FR3009764A1 - Composant ferrite pour application de puissance et procede de fabrication du composant - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un composant inductif comprenant un empilement de couches, ledit empilement comprenant des couches à base de ferrite magnétique caractérisé en ce que : - le ferrite magnétique répond à la formulation chimique : NixMgyZnzCuvCowFe2-δO4 avec v non nul, 0<δ<0.1 et x+y+z+v+w = 1 ; - ledit composant comprend : ○ des pistes en métal noble pouvant être de l'argent, de l'or ou du palladium, à la surface d'au moins une partie des couches de matériau ferrite magnétique ; ○ des éléments diélectriques de ferrite amagnétique, positionnés sur au moins une partie desdites pistes de métal noble et entre au moins deux couches de matériau ferrite magnétique recouverts desdites pistes en métal noble. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication de composant inductif selon l'invention, comprenant la réalisation de bandes coulées et une opération de cofrittage.

Description

Composant ferrite pour application de puissance et procédé de fabrication du composant.

Le domaine de l'invention est celui des composants magnétiques multicouches destinés aux fonctions inductance et transformateur en électronique de puissance et plus précisérnent celui des composants comprenant des matériaux ferrites utilisés à haute et très haute fréquence (entre 1 MHz et 100 MHz) pouvant avantageusement présenter de faibles pertes magnétiques pour des puissances appliquées importantes et pour des fonctionnements dans une large gamme de température, typiquement comprises entre - 50°C et + 150 °C. Dans ce contexte, il a déjà été proposé d'utiliser des matériaux ferrites dits « faibles pertes » destinés à des applications haute fréquence (f > 1 MHz), il peut notamment s'agir de ferrites à base de nickel, zinc et cuivre, cobalt. Ils sont utilisés comme noyaux magnétiques de formes variées (tores, pots, bâtonnets, etc.) et permettent la réalisation d'inductances ou de transformateurs bobinés, la partie bobinage étant réalisée à l'aide de fil de cuivre émaillé ou de conducteur coaxial.

Leurs avantages sont une faible température de frittage (T < 950° C), une perméabilité ajustable entre 10 et 1000, de faibles pertes magnétiques à haute et très haute fréquence, un fonctionnement possible dans une large gamme de température et un coût de fabrication réduit. Actuellement, le développement des matériels électroniques, tant dans les applications civiles que militaires, est lié a la miniaturisation des composants passifs et actifs. Parmi ces composants, les plus volumineux sont les composants passifs inductifs (inductance ou transformateur). Lorsqu'on réduit le volume des composants inductifs, la densité volumique de puissance augmente ce qui conduit à une augmentation de la température de fonctionnement. Les rendements diminuent ainsi que la durée de vie des matériels électroniques. Dans les applications qui mettent en oeuvre de fortes puissances électriques, les pertes du composant inductif sont déterminées essentiellement par les pertes magnétiques dites pertes totales du matériau 35 magnétique utilisé pour la réalisation du noyau.

Les ferrites à base de nickel, zinc, cuivre, cobalt sont particulièrement bien adaptés en raison de leurs propriétés magnétiques adaptées et de leur résistivité électrique élevée pour ce type d'application. De plus, on peut réaliser à partir de ce type de matériau ferrite magnétique, des composants multicouches par la technologie de cofrittage. Il a notamment déjà été proposé d'utiliser la technologie LTCC pour « Low Temperature Cofired Ceramic » nécessitant au préalable la réalisation de bandes coulées de matériau ferrite à base de Ni, Zn, Cu et Co, pour élaborer des composants inductifs. Pour cela, la mise en forme de la poudre céramique consiste à réaliser des bandes d'une épaisseur de 50 à 300 pm. Il est alors possible de déposer sur ces bandes des encres conductrices, notamment à base d'argent, puis d'empiler plusieurs bandes pour réaliser des composants intégrés comme le montrent les figures la et lb. Des couches de ferrite 10 sont recouvertes de pistes par exemple en argent 11, reliées entre elles d'une couche à l'autre par des Via. La figure lb met en évidence des terminaisons métalliques reliées aux spires 12. Afin de réaliser des micro-inductances, des bobinages peuvent être réalisés à partir de métal déposé par sérigraphie ou une autre technique de dépôt de céramiques en couches épaisses. Pour éviter les fuites de flux magnétique, il est indispensable d'isoler magnétiquement les spires du ou des bobinages. Il convient alors d'utiliser des bandes de diélectrique compatibles avec le cofrittage ferrite-argent à 900°C. Néanmoins, des problèmes d'interdiffusion et de coefficients de dilatation thermique différents compliquent la réalisation de tels composants en présence d'éléments intermédiaires de diélectrique. Dans ce contexte, la présente invention propose d'utiliser un matériau diélectrique, pouvant former des bandes coulées pour l'élaboration d'éléments diélectriques, intégrés au composant et ne perturbant pas la composition des éléments en présence lors de l'opération de cofrittage de l'ensemble des constituants du composant : bandes coulées de matériau ferrite, pistes en métal, bandes coulées de matériau diélectrique. Ainsi, la solution proposée consiste à utiliser un ferrite non magnétique, de la même famille que le ferrite magnétique choisi, de sorte à 35 conserver de manière approchante, voire identique, les mêmes éléments chimiques pour les parties magnétiques et diélectriques, et de sorte à assembler des matériaux céramiques dont les coefficients de retrait et de dilatation sont proches. Plus précisément l'invention a pour objet un composant inductif 5 comprenant un empilement de couches, ledit empilement comprenant des couches à base de ferrite magnétique caractérisé en ce que - le ferrite magnétique répond à la formulation chimique NixMgyZnzCuvCowFe2_604 avec v non nul, x+y+z+v+w = 1 et 0<6<0.1 et ; - ledit composant comprend 10 o des pistes en métal noble pouvant être de l'argent, de l'or ou du palladium, à la surface d'au moins une partie des couches de matériau ferrite magnétique ; o des éléments diélectriques de ferrite amagnétique, positionnés sur au moins une partie desdites pistes de 15 métal noble et entre au moins deux couches de matériau ferrite magnétique recouverts desdites pistes en métal noble. Selon une variante de l'invention, les éléments diélectriques sont a base d'une céramique présentant une température de frittage comprise entre 20 800 et 950°C. Selon une variante de l'invention, les éléments diélectriques de ferrite amagnétique sont à base de ferrite comprenant du nickel, du zinc et du cuivre. Selon une variante de l'invention, w est non nul. 25 Selon une variante de l'invention, le ferrite amagnétique répond à la formule suivante : NiaMgbZncCudCoeFe2_ÔO4 avec : C > 0.7, d > 0.1, 0<6<0.1 et a +ID+ c+d +e=1 L'invention a aussi pour objet une micro-inductance comprenant un composant selon l'invention et caractérisée en ce qu'elle comprend des 30 élérnents de spire positionnés sur au moins un ensemble de couches de matériau ferrite magnétique, de manière à réaliser un bobinage intégré audit composant. L'invention a encore pour objet un transformateur comprenant un composant inductif de l'invention et caractérisé en ce qu'il comprend au 35 moins deux séries d'éléments de spire positionnés sur au moins un ensemble de couches de matériau ferrite magnétique, de manière à réaliser deux bobinages intégrés audit composant. Selon une variante de l'invention, les éléments de spire sont reliés d'une couche à l'autre par l'intermédiaire de via conducteurs.

L'invention a aussi pour objet un système électronique comprenant au moins une inductance, et au moins un condensateur, et une commande électronique, caractérisé en ce que l'inductance est un composant inductif selon l'invention. Selon une variante de l'invention, le condensateur dudit système 10 électronique comprend un matériau diélectrique non magnétique. L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication de composant inductif selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - l'élaboration de bandes coulées de matériau ferrite magnétique 15 répondant à la formule suivante : NixMgyZn,CuvCowFe2_ 604 avec v non nul, 0<5<0.1 et x+y+z+v+w = 1 ; la réalisation de pistes métalliques à base de métal noble pouvant être en argent, en or ou en palladium-argent à la surface d'au moins une partie desdites bandes coulées de 20 matériau ferrite magnétique ; - l'élaboration de bandes coulées à base de matériau diélectrique ferrite amagnétique ; - la découpe d'éléments dans lesdites bandes coulées à base de matériau ferrite amagnétique ; 25 - le positionnement desdits éléments au niveau des pistes métalliques à la surface desdites bandes coulées de matériau ferrite ; - une opération de cofrittage de l'ensemble des bandes coulées de matériau ferrite magnétique intégrant les pistes métalliques, 30 et des éléments diélectriques de manière à former ledit composant inductif. Selon une variante de l'invention, l'ensemble des couches magnétiques et amagnétiques peut être réalisé en tout ou partie par une technologie de type jet d'encre.

Selon une variante de l'invention, ie procédé est caractérisé en ce que la réalisation de pistes métalliques est effectuée par une opération de sérigraphie. Selon une variante de l'invention, l'ensemble des couches et pistes 5 métalliques peut être réalisé en tout ou partie par une technologie de type jet d'encre. Selon une variante de l'invention, l'opération de cofrittage est effectuée à une température comprise entre environ 800°C et 950°C. 10 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - les figures 1 a et lb illustrent une micro-inductance de l'art connu ; 15 - les figures 2a et 2b illustrent une structure de transformateur de l'invention comprenant un empilement de spires rnétalliques réalisées à la surface de bandes coulées de ferrite magnétique, lesdites spires étant recouvertes de diélectrique ferrite amagnétique ; 20 - la figure 3 illustre les pertes rnesurées au niveau du primaire d'un transformateur dont la structure comprend un empilement de bandes cofrittées avec un diélectrique classique et avec un diélectrique ferrite amagnétique, en fonction de la tension appliquée ; 25 la figure 4 illustre une variante de composant selon l'invention, dans lequel l'élément diélectrique recouvre intégralement un élément de spire ; - les figures 5a et 5b illustrent un exemple de schéma de raccordement de 2 spires, respectivement côté primaire et côté 30 secondaire dans un exemple de transformateur ; la figure 6 illustre les pertes mesurées au niveau du primaire d'un transformateur comprenant un composant similaire à celui illustré en figure 4, en fonction de la tension appliquée ; - la figure 7 illustre les cotes d'un noyau de transformateur classique du commerce servant à établir des comparaisons de performances avec un composant de l'invention ; - la figure 8 illustre un schéma de principe d'un système électronique à base de substrat céramique multifonctionnel. De manière générale, le composant inductif de la présente invention est un composant comprenant des couches de matériau ferrite magnétique répondant à la formule : NixMgyZn2Cu,CowFe2..s04 avec v non nul, 0<6<0.1 et 10 x+y+z+v+w = 1. Il peut avantageusement s'agir de matériau à base de Ni, Zn, Cu et Co mais ce de manière non limitative. En effet, des composants multicouches réalisés à partir de ferrites NiZnCuCo présentent deux avantages importants : 15 des pertes très faibles à haute fréquence. - la possibilité d'être frittés à basse température, aux environs de 900°C soit 400°C en-dessous de la température de frittage des ferrites conventionnels, ce qui permet de les cofritter avec des diélectriques et des métaux comme l'or ou l'argent. 20 Ainsi, dans un composant inductif de l'invention, les bobinages peuvent être réalisés à partir d'argent déposé par sérigraphie ou une autre technique, par exemple par jet d'encre. Il est à noter que l'ensemble des dépôts de céramique peuvent également utiliser la technique par jet d'encre. Pour éviter les fuites de flux magnétique, on utilise un ferrite non 25 magnétique, également à base de Ni, Zn et Cu (le ferrite amagnétique pouvant également comprendre du Co) de sorte à conserver les mêmes éléments chimiques pour les parties rnagnétiques et non magnétiques, et de sorte à assembler des matériaux céramiques dont les coefficients de dilatation sont proches. 30 Pour cela, en jouant sur la composition du ferrite, il est possible d'en moduler la température de Curie, de manière à abaisser celle-ci et ce en deçà de la température ambiante. On peut ainsi rendre un ferrite amagnétique au-dessus de la température ambiante et lui permettre d'assurer une fonction d'isolation et ainsi permettre d'éviter- les fuites de flux 35 magnétique, en en ajustant la composition.

Les bobinages sont réalisés à partir d'argent déposé par sérigraphie et recouverts d'éléments diélectriques de ferrite amagnétique pour éviter les fuites de flux magnétique. L'association des ferrites NiZnCuCo avec des diélectriques à basse 5 température de frittage et des métallisations à base d'argent permet ainsi la réalisation de composants magnétiques cofrittés performants. On peut ainsi réaliser aisément des fonctions inductances et transformateurs qui sont nécessaires au bon fonctionnement des convertisseurs d'énergie ou des amplificateurs de puissance. 10 Exemple de réalisation d'un transformateur selon l'invention : Un transformateur multicouches a été réalisé, à partir d'un ferrite NiZnCuCo coulé en bande. Le schéma de la structure est donné en figures 15 2a et 2b. On empile 4 couches comme celle décrite en vue de dessus en figure 2b en alternant le côté où sortent les pistes en argent. On referme ensuite avec des couches de ferrites plus épaisses. On termine enfin par les connexions des spires entre elles. Le composant comprend ainsi un noyau de ferrite 20, autour duquel 20 est déposé un élément de spire 30, recouvert d'un élément diélectrique 40, de l'invention soit un ferrite amagnétique, puis sont déposés de manière complémentaire des éléments 21 de ferrite magnétique autour de l'élément diélectrique 40 de ferrite amagnétique. Pour réaliser ce type de structure, on réalise des bandes coulées : 25 de matériau ferrite magnétique, sur lequel sont sérigraphiés les éléments de spire en argent - de matériau ferrite amagnétique, diélectrique - on découpe des élérnents de matériau diélectrique et de matériau ferrite magnétique, disposé dans un même plan. 30 Le tout est cofritté à 900°C sous air pendant 2 heures de manière à réaliser le transformateur. Après frittage, des mesures électriques ont été réalisées au niveau de l'inductance d'entrée (dite au primaire) et au niveau de l'inductance de 35 sortie (dite au secondaire), en termes de pertes en puissance. Plus précisément, on injecte une puissance dans le composant et l'on mesure la puissance dissipée. Deux types de structures ont été testées après réalisation selon le procédé décrit précédemment : l'une mettant en oeuvre des bandes de diélectrique commercial (référence : ULF140 de AFM Microelectronics Inc.), l'autre, des bandes de ferrite amagnétique, de composition : Ni005Cuo.2Zno 75Fel 9604 Transformateur Matériau Inductance au Inductance de « diélectrique » primaire fuite TA Diélectrique ULF 140 Lp = 1.1 pH Lf= 0.8 pH TB Ferrite amagnétique Lp= 1.26 pH Lf= 1 pH On constate que les inductances au primaire sont faibles et tout à fait comparables entre les deux transformateurs, et les inductances de fuite relativement importantes, ces inductances de fuite rendant compte du couplage entre le primaire et le secondaire.

L'évolution des pertes à 2 MHz, en fonction de la tension efficace appliquée, a été mesurée pour ces deux structures de transformateur, côté primaire. Les résultats sont donnés en figure 3. La courbe 3a est relative à la structure avec le diélectrique ULF 140, la courbe 3b est relative à la structure avec le diélectrique de ferrite amagnétique.

On constate que les pertes sont plus élevées lorsqu'on utilise du diélectrique ULF140 ce qui peut s'expliquer par la présence de contraintes générées par la différence des coefficients de retrait. Pour diminuer l'inductance de fuite et améliorer encore le couplage, le Demandeur a réalisé des structures pour lesquelles la sortie des conducteurs en argent ne traverse pas le ferrite rnagnétique, pour un transformateur référencé TC, comme illustré en figure 4. Selon cette variante, l'élément diélectrique 40' recouvre l'intégralité de l'élément de spire 30.

Les figures 5a et 5b illustrent un exemple de schéma de raccordement des 2 spires respectivement côté primaire et côté secondaire, illustrés représentants des portions de solénoïdes. Les inductances au primaire et celle de fuite ont été mesurées, les valeurs obtenues sont données ci-dessous pour le transformateur TC : TC Ferrite amagnétique p= 1.68 pH = 0.165 pH On constate une nette diminution de l'inductance de fuite indiquant un meilleur couplage. 10 Les pertes en puissance ont été mesurées pour le transformateur TC dans les mêmes conditions que celles pour les transformateurs TA et TB. On constate là aussi une nette amélioration, avec un gain de plus d'un facteur 3 par rapport au meilleur résultat précédent. Le Demandeur a ensuite pu effectuer la mesure jusqu'à 15 V efficaces. 15 La figure 6 illustre les pertes totales pour le transformateur TC, en fonction de la tension efficace appliquée, mesurées côté primaire. Pour évaluer les performances de ce composant par rapport à l'état de l'art, le Demandeur a choisi de le comparer à un transformateur 22, 20 présentant 2 spires au primaire et 2 spires au secondaire réalisé avec du fil de cuivre de diamètre 300 pm sur un noyau de ferrite 4F1 de Ferroxcube. Ce choix se justifie par les remarques suivantes le transformateur TC étant de petite dimension, les valeurs d'inductance sont faibles et pour obtenir des valeurs similaires 25 avec un noyau plus gros, il est nécessaire de choisir une perméabilité encore plus faible, ce qui empêche l'utilisation de ferrites Mn-Zn ; ce ferrite est un ferrite de puissance haute fréquence donc parfaitement adapté à la présente comparaison ; 30 - ses pertes à 3 MHz et 10 mT, données par le fabricant, valent 200 mVV/crn3. Le noyau de ferrite 4F1 de Ferroxcube retenu est un noyau de type E22, la lettre E correspondant à forme du noyau comme indiqué sur le schéma de la figure 7, illustrant les côtes.

Les dimensions sont données en mm. Les paramètres effectifs pour un noyau constitué de 2 E accolés sont reportés dans le tableau ci-dessous : Longueur effective 31.6 mm Section effective 78.5 mm2 Volume effectif 2480 mm3 Le noyau E22 en 4F1 a été bobiné de 2 spires pour le primaire et de 2 spires identiques au secondaire. Le Demandeur a mesuré les inductances au primaire et celle de fuite qui ont été comparées à celles du transformateur TC. Le coefficient de couplage a également été mesuré en comparant les tensions au primaire et secondaire pour une excitation au primaire fixée. Transformateur Inductance Inductance de couplage primaire fuite TC Lp= 1.68 pH Lf= 0.165 pH 66% E22 / 4F1 Lp = 1.7 pH Lf = 0.205 pH 59% On constate que les résultats sont similaires, avec des performances légèrement meilleures pour le transformateur TC cofritté.

Pour finaliser la comparaison, le Demandeur a mesuré les pertes à 2 MHz en fonction de la tension appliquée. Pour une tension efficace de 15 V (signal sinusoïdal), les résultats sont les suivants : - 540 mW pour le transformateur TC cofritté ; - 480 mW pour le transformateur en 4F1. Des pertes similaires (environ 10% de moins pour le transformateur en 4F1) ont été obtenues mais pour une structure cofrittée de volume 6 fois plus faible. Si l'on compare non plus les volumes réels mais les volumes apparents, on obtient un gain d'un facteur 10, démontrant par la même, le potentiel des composants cofrittés réalisés.

Ce type de composants inductifs de la présente invention avérés performants, de petite taille, peuvent être avantageusement intégrés dans des systèrnes plus complexes comprenant toutes les fonctions passives à base de céramiques (inductances, transformateurs, condensateurs, filtres) dans un substrat grâce à l'utilisation de matériaux compatibles et à la technologie de cofrittage. Sur une face du substrat peuvent être rapportés des composants discrets et sur l'autre face, une plaque refroidie. Un tel système est illustré en figure 8 qui met en évidence sur un substrat céramique 100, une structure multicouche cofrittée 101, des couches élémentaires 102, une plaque refroidie 300, une commande électrique 400 et une fonction à alimenter 500. L'ensemble des couches constitutives des composants inductifs et des condensateurs sont ainsi avantageusement réalisées en matériau ferrite magnétique et ferrite amagnétique.15

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Composant inductif comprenant un empilement de couches, ledit empilement comprenant des couches à base de ferrite magnétique 5 caractérisé en ce que : - le ferrite magnétique répond à la formulation chimique NixMgyZn,Cu,Co,,Fe2_b04 avec v non nul, 0<6<0.1 et x+y+z+v+w = 1 ; ledit composant comprend : o des pistes en métal noble pouvant être de l'argent, de 10 l'or ou du palladium-argent, à la surface d'au moins une partie des couches de matériau ferrite magnétique ; o des éléments diélectriques de ferrite amagnétique, positionnés sur au moins une partie desdites pistes de métal noble et entre au moins deux couches de matériau 15 ferrite magnétique recouvertes desdites pistes en métal noble.
2. 2. Composant inductif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments diélectriques sont à base d'une céramique de ferrite 20 amagnétique présentant une température de frittage comprise entre 800 et 950°C.
3. 3. Composant inductif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les éléments diélectriques sont à base de ferrite 25 amagnétique comprenant du nickel, du zinc et du cuivre.
4. 4. Composant inductif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le ferrite amagnétique répond à la formule suivante : NiaMgbZncCudCoeFe2_604 avec c > 0.7, d > 0.1, 0<6<0.1 et a + b + c + d + e 30 =1.
5. 5. Composant inductif à base de ferrite selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que w est non nul.
6. 6. Micro-inductance comprenant un composant inductif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend des éléments de spire positionnés sur au moins un ensemble de couches de matériau ferrite magnétique, de manière à réaliser un bobinage intégré audit composant.
7. 7. Transformateur comprenant un composant inductif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux séries d'éléments de spire positionnés sur au moins un ensemble de couches de matériau ferrite magnétique, de manière à réaliser un bobinage intégré audit composant.
8. 8. Système électronique comprenant au moins un composant inductif, et au moins un condensateur et une commande électronique, 15. caractérisé en ce que le composant inductif répond à l'une des revendications 1 à 5.
9. 9. Système électronique selon la revendication 8, caractérisé en ce que le condensateur comprend un matériau en ferrite amagnétique. 20
10. 10. Procédé de fabrication de composant inductif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - l'élaboration de bandes coulées de matériau ferrite magnétique répondant à la formule suivante : NixMgyZnzCu,CowFe2.. 25 b04 avec v non nul, 0<6<0.1 et x+y+z+v+w = 1 la réalisation de pistes métalliques à base de métal noble pouvant être en argent, en or ou en palladium à la surface d'au moins une partie desdites bandes coulées de matériau ferrite magnétique ; 30 l'élaboration de bandes coulées à base de matériau diélectrique ferrite amagnétique ; la découpe d'éléments dans lesdites bandes coulées à base de matériau ferrite amagnétique ;le positionnement desdits éléments au niveau des pistes métalliques à la surface desdites bandes coulées de matériau ferrite ; une opération de cofrittage de l'ensemble des bandes coulées de matériau ferrite magnétique intégrant les pistes métalliques, et des éléments diélectriques de manière à former ledit composant inductif.
11. 11. Procédé de fabrication de composant inductif, selon la 10 revendication 10, caractérisé en ce que la réalisation de pistes métalliques est effectuée par une opération de sérigraphie.
12. 12. Procédé de fabrication de composant inductif, selon la revendication 10, caractérisé en ce que les pistes métalliques sont 15 déposées par jet d'encre.
13. 13. Procédé de fabrication de composant inductif, selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l'opération de cofrittage est effectuée à une température comprise entre environ 800°C et 950°C. 20