19 Juin 2015  |  Électronique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 04/2015

Un florilège de composants passifs

Dans les circuits électroniques, même les plus infimes irrégularités sont souvent la cause de pannes et de dysfonctionnements, car fiabilité et robustesse dépendent de la fabrication et de l’interaction de tous les composants. L’application de normes strictes pour les composants – y compris les composants passifs – est un moyen éprouvé pour éviter une majorité de pannes.

Condensateurs en céramique
Dans le cas des condensateurs les plus utilisés - les puces céramiques MLCC (Multi Layer Ceramic Capacitor), le thème de la robustesse est présent dès l’usinage des composants dans le processus de fabrication du module. Plus de 90 % des problèmes rencontrés avec les puces MLCC résultent de fissures de flexion provoquées par une sollicitation mécanique excessive. Afin de les éviter, l’optimisation des procédés d’usinage occupe la première place, notamment le placement, l’isolation et le montage des platines.
Les puces MLCC sont disponibles avec une terminaison souple (également appelée Flexiterm, terminaison flexible, électrode souple), parfois avec un design à mode ouvert (open mode) et à mode flottant (float mode) (couplage en série interne) résistant à des forces de flexion considérablement plus élevées. Les puces MLCC avec un type de montage spécial à cadre conducteur, «Leadframe», dits Stacked MLCC, Metal Terminal MLCC ou Mega Cap, constituent une autre variante robuste.
 
 
Les températures élevées excédant la spécification standard la plus fréquente de 125 °C sont également un sujet d’actualité pour les puces MLCC. À cet effet, Rutronik propose des composants résistant à des températures de 150 °C, voire  200 °C. Ils sont spécifiés par les diélectriques X8R, X8L et X9U (200 °C) avec des glissements admissibles à température max. de +15 %, +15-40 % et +15-56 %. À basse température, ils disposent ainsi d’une capacité plus stable avec seulement env. -7,5 % à 125 °C, par exemple. La figure ci-dessous présente un diagramme caractéristique.
 
 
Pour d’autres exigences spécifiques de certaines applications, on dispose également d’un nombre croissant de composants au fonctionnement optimisé. Ces derniers se caractérisent, par exemple, par le fait qu’ils possèdent des propriétés parasites extrêmement faibles et des propriétés CC et CA très spécifiques à l’application. Ces composants se nomment HiRel, RF ou Microwave, Low Loss Ultra-Low ESR ou encore guaranteed DC-Bias.
 
Condensateurs au tantale
Les exigences posées aux condensateurs au tantale sont en croissance constante, tout comme les températures auxquelles ils sont exposés. Ainsi, l’industrie pétrochimique et gazière, par exemple, a besoin de condensateurs haute température pour les convertisseurs à courant continu dans les têtes de forage exposées à des températures de plus en plus élevées, allant jusqu’à 175 °C, au fur et à mesure que la profondeur de forage augmente.
Pour les alternateurs ou les démarreurs des voitures, certains fabricants ont lancé des familles de produits qui peuvent être utilisés dans le compartiment moteur, à des températures de service allant jusqu’à 175 °C, ce qui est tout sauf banal, étant donné que la chaleur altère la stabilité chimique et mécanique des matériaux des condensateurs. Par conséquent, le choix de matériaux appropriés est déterminant. Les condensateurs au tantale sont connus pour leur excellente fiabilité, leur robustesse et la stabilité de leurs propriétés électriques. Ils sont disponibles pour des températures jusqu’à 175 °C et même pour des températures supérieures à 200 °C.
 
 
Dans les applications médicales, des courants de fuite continus aussi faibles que possible sont un critère décisif, c’est-à-dire une autonomie plus importante pour les applications portatives et implantables, telles que les stimulateurs cardiaques, les DAI (défibrillateurs automatiques implantables) et les stimulateurs neurologiques. A cet effet, Rutronik distribue de nouveaux condensateurs à puce au tantale qui ne satisfont pas seulement à cette exigence, mais qui offrent également une grande robustesse et stabilité, ainsi qu’un fonctionnement plus efficace avec une durée de vie pratiquement illimitée. Avec des boîtiers compacts, ils couvrent une grande plage de combinaisons capacité/tension nominale (CV) et sont recommandés pour les applications exigeant un encombrement réduit est requis.
 
Condensateurs à film
Les condensateurs à film métallisé, généralement des condensateurs «X2», servent souvent d’éléments de construction de protection antiparasite, dans les filtres d’entrée d’appareils directement alimentés sur secteur. Ils apportent toute une série d’avantages, dont un faible facteur de perte, ainsi que le fait que la capacité et le facteur de perte n’affichent qu’une faible dépendance de la température et de la fréquence.
Leur miniaturisation croissante les rend toutefois de plus en plus sensibles au vieillissement prématuré dû à la réduction de la capacité, ce que les températures et l’humidité élevées accentuent davantage. Ce phénomène est essentiellement provoqué par l’effet corona (ionisation à l’intérieur causant l’évaporation de la métallisation, ce qui provoque une perte de capacité), tandis que cela ne mène, dans les cas du couplage «X2» classique, c’est-à-dire en parallèle au secteur, qu’à un antiparasitage réduit, l’appareil tombe en panne dans le cas des couplages en série de plus en plus fréquemment rencontrés (diviseur de tension capacitif).
Le remède à ce problème se trouve sous la forme des types dits Anti- ou No-Corona-Effect avec des matériaux et structures spéciaux, tels que le couplage en série interne. On évite l’ionisation par le fait que la capacité thermique massique reste stable et la fiabilité requise est également réalisable en cas d’utilisation en série sur secteur.
 
Condensateurs électrolytiques
Outre les applications classiques comme dans les réseaux de bord, les alimentations à LED, les chargeurs, les onduleurs dans la technique d’éclairage, par exemple, c’est notamment la technologie automobile avec une part croissante de modules électroniques, qui a des exigences toujours plus élevées envers les composants, surtout en matière de durée de vie.
Des terminaux de plus en plus petits mettent les condensateurs électrolytiques en aluminium à rude épreuve, car ils se trouvent en présence de températures plus élevées – et les caractéristiques des condensateurs électrolytiques en aluminium dépendent de la température.
De nouvelles variantes à stabilité durable et résistantes aux températures élevées offrent non seulement une plus longue durée de vie, pouvant aller jusqu’à 20’000 heures à 105 °C, mais aussi un avantage en matière de coûts, par rapport à d’autres technologies. Elles résistent à des températures allant jusqu’à 150 °C et montrent une excellente impédance et un excellent comportement de résistance en série équivalente (ESR) à basse température.
 
 
 
 
Résistances – couche épaisse
Les résistances à couches épaisses sont les plus utilisées pour le montage en surface. Les tolérances typiques sont ici de 1 % et de 5 %, avec un coefficient de température de 100 ppm/K dans les formes de construction standard de 01005 à 2512. Grâce à des évolutions considérables au cours des dernières années, ce type de résistance satisfait aussi à des exigences particulières, comme une grande résistance aux impulsions, par exemple. Celle-ci s’obtient grâce à une couche de résistance homogène non rognée, qui est utilisée sur toute sa largeur et qui n’est, par conséquent, pas limitée par des points chauds. On peut ainsi absorber des impulsions individuelles atteignant 4000 W pour 100 µs. Ce type de résistance à couche épaisse, résistant aux impulsions, remplace de plus en plus les autres technologies grâce à ses faibles coûts, à sa grande disponibilité, ainsi qu’à sa taille et à son poids réduits.
 
 
 
Les résistances résistantes au soufre, également connues sous le nom d’«Anti Sulfuration Chip Resistors », sont conçues pour des applications telles que les atmosphères à gaz polluant, principalement dans le secteur automobile. Cette propriété s’obtient grâce à l’ajout d’une petite quantité de palladium dans l’électrode intérieure; cet alliage est nettement plus résistant à la sulfuration que l’argent pur. Une couche de protection homogène empêche la pénétration de gaz agressifs. La résistance ne peut donc pas être détruite par la formation de sulfate d’argent ou de cristaux.
Dans le cas des résistances à large terminaison (Wide Terminal) à géométrie inverse, la métallisation se trouve sur le côté longitudinal du composant. Étant donné que le transport de la chaleur s’effectue principalement via la brasure, on obtient ainsi une conductibilité thermique optimisée vers la platine, ainsi qu’une puissance dissipée réduite. La puissance excède de 50 % celle des résistances à puce plate (flat chip) standard comparables de la même taille. La forme de construction d’une résistance à puce «Long Side Termination» sera, par exemple, désignée par 0612 au lieu de 1206, c’est-à-dire que la longueur et la largeur sont inversées.
 
 
 
Résistances MELF
Les résistances MELF (Metal Electrode Leadless Faces) offrent une grande résistance au courant pulsé, aux températures élevées, une stabilité durable, ainsi qu’une grande résistance diélectrique. Elles sont disponibles aussi bien avec une tolérance standard, comme 1 %, qu’en version haute précision jusqu’à 0,1 %. Rutronik les propose avec différentes technologies, basées sur la technologie à charbon et à film métallique, par exemple, répondant à des exigences spécifiques, notamment dans la commande du moteur, dans l’électroménager, dans le traitement des signaux pour les applications industrielles, ainsi que pour les instruments de mesure médicaux.
 
 
Varistances
Les varistances sont des résistances liées à la tension, dont la résistance décroît rapidement à partir d’une tension seuil spécifique. Étant donné qu’elles peuvent absorber de grandes quantités d’énergie avec des temps de réaction rapides, de moins d’une nanoseconde, elles sont destinées à la protection contre les surtensions, ainsi qu’à la protection des couplages électriques dans la technologie des courants forts.
Les varistances métal-oxyde à câblage radial (MOV) sont une variante abordable. Elles peuvent absorber une grande quantité d’énergie à court terme et sont souvent fabriquées à base d’oxyde de zinc (ZnO). Combinée à d’autres oxydes métalliques tels que l’oxyde de bismuth, de chrome ou de manganèse, la poudre est pressée sous forme de comprimés, puis frittée. Le vieillissement relativement rapide, après seulement quelques surtensions faibles, réduit cependant leur tension seuil au fil du temps ou augmente le courant de fuite. Les progrès dans l’ingénierie et l’optimisation des matériaux ont considérablement réduit l’usure et les tolérances des principaux indicateurs.
Les varistances Multilayer (MLV) ou à couches multiples sont des composants bidirectionnels servant à la suppression des transitoires, comme les décharges électrostatiques, impulsions Surge ou Burst par exemple. Elles sont couplées en parallèle à l’électronique à protéger et offrent à la pointe de surtension de la décharge électrostatique, un chemin alternatif de basse impédance qui est déchargé vers la terre. En comparaison avec une diode, les MLV marquent des points avec un temps de réaction réduit de moins de 1 ns, une capacité d’absorption multiple, un courant de fuite moindre et des dimensions réduites. En outre, elles ne connaissent pas de réduction de la puissance à partir de 125 °C ou 150 °C.
 
Inductances et transformateurs
Des inductances RF à puce avec un facteur de qualité élevé et des fréquences de résonance optimisées remplissent leur fonction, même dans des conditions ambiantes critiques. Leurs terminaisons spéciales améliorent le comportement de brasage et assurent un assemblage plus robuste entre le composant et le circuit imprimé. Avec une plage de température élargie de -55 à +180 °C et une résistance plus élevée aux chocs et aux vibrations, elles sont souvent utilisées dans des applications en technique médicale ou de mise en réseau pour l’automatisation.
Les bobines à haute intensité allient une efficacité maximale à une résistance thermique élevée de la valeur d’inductance. Cela est assuré par une bobine de cuivre enroulée, soudée par ultrasons au cadre conducteur, ainsi que par de la poudre de fer pressée autour de la bobine d’inductance, à l’aide d’un liant époxy. Les bobines à haute intensité sont principalement destinées à la filtration des interférences électromagnétiques pour les câbles d’alimentation, ainsi que comme accumulateur d’énergie pour les convertisseurs à courant continu.
 
 
Pour l’alimentation en tension des appareils pour lesquels une puissance absorbée réduite est souhaitée ou qui sont soumis à la directive 1275/2008, des transformateurs EI30-EuP Low-Power-Loss ont été développés. En raison de leur excellente thermorésistance grâce à l’époxy coulé sous vide, ils satisfont à la puissance dissipée de max. 0,5 W prescrite par la directive EuP. De nombreux modèles se situent même à seulement 0,2 W – et ce avec un design compact et une plage de puissance allant jusqu’à 2,8 VA. Les effets secondaires positifs sont une plus grande résistance et durabilité.
 
 
Quartz et oscillateurs
Les quartz et oscillateurs ayant une stabilité de fréquence et une précision élevées, ainsi qu’avec de petites dimensions de microsystèmes électromécaniques (MEMS) sont possibles grâce à la technologie QMEMS d’Epson. La méthode photo-lithographique produit des puces à cristaux ayant des variations de forme extrêmement réduites. Ces cristaux de quartz disposent ainsi d’un coefficient fréquence-température (FTC) relativement constant et d’écart minimes. La gamme de produits Rutronik comprend différents types de quartz et d’oscillateurs à quartz QMEMS, comme des oscillateurs AT ou des oscillateurs à diapason, par exemple.
 
La robustesse est coûteuse – une robustesse insuffisante également
Les concepteurs disposent d’un vaste choix de composants passifs répondant aux exigences les plus diverses. Le revers de la médaille est leur prix plus élevé en comparaison avec les composants standard. Cependant, une robustesse insuffisante des composants a également son prix, bien que cela ne se révèle souvent que par la suite. Ainsi, les nombreuses campagnes de rappel récentes dans l’industrie automobile ont clairement illustré comment les coûts peuvent échapper à tout contrôle si le bon choix de composants robustes n’est pas pris en compte de manière préventive. Les experts de Rutronik assistent les concepteurs grâce à leur savoir-faire relatif aux produits, aux technologies et aux marchés, afin de toujours trouver le meilleur équilibre entre coûts et sécurité.
 
Auteurs
Jochen Neller, Technical Support Inductors & Timing Devices
Jürgen Geier, Field Application Engineer Capacitors
Matthias Bossert, Product Sales Manager Resistors
Steffen Haag, Technical Support Film, Tantalum & Electrolytic Capacitors
 
RUTRONIK Elektronische Bauelemente AG
1400 Yverdon-les-Bains
Tél. 024 423 91 40
www.rutronik.com


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