EP1168383A1 - Microcomposant du type micro-inductance ou microtransformateur - Google Patents

Microcomposant du type micro-inductance ou microtransformateur Download PDF

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EP1168383A1
EP1168383A1 EP01420135A EP01420135A EP1168383A1 EP 1168383 A1 EP1168383 A1 EP 1168383A1 EP 01420135 A EP01420135 A EP 01420135A EP 01420135 A EP01420135 A EP 01420135A EP 1168383 A1 EP1168383 A1 EP 1168383A1
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EP
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core
solenoid
micro
magnetic
microcomponent
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EP01420135A
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German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Marc Fedeli
Bertrand Guillon
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Memscap SA
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Memscap SA
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/10—Composite arrangements of magnetic circuits
    • H01F3/14—Constrictions; Gaps, e.g. air-gaps
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/0006—Printed inductances
    • H01F17/0033—Printed inductances with the coil helically wound around a magnetic core
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/0006—Printed inductances
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields

Definitions

  • the invention relates to the field of microelectronics, and more specifically to the sector of the manufacture of microcomponents, in particular intended for use in radio frequency applications. More precisely, it relates to microcomponents such as micro-inductors or micro-transformers equipped with a magnetic core allowing operation at particularly high frequencies.
  • the electronic circuits used for radio frequency applications include oscillating circuits including capacitors and inductances.
  • microcomponents such as micro-inductors occupy an increasingly reduced volume, while retaining a sufficient inductance value and a high quality coefficient.
  • the general trend is towards an increase in operating frequencies.
  • inductance of the micro-inductance To obtain a good quality factor, one generally seeks to increase the value of inductance of the micro-inductance.
  • magnetic materials are chosen whose geometry and dimensions allow the greatest possible permeability.
  • a problem which the invention proposes to solve is that of limiting the frequency of use inherent in the existence of a phenomenon of gyromagnetism.
  • the invention therefore relates to an inductive microcomponent such as a micro-inductor or a micro-transformer, comprising a metal coil having the shape of a solenoid, and a magnetic core made of a ferromagnetic material positioned in the center of the coil.
  • an inductive microcomponent such as a micro-inductor or a micro-transformer, comprising a metal coil having the shape of a solenoid, and a magnetic core made of a ferromagnetic material positioned in the center of the coil.
  • the core of this microcomponent consists of several sections separated by cutouts oriented perpendicular to the main axis of the solenoid.
  • the magnetic core does not form a monolithic piece elongated along the axis of the solenoid, but on the contrary is segmented along the direction of the solenoid.
  • the fractionation of the magnetic core causes a decrease in the magnetic permeability of each section, and therefore a decrease in the inductance value of the microcomponent.
  • this drawback is offset by the increase in the maximum frequency at which the microcomponent retains its inductive behavior.
  • H int The field opposing the external field
  • H d The field opposing the external field
  • N the demagnetizing field coefficient
  • This demagnetizing field created by the supply components along the direction of the difficult axis, decreases the resulting internal field and therefore opposes the passage of flow lines. In other words, this demagnetizing field results in a decrease in permeability.
  • the magnetizing field coefficient is significantly higher than for a monolithic core occupying the entire length of the solenoid. It follows that the demagnetizing field is also stronger and that the magnetic permeability along the difficult axis is lower.
  • the resonant frequency for the gyromagnetic effect is higher, which allows the use of micro-inductance or microtransformer at higher frequencies.
  • the thickness of the core can be between 0.1 and 10 micrometers. It can be seen that it is possible to overcome the phenomena of induced currents, which are all the more important as the frequency of use is high, by limiting as much as possible the thickness of each section of the magnetic core.
  • the core can be made of materials chosen from the group comprising alloys based on iron, nickel, cobalt, zirconium, or niobium.
  • Micro-inductors are obtained having a minimum series resistance and therefore a particularly important quality factor by producing the solenoid from electrolytic copper, which can be deposited on an insulating substrate such as quartz or glass.
  • the solenoid can also be deposited on a conductive or semiconductor substrate, with the interposition of an insulating layer between this substrate and the solenoid.
  • the invention relates to microcomponents such as micro-inductance or microtransformer whose magnetic core is fractionated.
  • a micro-inductor (1) according to the invention comprises a metal coil (2) consisting of a plurality of turns (3) wound around the magnetic core.
  • each turn (3) of the solenoid comprises a bottom part (5) which is inserted on the surface of the substrate (6) as well as a plurality of arches (7) connecting the ends (8, 9) of the bottom parts adjacent (5, 5 ').
  • a layer of silica (11) is deposited above the upper face of the substrate (6) so as to isolate the lower parts (5) of the turns of the magnetic materials which will be deposited above.
  • the magnetic core (4) is then produced, which can be obtained by different techniques, such as sputtering or electrolytic deposition.
  • the magnetic material is electrodeposited above predetermined growth zones, located above the plurality of segments (5) forming the lower parts of the turns.
  • the magnetic core (4) has several sections (13-16) separated from each other by cutouts (17-19) perpendicular to the longitudinal axis (20) of the solenoid (2).
  • the number of sections of the magnetic core (4) is determined according to various parameters such as the type of magnetic material used, the maximum frequency at which the inductance must be used, the desired inductance value as well as the thickness of the layer of magnetic material.
  • the magnetic core (4) has four sections (13-16) separated by three cutouts (17-19). These four sections (13-16) can be obtained as already said by an additive technique in which the electrolytic deposition takes place on four growth zones drawn above the copper segments (5).
  • These four sections (13-16) can also be obtained by a subtractive technique consisting in, in a first step, depositing a uniform magnetic layer on the substrate, then in a second step removing the magnetic material to form the different sections.
  • the thickness (e) of the magnetic layer (13-16) is chosen between 0.1 and 10 micrometers to obtain sufficient inductance while limiting the phenomena of induced currents.
  • the width (d) of the cutouts (17-19) separating each section (13-16) is preferably chosen to be close to four times the thickness (e) of the layer of magnetic material. This ratio is not respected in FIG. 2 only for reasons of clarity of the figure.
  • the overall thickness of the magnetic core (4) can be increased by depositing several superimposed layers of magnetic material isolated from each other by non-magnetic layers, preferably insulating, such as silica or silicon nitride.
  • a layer of silica (22) is applied, intended to electrically isolate the magnetic core (4) from the upper part (7) of the turns (2).
  • connection pads (23, 24) as well as a possible passivation can be carried out.
  • the magnetic materials used can be relatively varied, since they have a strong magnetization and a controlled anisotropy.
  • it can be crystalline or amorphous materials such as for example CoZrNb.
  • the solenoid can be made of copper as illustrated, or even incorporate other materials with low resistivity such as gold.
  • microcomponents in accordance with the invention have multiple advantages and in particular the increase in the maximum operating frequency compared to microcomponents of identical size and material.
  • microcomponents find a very particular application in radio frequency applications and in particular in mobile telephony.

Abstract

Microcomposant inductif (1), tel que micro-inductance ou micro-transformateur, comportant un bobinage métallique (2) ayant la forme d'un solénoïde et un noyau magnétique (4) en un matériau ferromagnétique positionné au centre du solénoïde (2), caractérisé en ce que le noyau (4) est constitué de plusieurs tronçons (13-16) séparés par des découpes (17-19) orientées perpendiculairement à l'axe principal (20) du solénoïde (4). <IMAGE>

Description

    Domaine technique
  • L'invention concerne le domaine de la micro-électronique, et plus précisément au secteur de la fabrication des microcomposants, notamment destinés à être utilisés dans des applications radiofréquences. Elle concerne plus précisément des microcomposants tels que des micro-inductances ou des micro-transformateurs équipés d'un noyau magnétique permettant le fonctionnement à des fréquences particulièrement élevées.
    • Techniques antérieures
  • Comme on le sait, les circuits électroniques utilisés pour les applications radiofréquences, telles que notamment la téléphonie mobile, comportent des circuits oscillants incluant des capacités et inductances.
  • Compte tenu de la tendance à la miniaturisation, il est impératif que les microcomposants tels que les micro-inductances occupent un volume de plus en plus réduit, tout en conservant une valeur d'inductance suffisante et un coefficient de qualité élevé.
  • Par ailleurs, la tendance générale est à l'augmentation des fréquences de fonctionnement. Ainsi, on peut citer à titre d'exemple les fréquences utilisées dans les nouvelles normes UMTS de la téléphonie mobile, qui sont au voisinage de 2,4 GigaHertz, par comparaison avec les fréquences de 900 et 1800 MegaHertz utilisées pour la norme GSM.
  • L'augmentation des fréquences de fonctionnement pose des problèmes relatifs au comportement des noyaux magnétiques des micro-inductances.
  • En effet, pour obtenir un bon facteur de qualité, on recherche généralement à augmenter la valeur d'inductance de la micro-inductance. A cet effet, on choisit des matériaux magnétiques dont la géométrie et les dimensions permettent d'avoir une perméabilité la plus importante possible.
  • Or, compte tenu des phénomènes de gyromagnétisme, il est connu que la perméabilité varie en fonction de la fréquence, et plus précisément qu'il existe une fréquence de résonance au-delà de laquelle une inductance présente un comportement capacitif. Autrement dit, une micro-inductance doit impérativement être utilisée à des fréquences inférieures à cette fréquence de résonance.
  • Or, l'augmentation des fréquences d'utilisation se heurte donc au phénomène de résonance gyromagnétique, qui limite pour une géométrie donnée la plage de fréquence dans laquelle l'inductance peut être utilisée de façon optimale.
  • Un problème que se propose de résoudre l'invention est celui de la limitation de la fréquence d'utilisation inhérente à l'existence d'un phénomène de gyromagnétisme.
    • Exposé de l'invention
  • L'invention vise donc un microcomposant inductif tel qu'une micro-inductance ou un micro-transformateur, comportant un bobinage métallique ayant la forme d'un solénoïde, et un noyau magnétique en un matériau ferromagnétique positionné au centre du bobinage.
  • Conformément à l'invention, le noyau de ce microcomposant est constitué de plusieurs tronçons séparés par des découpes orientées perpendiculairement à l'axe principal du solénoïde.
  • Autrement dit, le noyau magnétique ne forme pas une pièce monolithique allongée selon l'axe du solénoïde, mais au contraire est segmenté selon la direction du solénoïde.
  • Le fractionnement du noyau magnétique provoque une diminution de la perméabilité magnétique de chaque tronçon, et donc une diminution de la valeur d'inductance du microcomposant. Néanmoins, on a constaté que cet inconvénient est compensé par l'augmentation de la fréquence maximale à laquelle le microcomposant conserve son comportement inductif.
  • La détermination de la fréquence de résonance gyromagnétique fait intervenir l'équation de Landau-Lifschitz qui suit : - 1 γ ∂ M → ∂ t = M → ∧ H → + α γ Ms ∂ M → ∂ t ∧ M →
    Figure imgb0001
     dans laquelle :
    • M représente le moment magnétique,
    • H le champ magnétique dans lequel est plongé ce moment,
    • γ la constante gyromagnétique,
    • et α le facteur d'amortissement.
  • Pour déterminer la perméabilité selon l'axe difficile du matériau ferromagnétique, qui correspond à l'axe principal du solénoïde, il convient de déterminer les différents champs magnétiques auxquels le matériau est soumis. Ainsi, lorsqu'un matériau d'une forme donnée est plongé dans un champ magnétique (Hext), les aimantations ont tendance à s'aligner.
  • La neutralité du matériau est donc perdue, des charges apparaissent qui créent un champ s'opposant au champ extérieur, diminuant ainsi le champ intérieur résultant (Hint). Le champ s'opposant au champ extérieur est généralement dénommé "champ démagnétisant" (Hd), et dépend fortement de la géométrie. Plus précisément, on appelle N le coefficient de champ démagnétisant tel que : H → d =- N M →
    Figure imgb0002
  • Ce coefficient ne dépend que de la géométrie. Ce champ démagnétisant, créé par les composantes d'aimentation selon la direction de l'axe difficile diminue le champ intérieur résultant et s'oppose donc au passage de lignes de flux. Autrement dit, ce champ démagnétisant a pour conséquence une baisse de la perméabilité.
  • Ainsi, en tenant compte de cette modélisation, on peut résoudre l'équation de Landau-Lifschitz pour déterminer, selon l'axe difficile, la valeur de la perméabilité. Comme on le sait, la perméabilité magnétique est une grandeur complexe, dans laquelle la partie réelle représente la perméabilité efficace, tandis que la partie imaginaire représente les pertes. Ainsi, la résolution de ces équations donne les valeurs de la partie réelle (µ') et de la partie imaginaire (µ") fonction de la fréquence, de N, et des propriétés intrinsèques du matériau.
  • La fréquence de résonance, pour laquelle la valeur de µ" est maximale est la suivante : ƒ res = γ 2π ( H k + N. 4π M s )( H k +4.π M s )
    Figure imgb0003
     dans laquelle :
    • N est le coefficient de champ démagnétisant,
    • γ est la constante gyromagnétique,
    • Hk est la valeur du champ magnétique de saturation,
    • et Ms est la valeur du moment magnétique à la saturation.
  • On constate donc que la fréquence de résonance est une fonction croissante du coefficient de champ démagnétisant N. Pour les géométries parallélépipédiques le coefficient de champ démagnétisant est fonction de :
    • la longueur du parallélépipède mesuré selon l'axe difficile, c'est-à-dire selon l'axe du solénoïde,
    • l'épaisseur du parallélépipède,
    • la largeur selon l'axe facile.
  • Ainsi, grâce à la géométrie choisie pour le noyau conforme à l'invention, le coefficient de champ magnétisant est nettement plus élevé que pour un noyau monolithique occupant toute la longueur du solénoïde. Il s'ensuit que le champ démagnétisant est également plus fort et que la perméabilité magnétique selon l'axe difficile est plus faible.
  • En contrepartie, la fréquence de résonance pour l'effet gyromagnétique est plus élevée, ce qui permet l'utilisation de la micro-inductance ou du microtransformateur à des fréquences plus élevées.
  • Avantageusement en pratique, on a déterminé que les phénomènes de couplage entre les différents tronçons du noyau étaient négligeables ou sans grande influence lorsque la largeur des découpes séparant les tronçons du noyau, mesurée selon la direction de l'axe du solénoïde, est supérieure à quatre fois l'épaisseur du noyau.
  • Lorsque cette largeur est nettement inférieure à cette valeur, les phénomènes de couplage magnétique entre les différents tronçons contribuent à conférer à l'ensemble des tronçons un comportement similaire à celui d'un noyau monolithique, avec la limitation déjà évoquée concernant la fréquence de résonance. A l'inverse, lorsque les tronçons sont trop largement séparés, la valeur de l'inductance baisse du fait de la réduction du volume magnétique.
  • Avantageusement en pratique, l'épaisseur du noyau peut être comprise entre 0,1 et 10 micromètres. On constate en effet qu'on peut s'affranchir des phénomènes de courants induits, d'autant plus importants que la fréquence d'utilisation est élevée, en limitant autant que possible l'épaisseur de chaque tronçon du noyau magnétique.
  • Pour conserver toutefois une valeur de perméabilité suffisante, il est possible dans une forme particulière de l'invention de réaliser le noyau en plusieurs couches magnétiques superposées présentant chacune une épaisseur limitée.
  • En pratique, le noyau peut être réalisé en des matériaux choisis dans le groupe comprenant les alliages à base de fer, de nickel, de cobalt, de zirconium, ou de niobium.
  • On obtient des micro-inductances présentant une résistance série minimum et donc un facteur de qualité particulièrement important en réalisant le solénoïde à partir de cuivre électrolytique, qui peut être déposé sur un substrat isolant tel que du quartz ou du verre. Le solénoïde peut également être déposé sur un substrat conducteur ou semi-conducteur, avec interposition d'une couche d'isolant entre ce substrat et le solénoïde.
    • Description sommaire des figures
  • La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées dans lesquelles :
    • La figure 1 est une vue de dessus schématique d'une micro-inductance réalisée conformément à l'invention.
    • La figure 2 est une vue en coupe longitudinale selon un plan II-II' de la figure 1.
    • La figure 3 est une vue en coupe transversale selon le plan III-III' de la figure 1.
    Manière de réaliser l'invention
  • Comme déjà présenté, l'invention concerne des microcomposants tels que micro-inductance ou microtransformateur dont le noyau magnétique est fractionné.
  • Comme illustré à la figure 1, une micro-inductance (1) conforme à l'invention comporte un bobinage métallique (2) constitué d'une pluralité de spires (3) enroulées autour du noyau magnétique.
  • Plus précisément, chaque spire (3) du solénoïde comprend une partie basse (5) qui est insérée sur la surface du substrat (6) ainsi qu'une pluralité d'arches (7) reliant les extrémités (8, 9) des parties basses adjacentes (5, 5').
  • Ainsi, pour obtenir une telle inductance, on procède à la gravure d'une pluralité de canaux parallèles (10) sur la face supérieure d'un substrat isolant ou d'une couche isolante sur un substrat conducteur ou semi-conducteur (6). On obtient les parties basses (5) de chaque spire (3) par croissance électrolytique de cuivre, puis on planarise la surface du substrat (6) pour obtenir un état de surface optimal.
  • On effectue ensuite le dépôt d'une couche de silice (11) au-dessus de la face supérieure du substrat (6) de manière à isoler les parties basses (5) des spires des matériaux magnétiques qui seront déposées au-dessus.
  • On réalise ensuite le noyau magnétique (4) qui peut s'obtenir par différentes techniques, comme la pulvérisation cathodique ou le dépôt électrolytique. Ainsi, dans une technique additive, on assure le dépôt électrolytique du matériau magnétique au dessus de zones de croissance prédéterminées, situées au-dessus de la pluralité des segments (5) formant les parties basses des spires.
  • Conformément à l'invention, le noyau magnétique (4) présente plusieurs tronçons (13-16) séparés les uns des autres par des découpes (17-19) perpendiculaires à l'axe longitudinal (20) du solénoïde (2). Le nombre de tronçons du noyau magnétique (4) est déterminé en fonction de différents paramètres tels que le type de matériau magnétique utilisé, la fréquence maximale à laquelle l'inductance doit être utilisée, la valeur d'inductance souhaitée ainsi que l'épaisseur de la couche de matériau magnétique.
  • Dans l'exemple illustré, le noyau magnétique (4) comporte quatre tronçons (13-16) séparés par trois découpes (17-19). Ces quatre tronçons (13-16) peuvent être obtenus comme déjà dit par une technique additive dans laquelle le dépôt électrolytique a lieu sur quatre zones de croissance dessinées au-dessus des segments de cuivre (5).
  • Ces quatre tronçons (13-16) peuvent également être obtenus par une technique soustractive consistant à, dans une première étape, à déposer une couche magnétique uniforme sur le substrat, puis dans une seconde étape à éliminer le matériau magnétique pour former les différents tronçons.
  • L'épaisseur (e) de la couche magnétique (13-16) est choisie entre 0,1 et 10 micromètres pour obtenir une inductance suffisante tout en limitant les phénomènes de courants induits. La largeur (d) des découpes (17-19) séparant chaque tronçon (13-16) est choisie préférentiellement voisine de quatre fois l'épaisseur (e) de la couche de matériau magnétique. Ce rapport n'est pas respecté dans la figure 2 uniquement pour des questions de clarté de la figure. On peut augmenter l'épaisseur globale du noyau magnétique (4) en réalisant un dépôt de plusieurs couches de matériau magnétique superposées isolées les uns des autres par des couches non magnétiques de préférence isolantes tels que la silice ou le nitrure de silicium.
  • Après avoir réalisé le noyau en matériau magnétique (4), on procède à un dépôt d'une couche de silice (22) destinée à isoler électriquement le noyau magnétique (4) de la partie supérieure (7) des spires (2).
  • Par la suite, on procède à un dépôt électrolytique de cuivre pour former des arches (7) reliant les extrémités opposées de parties basses adjacentes (5, 5'), pour obtenir le microcomposant illustré à la figure 1. Des étapes ultérieures pour la création de plots de connexion (23, 24) ainsi qu'une éventuelle passivation peuvent être réalisées.
  • Comme déjà dit, les matériaux magnétiques utilisés peuvent être relativement variés, dès lors, qu'ils possèdent une forte aimantation et une anisotropie contrôlée. Ainsi, il peut s'agir de matériaux cristallins ou amorphes tels que par exemple le CoZrNb.
  • Par ailleurs, le solénoïde peut être réalisé en cuivre comme illustré, ou bien encore incorporer d'autres matériaux à faible résistivité tels que l'or.
  • Bien que l'invention soit décrite plus en détail en ce qui concerne une micro-inductance, il va de soi que la réalisation d'un microtransformateur, incluant deux bobinages enroulés sur un noyau commun est également couverte par l'invention.
  • Il ressort de ce qui précède que les microcomposants conformes à l'invention présentent de multiples avantages et notamment l'augmentation de la fréquence maximale de fonctionnement par rapport à des microcomposants de dimension et de matériau identique.
  • Ces microcomposants trouvent une application toute particulière dans les applications radiofréquences et notamment dans la téléphonie mobile.

Claims (7)

  1. Microcomposant inductif (1), tel que micro-inductance ou micro-transformateur, comportant un bobinage métallique (2) ayant la forme d'un solénoïde et un noyau magnétique (4) en un matériau ferromagnétique positionné au centre du solénoïde (2), caractérisé en ce que le noyau (4) est constitué de plusieurs tronçons (13-16) séparés par des découpes (17-19) orientées perpendiculairement à l'axe principal (20) du solénoïde (4).
  2. Microcomposant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur (d) des découpes (17-19) séparant chaque tronçon (13-16) du noyau (4), mesurée selon la direction de l'axe principal (20) du solénoïde, est supérieur à quatre fois l'épaisseur (e) du noyau (4).
  3. Microcomposant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le solénoïde (2) est réalisé à partir de cuivre électrolytique déposé sur un substrat isolant.
  4. Microcomposant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le solénoïde (2) est réalisé à partir de cuivre électrolytique déposé sur une couche isolante présente sur un substrat conducteur ou semi-conducteur (6).
  5. Microcomposant selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'épaisseur (e) du noyau est comprise entre 0,1 et 10 micromètres.
  6. Microcomposant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau (4) est réalisé en un matériau choisi dans le groupe comprenant les alliages à base de fer, de nickel, de cobalt, de zirconium ou de niobium.
  7. Microcomposant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau est réalisé en plusieurs couches superposées.
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