FR2908231A1 - Noyau magnetique ferme en forme de spirale et micro-inductance integree comportant un tel noyau magnetique ferme - Google Patents
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Abstract
Le noyau magnétique (1) fermé est destiné à l'utilisation pour une micro-inductance intégrée. Le noyau magnétique a une forme de spirale, de préférence sensiblement rectangulaire. La spirale comporte deux extrémités (2) reliées l'une à l'autre par un segment de fermeture (3). Le noyau magnétique (1) peut être constitué par une pluralité (4, 5) de branches et au moins deux branches peuvent être disposées dans des plans différents parallèles. De plus, deux branches peuvent avoir des épaisseurs différentes. Le noyau magnétique peut comporter un entrefer.
Description
1 Noyau magnétique fermé en forme de spirale et micro-inductance intégrée
comportant un tel noyau magnétique fermé Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un noyau magnétique fermé pour une micro-inductance intégrée. État de la technique L'invention s'inscrit dans la thématique des micro-inductances intégrées pour des applications en électronique de puissance. Elle peut, d'une manière plus 15 générale, s'appliquer à tous les systèmes inductifs (inductances, transformateurs, têtes d'enregistrement magnétique, actionneurs, capteurs, etc...) nécessitant une haute densité de puissance électrique. Il existe depuis de nombreuses années des micro-inductances de divers 20 types, utilisant des bobinages de type spirale ou solénoïde. Cependant, les composants discrets restent très majoritairement utilisés dans des applications utilisant de fortes densités de puissance car ils offrent un meilleur compromis entre inductance et courant de saturation. 25 Un bobinage de type spirale avec pian magnétique est facile à intégrer et permet de travailler à de forts courants. Cependant, ce type de dispositif devient très encombrant dès lors que l'on vise de fortes valeurs d'inductance (L de l'ordre du pH), parce qu'il faut un nombre de tours de spirale élevé. De plus, la résistance de tels dispositifs est importante. 30 2908231 2 Les micro-inductances intégrées toroïdales avec bobinage solénoïde, ainsi que leurs améliorations en méandres (voir l'article Integrated Electroplated Micromachined Magnetic Devices Using Low Temperature Fabrication Processes by J.Y.Park et. al., IEEEI Transactions on Electronics Packaging 5 Manufacturing, Vol. 23, n .1, 2000), sont directement inspirées des composants discrets et présentent le meilleur compromis possible entre résistance et niveau d'inductance, car on s'approche du cas idéal du solénoïde infini. Cependant, des simulations montrent que le flux magnétique à l'intérieur du noyau est réparti de façon très inhomogène. Le champ ~o magnétique est plus intense le long des lignes de champ les plus courtes. Les zones du noyau magnétique soumises aux champs les plus intenses sont très rapidement saturées, provoquant une diminution de l'inductance dès des faibles courants, alors que d'autres zones sont soumises à des champs beaucoup plus faibles et rie participent que peu ou pas au phénomène inductif, c'est-à-dire elles n'ont pas de contribution à la valeur de l'inductance. Les zones utiles du noyau magnétique sont donc très vite saturées alors que d'autres zones restent non sollicitées. De plus, la puissance maximale passant dans une inductance est déterminée par le volume de matériau magnétique utilisé dans le cas d'un composant intégré. Ce volume est déterminé par l'épaisseur de matériau magnétique (épaisseurs inférieures à 100 microns pour des composants intégrés) et la surface occupée par ce noyau magnétique.
Les transformateurs et inductances avec noyau magnétique en forme de E ou de El sont très utilisés en électrotechnique, essentiellement dans des transformateurs discrets (et dans les dispositifs de type DC/DC discrets) afin de faciliter l'assemblage et le bobinage des inductances, ou bien pour pouvoir jouer sur les facteurs de conversion entre les trois bobinages de chaque branche, ou sur les effets d'inductances mutuelles entre les bobinages distincts de chaque branche (voir l'article New Magnetic 2908231 3 Structures for Switching Converters de S.Cuk, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-19, n .2, 1983). Dans ces dispositifs, le bobinage n'est pas continu d'une branche à l'autre, nnais réalisé par des fils distincts.
5 La plupart des micro-inductances utilisées sur le marché sont des composants discrets fabriqués par des procédés micromécaniques de micro usinage, collage, micro-enroulement, etc... Ces procédés sont lourds à mettre en oeuvre, à traitement individuel, peu flexibles en termes de conception et limitent grandement la miniaturisation des circuits de ~o puissance. En particulier, l'épaisseur des micro-inductances discrètes (typiquement supérieur à 0.5 mm) ne permet pas une mise en boîtier appropriée aux circuits d'alimentation ui:ilisés actuellement pour la téléphonie mobile, par exemple.
15 Les techniques de fabrications utilisées en microélectronique permettent une flexibilité bien plus grande au niveau de la mise en oeuvre de conceptions différentes, assurent un traitement collectif et sont compatibles avec l'idée de miniaturisation car l'épaisseur (substrat compris) peut facilement être inférieure à 300 pm). Cependant, elles sont mal adaptées au dépôt de fortes 20 épaisseurs (supérieures à 10pm) de matériaux conducteurs, magnétiques ou diélectriques et à leur gravure après photolithographie. Pour les composants intégrés, on se heurte à des contraintes de réalisation technologique. En effet, des dépôts de couches conductrices ayant une 25 épaisseur supérieure à 100 micromètres ne sont pour l'instant pas envisageable dans un procédé industriel standard. L'article Numerical Inductor Optimization de A. von der Weth et al. (Trans. Magn. Soc. Japan, Vol.2, No.5, pp.361-366, 2002) décrit une micro-30 inductance avec un circuit magnétique ouvert de type multi-branche. Une pluralité de spires disjointes les unes des autres constitue un bobinage 25 2908231 autour des branches du noyau magnétique. Pour ces dispositifs, on cherche à augmenter le niveau d'inductance et à minimiser les pertes. Les micro-inductances intégrées présentent en général une inductance qui 5 diminue fortement lorsque le courant appliqué aux spires de la micro- inductance est augmenté, même pour des courants faibles, ce qui oblige d'utiliser des inductances discrètes non-intégrées, dans certain cas. Les puces microélectroniques de petites dimensions (quelques millimètres 10 au carré) sont généralement de forme carrée. L'intégration d'inductances impose donc des contraintes que l'on ne connaît pas pour les composants discrets. Les solutions proposées sons: donc souvent complexes. Pour les inductances, en particulier, on cherche à minimiser la surface occupée, d'autant plus que le recours aux techniques de dépôt en couches minces 15 limite grandement les épaisseurs utiles. En effet, la puissance d'une inductance Llsat2 (L étant l'inductance et Isat le courant de saturation) dépend directement du volume de matériau magnétique disponible.
20 Objet de l'invention L'objet de l'invention est d'augmenter la compacité d'un noyau d'une micro-inductance intégrée et, pour un encombrement donné, d'augmenter la valeur de l'inductance. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le noyau magnétique a une forme de spirale comportant deux extrémités reliées l'une à l'autre par un segment de fermeture.
30 Le noyau a, de préférence, une forme de spirale de type rectangulaire.
2908231 5 Le noyau magnétique peut être constitué par une pluralité de branches. Au moins deux branches peuvent être disposées dans des plans différents parallèles. Au moins deux branches peuvent avoir des épaisseurs différentes. Le noyau magnétique peut comporter au moins un entrefer. L'invention a également pour but une micro-inductance intégrée comportant un noyau magnétique selon l'invention. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la 15 description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente, en vue de perspective, un mode de réalisation particulier d'un noyau magnétique fermé selon l'invention, 20 - les figures 2 à 4 illustrent respectivement, en vue de dessus, deux noyaux magnétiques fermés selon l'art antérieur et un mode de réalisation particulier du noyau magnétique fermé selon l'invention, la figure 5 représente, en coupe selon l'axe A-A de la figure 4, un mode de réalisation particulier de l'invention, 25 la figure 6 représente, en vue de dessus, un mode de réalisation particulier d'un noyau magnétique fermé selon l'invention, la figure 7 illustre un mode de réalisation particulier d'une micro-inductance intégrée selon l'invention.
5 10 30 2908231 6 Description d'un mode préférentiel cle l'invention Le noyau magnétique 1, représenté sur la figure 1, a une forme de spirale. La spirale comporte deux extrémités 2 reliées l'une à l'autre par un segment 5 de fermeture 3. Ainsi, le noyau magnétique 1 est fermé. Sur la figure 1, le noyau magnétique 1 est constitué par un premier jeu 4 de cinq branches parallèles et un second jeu 5 de quatre branches parallèles, sensiblement perpendiculaires aux branches du premier jeu 4. La spirale 10 constituée par l'ensemble des branches des deux jeux 4 et 5 est ainsi rectangulaire. Le raccordement constitué par le segment de fermeture 3 s'ajoute à la spirale pour former le noyau magnétique 1. Comme illustré par l'intermédiaire des figures 2 à 4, le noyau magnétique 1 15 permet de maximiser l'occupation de l'espace au centre du noyau 1 et de la micro-inductance correspondante. On définit une longueur I du noyau magnétique, correspondant à la longueur développée du circuit magnétique, et le nombre N de spires du bobinage 20 entourant le noyau magnétique 1. On peut démontrer, par l'intermédiaire du modèle des réluctances, les expressions suivantes (L étant l'inductance et Lat le courant de saturation) : L û N'A, Isat ' I/N et 25 1-Lat' -1. Ainsi, pour augmenter la puissance de saturation Psat=Llsat2 de l'inductance, on cherche à augmenter la longueur I du noyau magnétique. L'inductance L et le courant de saturation Isat résultent ainsi d'un compromis sur le nombre de spires N, qui est d'autant plus grand que la longueur I du noyau est grand.
30 2908231 7 Une inductance annulaire selon l'art antérieur, représentée à la figure 2, s'adapte particulièrement bien à une puce de forme carrée. La longueur de l'anneau développé dépend du périmètre extérieur de la puce. Cette géométrie ne permet pas d'exploiter la partie centrale de la puce.
5 La figure 3 représente une amélioration de l'inductance annulaire, l'inductance en méandres décrite dans l'article de Park précité. L'inductance en méandres permet d'utiliser la zone centrale en étirant l'une des quatre branches de l'anneau de manière à constituer un ou plusieurs méandres 10 couvrant la partie centrale. Cette solution permet d'augmenter la longueur I du noyau à surface constante. En utilisant des règles de conception habituelles, l'occupation de la zone centrale par le noyau en méandres (figure 3) permet d'obtenir un gain sur la longueur I du noyau de l'ordre de 33%, par rapport au noyau annulaire (figure 2). En augmentant le nombre N 15 de spires en fonction de la longueur I du noyau, on obtient un compromis avec un gain sur l'inductance L d'environ 20 % et un gain sur le courant de saturation Isat d'environ 10 %. Toutefois, l'inductance sous forme de méandres n'est optimale que dans des 20 cas particuliers où la largeur de l'anneau et la largeur des branches vérifient certaines conditions de géométrie. En effet, la zone centrale doit être suffisamment grande pour permettre l'insertion d'un nombre entier de méandres.
25 Comme représenté à la figure 3, le noyau a une largeur globale T, les branches ont une largeur W et l'espacement entre deux branches adjacentes doit être supérieur à un espacement minimum S. Ainsi, pour un nombre Nm de méandres donné, la largeur globale T du noyau doit remplir la condition : Tz2W+Nm*2VV4.(2Nm+1)*S.
2908231 13 Le rapport du nombre Nm de méandres sur la surface de la zone centrale est maximisé lorsque la partie gauche et la partie droite de l'équation sont égales : T=2W+Nm*2W'+(2Nm+1)*S.
5 En admettant que la largeur W des branches et l'espacement minimum S sont égaux (S=W) la condition se simplifie : T/Wz3 +4Nm, où T/W est le rapport de la largeur globale T sur la largeur W des branches.
10 Pour T/W=7, 11, 15..., le noyau en méandres permet donc de remplir la zone centrale de façon optimale. Pour T^W=9, 13, 17... cependant, une partie importante de la zone centrale reste inutilisée. La mise en oeuvre de noyaux en méandres est donc restrictive dans la pratique puisque la taille de la puce et la largeur des branches sont en général imposées de façon indépendante.
15 Une partie de la zone centrale peut ainsi rester inutilisée. Le noyau magnétique 1 fermé en forme de spirale présente une plus grande indépendance vis-à-vis des contraintes dimensionnelles, et permet ainsi d'optimiser la longueur I du noyau, l'inductance L et le courant de saturation 20 Isat pour une surface donnée quelconque. Comme précédemment, le gain sur la longueur de noyau I et le gain en puissance du noyau en spirale (figure 4) peuvent être évalués vis-à-vis de la structure annulaire de référence (figure 2). Il convient alors de distinguer deux cas : Lorsque le rapport T/W équivaut essentiellement à la partie de droite de 25 l'équation ci-dessus, c'est-à-dire lorsque T/Wû3 +4Nm (=.7, 11, 15...), le noyau en spirale fermé et le noyau en méandres sont comparables, car le gain sur la longueur et le gain sur la puissance sont comparables. - Lorsque l'équation ci-dessus n'est pas vérifiée, le noyau en spirale 30 fermée permet d'obtenir un gain en longueur I et un gain en puissance plus importants que le noyau en méandres, par exemple pour T/W 2908231 9 compris entre 8 et 10 (8<T/W<10) ou pour T/W compris entre 12 et 14 (12<T/W<14). En particulier, dans le cas d'un rapport T/W = 9, le noyau en spirale (figure 4) 5 permet d'obtenir 53% de gain sur la longueur I et sur la puissance, par rapport à l'anneau (figure 2). Les branches et le segment de fermeture 3 ont une direction préférentielle de propagation du flux magnétique en dynamique. Les axes magnétiques des ~o branches et du segment de fermeture 3 sont orientés les uns par rapport aux autres, de manière à obtenir un flux sous forme d'une boucle fermée comme représenté à la figure 4 par les flèches 6. Les branches peuvent être disposées dans des plans différents parallèles.
15 Ainsi, comme représenté à la figure 5, le premier jeu 4 de branches parallèles est disposé dans un premier plan et le second jeu 5 de branches parallèles est disposé dans un second plan, parallèle au premier plan et supérieur au premier plan sur la figure 5. Par ailleurs, les branches peuvent avoir des épaisseurs différentes. Ainsi, sur la figure 5 les branches du 20 premier jeu 4 sont moins épaisses que les branches du second jeu 5. Ceci permet notamment d'adapter le noyau aux contraintes locales de la puce utilisée et des composants électroniques adjacents. Un ou plusieurs entrefers peuvent éventuellement couper le noyau 25 magnétique 1 afin d'augmenter la réluctance du circuit magnétique. Le noyau magnétique 1 représenté à la figure 6 comporte plusieurs entrefers 11 de dimension faible (au moins un facteur 1/10 entre la dimension de l'entrefer et la longueur totale du circuit magnétique). Les entrefers peuvent être disposés dans une ou plusieurs des branches.
30 2908231 10 Comme représenté aux figures 1, 4 et 6, les branches constituent une spirale de type rectangulaire, ou au moins sensiblement rectangulaire, ayant deux spires s'inscrivant dans deux rectangles concentriques. Cependant, selon les besoins, des spirales plus complexes peuvent être envisagées. Les formes 5 mises en jeu peuvent être quelconques, par exemple la géométrie de la spirale est rectangulaire, ronde, carrée ou octogonale. L'homme du métier détermine la forme particulière en utilisant des logiciels de simulation tels que le logiciel Flux de la société Cedrat ou le logiciel Maxwell de la société Ansoft.
10 La figure 7 illustre une micro-inductance comportant le noyau magnétique 1 selon l'invention. Une pluralité de spires 9 disjointes constitue un bobinage autour du noyau magnétique 1. Toutes les branches du noyau peuvent comporter des spires de bobinage. De préférence, les spires enveloppent la 15 quasi-totalité de la surface du noyau magnétique 1, un écart d'isolement minimum séparant les spires adjacentes. Chaque spire peut comporter une section plane inférieure dans un plan inférieur, une section plane supérieure dans un plan supérieur et deux sections montantes. Le bobinage comporte, de préférence, une entrée électrique unique et une sortie électrique unique.
20 Le segment de fermeture 3 ne comporte, de préférence, pas de spires 9. Pour les composants intégrés utilisant des techniques de micro-fabrication classiques, la micro-inductance ne présente aucune difficulté de fabrication additionnelle par rapport aux systèmes conventionnels préexistants.
25 Pour le noyau magnétique 1, on utilise des matériaux magnétiques à forte perméabilité (supérieure à 10), typiquement des alliages à base de fer (Fe) et/ou de nickel (Ni) et/ou de cobalt (Co) et pouvant contenir l'un ou plusieurs des éléments suivants : aluminium (Al): silicium (Si), tantale (Ta), hafnium 30 (Hf), azote (N), oxygène (0) et bore (B). Le noyau peut être hétérogène et constitué de plusieurs couches ferromagnétiques et conductrices ou 2908231 11 diélectriques (non magnétiques) ou antiferromagnétiques. En particulier, le noyau peut être constitué d'une alternance de couches magnétiques et de couches intermédiaires, par exemple un empilement comportant deux couches magnétiques séparées par une couche intermédiaire. Les couches 5 intermédiaires peuvent, par exemple, être en métal (cuivre Cu, titane Ti ou ruthénium Ru, par exemple) ou en un matériau isolant comme l'oxyde de silicium SiO2 ou l'oxyde d'aluminium AI2O3, par exemple. Les couches intermédiaires peuvent également être constituées par des matériaux antiferromagnétiques comme l'oxyde de nickel NiO ou les alliages de 10 manganèse (Mn) comportant du nickel (NiMn), de l'iridium (IrMn) ou du platine (PtMn). La micro-inductance n'est pas limitée dans sa fréquence d'utilisation, et pourrait convenir à des utilisations à haute fréquence, qui réclament toujours 15 plus de puissance. On peut alors très bien imaginer de tels composants travaillant dans la gamme des micro-ondes et remplaçant les inductances intégrées ou discrètes, avec ou sans matériau magnétique, qui sont habituellement utilisées. On retrouve alors des applications de type filtrage, adaptation d'impédance, etc. 20
Claims (9)
1. Noyau magnétique (1) fermé pour une micro-inductance intégrée, caractérisé en ce qu'il a une forme de spirale comportant deux extrémités (2) reliées 5 l'une à l'autre par un segment de fermeture (3).
2. Noyau magnétique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a une forme de spirale de type rectangulaire!. 10
3. Noyau magnétique (1) selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le noyau magnétique (1) est constitué par une pluralité de branches.
4. Noyau magnétique (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'au moins deux branches sont disposées dans des plans différents parallèles.
5. Noyau magnétique (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un premier jeu (4) de branches parallèles est disposé dans un premier plan et un second jeu (5) de branches parallèles est disposé dans un second plan. 20
6. Noyau magnétique (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que les branches du premier jeu (4) de branches parallèles sont sensiblement perpendiculaires aux branches du second jeu (5) de branches parallèles.
7. Noyau magnétique (1) selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, 25 caractérisé en ce qu'au moins deux branches ont des épaisseurs différentes.
8. Noyau magnétique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte au mois un entrefer (11). 3o
9. Micro-inductance intégrée, caractérisée en ce qu'elle comporte un noyau magnétique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 12 15
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