Brevet FR2641438A1 — publié le 19900706

DESCRIPTION "Circuit inductif intégré". La présente invention concerne un circuit inductif planaire constitué d'enroulements et d'éventuellement un noyau en matériau magnétique, les enroulements étant élaborés par empilement de couches isolantes sur la surface desquelles sont disposées une pluralité de spires conductrices plates en forme de spirale, situées dans des plans parallèles ou confondus, le noyau en matériau magnétique, lorsqu'il existe, entourant étroitement lesdits enroulements en traversant des fenêtres ménagées dans l'empilement de couches isolantes. Un tel circuit inductif est décrit dans la publication PCIM (Août 1986) le titre de l'article étant "1 MHz Resonant Converter Power Transformer is small, efficient, economical". Cet article expose les problèmes rencontrés lors de la conception de circuits inductifs haute fréquence aux alentours et au-dessus d'l MHz. Il propose notamment un transformateur de puissance pour lequel ont été réduits, les pertes par courant de Foucault, l'effet de peau, l'inductance de fuite et de manière générale les inconvénients qui se présentent lors de l'élaboration d'une alimentation de puissance en haute fréquence. Ainsi, les enroulements du transformateur sont réalisés au moyen de spirales continues et plates en cuivre situées sur des substrats diélectriques indépendants.Les différents circuits imprimés constitués chacun par le substrat et la spire en cuivre sont empilés alors qu'une plaque isolante est insérée entre deux circuits imprimés consécutifs. Une telle réalisation, bien que comportant les avantages ci-avant énumérés présente cependant divers inconvénients. En effet, pour chaque circuit inductif, il est nécessaire de développer une série de circuits imprimés. En outre le procédé qui consiste à empiler les différents circuits imprimés séparés par des plaques isolantes ne permet pas d'assurer une bonne reproductibilité des circuits inductifs et donc de leurs caractéristiques. La présente invention propose un circuit inductif planaire du type précité qui ne présente pas les divers inconvénients tout en conservant les avantages du circuit inductif connu. Pour cela le circuit inductif planaire du genre mentionné dans le préambule est remarquable en ce qu'il est monolithiquement intégré sur ou dans un substrat unique comportant au moins une couche conductrice, substrat sur ou dans lequel sur la ou sur chaque couche conductrice est formée au moins une spire déterminée alors que les connexions transversales désirées entre spires sont réalisées sélectivement selon la technologie des trous métallisés et en particulier des trous enterrés et des trous borgnes. Ainsi le choix d'une intégration du circuit inductif par exemple sur un circuit monocouche ou dans un circuit multicouche (bien que l'article dans la publication PCIM déconseille expressément le choix d'une telle solution) autorise à une réalisation simple, efficace et peu onéreuse et ceci relativement à toute autre technique connue.En outre les circuits inductifs ainsi obtenus sont parfaitement fiables et reproductibles ce qui rend leur utilisation pratique et sûre même à des fréquences élevées (par exemple jusqu'à 10 MHz). Enfin le calcul des paramètres et des caractéristiques relatifs à des circuits ainsi réalisés est aisé, par exemple, quant au couplage magnétique, à l'inductance de fuite, aux capacités parasites, au flux de fuite, à l'isolement et la rigidité diélectrique (2 à 3 kV entre couches), etc... Un autre important avantage se dégage du fait du choix d'une telle réalisation. En effet un tel circuit inductif peut être directement intégré à une carte de circuit imprimé monocouche ou multicouche destinée à recevoir une pluralité de composants discrets, les connexions avec lesdits composants étant alors directement réalisées sur la couche conductrice ou entre couches conductrices. Ainsi, lorsque des circuit inductifs doivent être implantés sur une carte de circuit imprimé, il suffit de prévoir leur implantation lors du développement et de la fabrication du circuit imprimé, ce qui n'impose qu'un très faible coût supplémentaire pour celui-ci. Le coût global est quant à lui sensiblement diminué puisque les divers circuits inductifs ne sont pas fabriqués de manière indépendante, de plus aucune connexion extérieure n'est à prévoir pour les diverses liaisons des circuits inductifs aux autres composants du circuit imprimé, ces liaisons étant avantageusement réalisées sur la couche conductrice ou entre couches conductrices, ce qui a pour effet d'améliorer encore la fiabilité, la reproductibilité et le comportement en haute fré quence. La description suivante en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure la représente une vue de dessus d'une couche conductrice présentant un ensemble de spires. La figure lb propose une vue en coupe d'un circuit imprimé multicouche et d'un exemple d'interconnexion par trous enterrés et trous borgnes. La figure 2 donne un exemple de réalisation d'un transformateur sur circuit imprimé. Sur la figure ta est proposée, en exemple, une vue de dessus d'une couche conductrice quelconque sur laquelle a été formée, par tout procédé connu en technique de circuit imprimé, un ensemble de deux spires T1 et T2 en forme de spirale. Ces deux spires qui se trouvent donc sur un même plan sont distinctes l'une de l'autre et sont reliées lorsqu'elles sont intégrées dans un circuit multicouche (par exemple par les points V1, V2, V3, V4) à d'autres spires formées sur une couche conductrice interne (inférieure ou supérieure1 selon la technologie des trous enterrés ou sur une couche conductrice externe (inférieure ou supérieure) au moyen de trous borgnes ou enfin sur plusieurs couches internes et externes au moyen de trous métallisés.Cet exemple de réalisation de deux spires n'est bien entendu pas limitatif, une spire unique ou un ensemble de plus de deux spires pouvant être formé selon les besoins. Le calcul permet de déterminer la largeur nécessaire des spires. La réalisation par photogravure permet d'atteindre à une grande précision ce qui autorise une excellente reproductibilité, un couplage constant, et garantit l'obtention des caractéristiques désirées et calculées. Sur la figure lb est représentée une vue en coupe constituant un empilage d'un circuit imprimé multicouche PC qui dans cet exemple comporte 8 couches conductrices en cuivre (CLA, CLB, CLC, CLD, CLE, CLF, CLG, CLH) les interconnexions - entre couches se faisant par dépôt de cuivre sur la surface interne d'un trou enterré BUV entre couches internes ou d'un trou borgne BLV entre une couche interne et une couche externe. Une description détaillée relative à la définition et à la fabrication des trous enterrés et trous borgnes est donnée dans la documentation PHILIPS : Philips Components de septembre 1988, m09398 063 80011.Entre chaque couche conductrice se trouve bien entendu une couche d'isolement'(ILi, IL2, IL3, IL4, ILs, ILs, IL7) par exemple en stratifié. Sur la figure 2 est proposé un exemple de réalisation d'un transformateur selon l'invention. Ce transformateur est réalisé sur un circuit imprimé ou une carte de circuit imprimé PCB comportant 8 couches avec raccordement des spires (figure 1) par trous enterrés et trous borgnes (figure 2). Dans cet exemple de réalisation le transformateur est du type Forward résomant, il est parfaitement adapté à la conversion haute fréquence (par exemple 1 MHz) et permet de transmettre des puissances importantes (par exemple 75 W.). Dans cet exemple de réalisation, ce transformateur comporte un enroulement primaire de 2 spires, un enroulement de récupération de 2 spires et un enroulement secondaire de 4 spires. L'enroulement de récupération sert à écouler le courant magnétisant au moyen par exemple d'une diode de roue libre connectée.à ses bornes. Le matériau magnétique (3F3) du noyau est de type EI42, la partie E est spécialement usinée pour s'adapter à l'épaisseur du circuit imprimé, la partie I est également de faible épaisseur. Des cales isolantes Ipi, 1P2 sont placées respectivement entre la partie E et le circuit PCB et la partie I et le circuit PCB. Dans le circuit imprimé PCB des fenêtres W1, Wz, W3 sont ménagées de manière à laisser passer la partie E du noyau magnétique et un moyen de fixation FM (par exemple une bride) dudit noyau au circuit imprimé. Une fois fixé le noyau magnétique entoure ainsi étroitement les enroulements réalisés dans le circuit imprimé. Le transformateur peut, selon l'invention, être fabriqué isolément ou être directement intégré à une carte de circuit imprimé comportant d'autres composants, les liaisons étant alors directement et avantageusement effectuées entre couches conductrices. Le circuit magnétique peut être de tout type et de toute matière, de même celui-ci peut être fixé par collage ou tout autre moyen par exemple par bride, par clip, etc... Une telle réalisation de circuits inductifs est parfaitement adaptée à une utilisation en haute fréquence (jusqu'à 10 MHz) et à puissance élevée (environ 100 W). De tels circuits sont néanmoins avantageusement utilisables pour des fréquences relativement basses (jusqu'à environ 50 kHz) mais ceci pour des puissances moindres (environ 10 W). En outre et à l'évidence, il est à noter que la réalisation d'un circuit inductif intégré par exemple dans un circuit hybride ne sortirait pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit inductif planaire constitué d'enroulements et d'éventuellement un noyau en matériau magnétique, les enroulements étant élaborés par empilement de couches isolantes sur la surface desquelles sont disposées une pluralité de spires conductrices plates en forme de spirale, situées dans des plans parallèles ou confondus, le noyau en matériau magnétique, lorsqu'il existe, entourant étroitement lesdits enroulements en traversant des fenêtres ménagées dans l'empilement de couches isolantes, caractérisé en ce qu'il est monolithiquement intégré sur ou dans un substrat unique comportant au moins une couche conductrice, substrat sur ou dans lequel sur la ou sur chaque couche conductrice est formée au moins une spire déterminée alors que les connexions transversales désirées entre spires sont réalisées sélectivement selon la technologie des trous métallisés et en particulier des trous enterrés et des trous borgnes. 2. Circuit inductif planaire selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il peut être directement intégré à une carte de circuit imprimé monoceuche ou multicouche destinée à recevoir une pluralité de composants discrets, les connexions avec lesdits composants étant alors directement réalisées sur la couche conductrice ou entre couches conductrices.