.
Le PH est un polym£ere thermostable infusible. Il se d¢egrade avant de
fondre.
La figure 6 repr¢esente un diagramme r¢esultant de l'analyse
thermogravim¢etrique. Les courbes 14 et 15 donnent le poids r¢esiduel P
en fonction de la temp¢erature T exprim¢ee en degr¢es Celsius. La
courbe 14 correspond £a un ¢echantillon pr¢epar¢e £a partir du
m¢eta-cr¢esol et la courbe 15 £a un ¢echantillon pr¢epar¢e £a partir du
dichlorom¢ethane. Leur temp¢erature de d¢egradation £a l'air est d'envi
ron 470 DEG C pour l'¢echantillon correspondant £a la courbe 14 et 430
DEG C pour l'¢echantillon correspondant £a la courbe 15. Il s'agit
essentiellement d'une pyrolyse. En isotherme il perd 10 % en masse £a
300 DEG C en 30 heures. Il pr¢esente une transition vitreuse vers 210
DEG C lorsqu'il est pr¢epar¢e £a partir du dichlorom¢ethane et vers 250
DEG C lorsqu'il est pr¢epar¢e £a partir du m¢eta-cr¢esol (par analyse
thermique diff¢erentielle et analyse thermom¢ecanique).
Son coefficient de dilatation thermique varie entre 11.10<-><5>/ DEG C
(pr¢eparation £a partir du m¢eta-cr¢esol) et 12.10<-><5>/ DEG C
(pr¢eparation £a partir du dichlorom¢ethane) et le rend compatible avec
un substrat m¢etallique.
La figure 7 est un diagramme indiquant l'¢evolution de la permittivit¢e
relative epsilon du PH en fonction de la temp¢erature T exprim¢ee en
degr¢es Celsius. La courbe 16 concerne un film pr¢epar¢e £a partir du
m¢eta-cr¢esol et test¢e £a 10 kHz sous air. La courbe 17 concerne un
film pr¢epar¢e £a partir du dichlorom¢ethane et test¢e £a 1kHz. La
courbe 16 montre une remarquable stabilit¢e de la permittivit¢e entre
3,2 et 3,3 pour des temp¢eratures variant entre - 80 et + 280 DEG C. La
courbe 17 montre une stabilit¢e tr£es stable £a une valeur proche de
3,4 pour des temp¢eratures variant de 0 £a 250 DEG C. A partir de 270
DEG C la permittivit¢e augmente rapidement.
La figure 8 est un diagramme montrant l'¢evolution du facteur de pertes
tg delta du PH en fonction de la temp¢erature exprim¢ee en degr¢es
Celsius. La courbe 20 concerne un film pr¢epar¢e £a partir du
m¢eta-cr¢esol et test¢e £a 10 kHz sous air. D'apr£es cette courbe on
constate que le facteur de pertes reste d'une stabilit¢e remarquable et
inf¢erieur £a 2.10<-><3> de 0 £a 260 DEG C puis qu'il augmente
rapidement au-del£a de cette temp¢erature. La courbe 21 concerne un
film pr¢epar¢e ¢egalement £a partir du m¢eta-cr¢esol et test¢e £a 1 kHz
sous air. Cette courbe montre que le facteur de pertes reste compris
entre 10<-><3> et 2.10<-><3> pour des temp¢eratures variant de 0 £a 270
DEG C. La courbe 22 concerne un film pr¢epar¢e £a partir du
dichlorom¢ethane et test¢e £a 1 kHz sous air. Cette courbe montre que
le facteur de pertes reste inf¢erieur £a 2.10<-><3> de 0 £a 180 DEG C
puis augmente rapidement avec la temp¢erature.
La r¢esistivit¢e transversale des films de PH est tr£es ¢elev¢ee : de
l'ordre de 0,45.10<1><7> OMEGA .cm pour des valeurs de tensions
continues allant de 0 £a 100 V lorsqu'ils sont pr¢epar¢es £a partir du
m¢eta-cr¢esol. Cette r¢esistivit¢e double de valeur lorsque le PH est
pr¢epar¢e dans le dichlorom¢ethane.
Ces deux polym£eres (PPQ et PH) peuvent ¥etre avantageusement utilis¢es
pour r¢ealiser des condensateurs. Le film di¢electrique utilis¢e peut
¥etre un film obtenu par coul¢ee £a partir de solutions organiques. Ces
films peuvent ¥etre exempts de toute contrainte ou ¢etir¢es
longitudinalement et/ou transversalement. Leurs ¢epaisseurs peuvent
varier de 1,5 £a 100 mu . Ils peuvent ¥etre int¢egr¢es £a toute
technologie de r¢ealisation de condensateurs, bobinage ou empilage
selon les techniques de l'art connu. Les films peuvent ¥etre employ¢es
nus ou d¢ej£a m¢etallis¢es.
La figure 9 repr¢esente un exemple de r¢ealisation. Les films 30 en PPQ
ou en PH sont nus et enserr¢es entre des armatures m¢etalliques de rang
impair 31 et de rang pair 32. L'empilement ainsi constitu¢e re©coit des
m¢etallisations lat¢erales 33 et 34 reliant respectivement les
armatures de rang impair 31 entre elles et les armatures de rang pair
32 entre elles.
La figure 10 repr¢esente un autre exemple de r¢ealisation. Les films 40
en PPQ ou en PH sont m¢etallis¢es par de l'aluminium, du zinc ou du
cuivre sur l'une de leur face. Ces m¢etallisations 41 et 42 sont
r¢ealis¢ees partiellement de fa©con £a laisser subsister une marge
lat¢erale altern¢ee. Les m¢etallisations 41 d¢ebouchant d'un m¥eme
c¥ot¢e de l'empilement sont reli¢ees entre elles par une m¢etallisation
lat¢erale 43. Les m¢etallisations 42 d¢ebouchant de l'autre c¥ot¢e de
l'empilement sont reli¢ees entre ell es par une m¢etallisation
lat¢erale 44.
Des condensateurs peuvent ¥etre r¢ealis¢es £a partir de films supports
ou d'armatures enduits de PPQ ou de PH. Ces d¢ep¥ots di¢electriques
d'¢epaisseur variant de 0,5 £a 100 mu sont obtenus par des techniques
classiques d'enduction ou laquage (flexographie, reverse-roll, etc.) £a
partir de solutions organiques. Ces films supports ou ces armatures
sont ensuite bobin¢es ou empil¢es selon les techniques usuelles.
La figure 11 repr¢esente un exemple de r¢ealisation. Les armatures 51
et 52 (en aluminium, en ¢etain ou en zinc) sont enduites d'une couche
50 de PPQ ou de PH. Elles sont empil¢ees ou bobin¢ees de fa©con £a
provoquer un d¢ecalage lat¢eral entre les armatures paires 52 et
impaire 51. L'empilement ainsi constitu¢e re©coit des m¢etallisations
lat¢erales 53 et 54 reliant respectivement les armatures de rang impair
51 entre elles et les armatures de rang pair 52 entre elles.
La figure 12 repr¢esente un autre exemple de r¢ealisation. Les films
supports 60 sont recouverts sur chaque face de m¢etallisations 61 et
62. Des marges lat¢erales subsistent alternativement sur chaque face du
film support 60. La m¢etallisation 61 est enduite d'une couche 63 de
PPQ ou de PH. De m¥eme la m¢etallisation 62 est enduite d'une couche 64
du m¥eme polym£ere thermostable. L'empilement de condensateurs
¢el¢ementaires ainsi constitu¢e re©coit des m¢etallisations lat¢erales
65 et 66 reliant respectivement les m¢etallisations de rang impair 61
et les m¢etallisations de rang pair 62 entre elles. Le film support
utilis¢e peut ¥etre lui-m¥eme un thermostable du type PH, PPQ,
polyimide, polyt¢etrafluoro¢ethyl£ene ou non thermostable comme le
polycarbonate, le poly¢ethyl£ene t¢erephtalate, etc.
L'¢etape de stabilisation thermique des condensateurs s'effectue par
¢etuvage au stade semi-fini ou fini, £a des temp¢eratures d¢ependant
des mat¢eriaux utilis¢es et pour des dur¢ees variant de 1 heure £a 24
heures. Pour le PPQ cette temp¢erature est de l'ordre de 300 DEG C et
pour le PH elle est de l'ordre de 250 DEG C.