Brevet FR2802762A1 — publié le 20010622

Composant inductif de faible épaisseur. La présente invention concerne un composant inductif de faible épaisseur, du type comportant au moins un enroulement et pouvant servir d'inductance mais plus couramment de transformateur de courant alternatif. Les applications particulièrement visées par ce produit sont les transformateurs pour alimentation à découpage et convertisseurs d'énergie, en particulier dans le cas o la tension d'entrée est élevée. Plus généralement, le domaine d'application peut s'étendre à tout type de composant inductif, simple inductance ou transformateur, de faible encombrement. Pour réaliser de tels composants, il est notamment connu d'utiliser une technique appelée circuit imprimé multicouche. Dans cette technique, les enroulements sont obtenus par un empilement d'une pluralité de couches de support isolant pour circuit imprimé, sur chacune desquelles sont réalisées une ou quelques spires formées par des pistes de cuivre gravées selon la technique classique des circuits imprimés. Chaque couche a par exemple une épaisseur de l'ordre de 0,25 mm pour les couches situées à l'intérieur de l'empilage, et de 0,4 mm pour les couches d'extrémités, et on peut par exemple empiler ainsi 8 couches au total. Les extrémités des spires de couches différentes sont reliées entre elles classiquement par la technique connue des trous métallisés, consistant à réaliser un dépôt métallique conducteur sur la paroi d'un trou traversant une ou plusieurs couches en traversant également une zone d'au moins deux pistes en cuivre gravées sur deux couches différentes. La liaison entre ces deux pistes est ainsi réalisée par le dit dépôt métallique. La réalisation de bobinages ou transformateurs par la technique du circuit imprimé multicouches présente cependant un certain nombre d'inconvénients. En particulier, un grand nombre de couches est nécessaire dès lors que le nombres de spires requis est important, ce qui peut conduire à des épaisseurs globales trop importantes pour des composants pour lesquels on recherche justement un faible encombrement notamment en épaisseur. Egalement, rapporté à un même volume, la résistance des enroulements est élevée, car la part de cuivre est faible par rapport à la part de matière isolante dans un circuit imprimé. Il résulte de cette résistance élevée un mauvais rendement et un échauffement excessif de la pièce. La présente invention a pour but de résoudre les problèmes ci-dessus et vise en particulier à proposer un composant inductif, notamment un transformateur utilisant également la technologie des circuits imprimés multicouche, ayant une faible épaisseur et pouvant comporter un grand nombre de spires, avec un bon rendement, une forte isolation entre les enroulements, et de bonnes performances du point de vue de l'encombrement et des pertes thermiques. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un composant inductif de faible épaisseur comportant un empilement de plusieurs couches en matériau isolant, avec des couches d'extrémités portant des pistes conductrices et au moins une couche intermédiaire, constituée d'une plaque isolante située entre les couches d'extrémités, caractérisé en ce que la dite couche intermédiaire comporte un évidement dans lequel est placée au moins une bobine en fil conducteur émaillé préparée séparément, l'axe de la bobine étant perpendiculaire au plan général des couches, et l'épaisseur de la bobine, dans la direction de cet axe, étant inférieure à la distance entre les couches d'extrémités, les extrémités du fil de la bobine étant reliées à des éléments de connexion accessibles à l'extérieur du composant. Il est précisé que par fil émaillé, on doit comprendre également tout fil conducteur comportant un revêtement électriquement isolant. Pour réaliser un transformateur, préférentiellement au moins une des couches isolantes comporte une piste conductrice agencée en spirale, sensiblement coaxiale avec la bobine. On profitera avantageusement à cet effet des pistes pouvant être réalisées sur les faces extérieures des couches d'extrémités. Ces pistes seront préférentiellement réalisées sensiblement à l'aplomb avec la bobine, de manière à permettre une implantation facile d'un noyau magnétique autour de l'ensemble, comme on le comprendra mieux par la suite. L'invention permet donc de réaliser des transformateurs ayant une faible hauteur, dont une partie des enroulements, par exemple les enroulements primaires, est constituée par la ou les dites bobines en fil émaillé, et l'autre partie, par exemple le ou les enroulements secondaires, est constituée par les dites pistes en spirales. L'invention permet d'assurer un rendement élevé du transformateur ainsi réalisé, une forte isolation entre les enroulements, une bonne reproductibilité des caractéristiques électriques, et cela avec un encombrement minimal. A titre d'exemple comparatif, un transformateur réalisé conformément à l'invention permet d'obtenir une baisse d'échauffement de l'ordre de 25% par rapport à un transformateur équivalent réalisé selon la technologie du circuit imprimé multicouches, à volume équivalent. Une application particulièrement visée concerne les transformateurs pour alimentation à découpage et convertisseurs d'énergie, mais l'invention peut s'appliquer de manière plus générale à tout transformateur de faible encombrement. Selon une disposition particulière, plusieurs plaques isolantes sont utilisées entre les couches d'extrémités, chaque plaque comportant une piste conductrice en spirale, et les pistes des différentes plaques et/ou des couches d'extrémités étant reliées entre elles pour former un enroulement, de manière similaire à la technique des circuits imprimés multicouches. Selon une autre disposition, plusieurs bobines sont placées dans l'évidement, coaxialement, superposées selon la direction axiale, ou concentriques, l'une autour de l'autre. De nombreuses configurations sont possibles en adaptant en fonction des besoins le nombre et la disposition des bobines de fil émaillé et de celles formées selon la technique du circuit multicouche, et en affectant la fonction de primaire ou secondaire à l'un ou l'autre type d'enroulement. L'évidement constituant le logement de la ou des bobines peut être réalisé sous forme d'une rainure usinée dans la ou les plaques de la couche intermédiaire, la dite rainure pouvant être traversante sur l'épaisseur de la plaque isolante intermédiaire, ou usinée seulement sur une partie de l'épaisseur de la plaque, ménageant ainsi un fond de rainure pouvant servir de support temporaire pour la bobine au moment de la fabrication. Toutefois, pour minimiser au mieux l'épaisseur globale, on pourra préférer utiliser toute l'épaisseur de la ou des plaques isolantes pour y placer la ou les bobines. La ou les plaques intermédiaires et les couches d'extrémités sont réalisées préférentiellement en verre, époxy, ou autre matériau ayant des caractéristiques d'isolant électrique similaires. La bobine en fil émaillée se trouvant placée entre les couches isolantes d'extrémité, il est nécessaire de prévoir son raccordement sur des moyens de connexions accessibles à l'extérieur. On pourra par exemple laisser simplement dépasser les extrémités des fils émaillés hors de l'empilage de plaques et couches isolantes, sur le côté de l'empilage, et les souder à plat sur une surface de cuivre ou sur un picot disposé à cet effet. Préférentiellement, on disposera les extrémités des fils dans des rainures aménagées à cet effet dans la couche intermédiaire, et la connexion de chaque fil sera assurée avec une piste de connexion réalisée sur une face extérieure d'au moins une des couches d'extrémité, au moyen d'une couche métallique déposée sur la surface interne d'un trou de diamètre supérieur à celui du fil, le trou étant percé à travers le composant de manière à sectionner l'extrémité du dit fil, au moins partiellement. Le diamètre du trou est préférentiellement supérieur à la largeur de la rainure de manière à être sûr que, si le trou est centré sur la rainure, le fil soit bien sectionné, compte tenu du fait que le fil peut ne pas être lui-même centré dans la rainure, son diamètre étant volontairement suffisamment inférieur à la largeur de la rainure. En fonction de la nature de l'émail du fil, il peut être nécessaire d'étamer les extrémités du fil, aux endroits de perçage, avant de placer la bobine dans l'évidement, pour assurer une bonne connexion lors de la métallisation du trou. Il est à noter que cette technique de raccordement est en elle-même originale, et peut être appliquée dans d'autres cas o on chercherait à assurer une liaison entre un fil conducteur noyé dans une pièce en matériau isolant et une piste conductrice en surface de la dite pièce. En effet, la technique des trous métallisés est connue pour assurer des connexions entre les pistes des différentes couches d'un circuit imprimé multicouches de type classique, mais dans ce cas, les trous qui reçoivent par la suite la métallisation sont réalisés à travers les pistes de cuivre avec un diamètre inférieur à la largeur de la piste au niveau du trou, de sorte que la piste en cuivre garde sa continuité. Pratiquement, on réalise couramment un élargissement de la piste au niveau prévu du trou, pour former une sorte de pastille au centre de laquelle le trou est percé puis métallisé. La faible épaisseur de la couche de cuivre est compensée par le fait que la liaison est assurée sur toute la périphérie du trou, pour assurer une aire suffisante de la zone de liaison entre piste et métallisation. Contrairement à cela, selon l'invention, le trou percé est de diamètre largement supérieur à celui du fil, notamment supérieur à la largeur de la rainure dans laquelle le fil est placé, pour être sûr de sectionner le fil, même en cas de décalage entre l'axe du fil et l'axe du perçage. Le trou pourra par exemple avoir un diamètre de 1 mm, pour un fil de 0,2 mm de diamètre, placé dans une rainure de 0,6 mm de large, la largeur de la dite rainure étant suffisamment supérieure au diamètre du fil pour faciliter la mise en place du fil dans la dite rainure. La liaison entre le fil et la métallisation du trou est assurée sur l'aire de la section du fil. Une fois réalisée la liaison du fil constitutif de la bobine avec l'extérieur du composant selon l'invention, la liaison du composant luimême avec un support ou un autre circuit peut être assurée par tous moyens classiques, utilisant par exemple des pistes adaptées du circuit imprimé constitué par une des couches d'extrémités, ou des picots soudés dans les trous métallisés, etc. La ou les bobines de fil émaillé peuvent être maintenues dans leur logement par collage ou préférentiellement par enrobage dans une résine remplissant l'évidement ménagé dans la plaque intermédiaire. Il en est de même pour le maintien des extrémités des fils dans leurs rainures spécifiques. Egalement, une découpe centrale est préférentiellement ménagée dans les différentes couches isolantes, et les formes extérieures de ces couches peuvent être adaptées, de manière à permettre la mise en place d'un noyau magnétique ayant par exemple une branche traversant axialement l'ensemble de la bobine et des spires imprimées, et deux branches passant latéralement de part et d'autre. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'un transformateur de faible épaisseur réalisé conformément à l'invention. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe transversale du transformateur, - la figure 2 est une vue en perspective éclatée du transformateur, - la figure 3 est une vue en perspective montrant le montage d'un noyau sur le transformateur, - la figure 4 est une vue de détail en coupe de la zone d'extrémité d'un fil de la bobine, lors de la fabrication après assemblage des différentes couches constitutives du transformateur, - la figure 5 est une vue similaire, après perçage d'un trou coupant l'extrémité du fil, - la figure 6 est une vue similaire après métallisation du trou, - la figure 7 est une vue en perspective d'une variante de réalisation du transformateur. Le transformateur représenté figures 1 et 2 est constitué d'un empilage 1 de deux couches d'extrémités 11, 12 en matériau isolant, par exemple en verre époxy, enserrant une couche intermédiaire faite d'une plaque 13 également en matériau isolant. Une rainure annulaire 14, de forme sensiblement carrée, est creusée dans la plaque isolante 13. Dans l'exemple représenté, la rainure 14 est creusée sur seulement une partie de l'épaisseur de la plaque 13, laissant donc subsister un fond servant de support pour la bobine. Mais la rainure pourrait également traverser toute l'épaisseur de la plaque. Deux rainures secondaires 15, de plus faible section que la rainure annulaire, débouchent dans celle-ci. Les couches d'extrémités 11, 12 sont constituées à la manière de plaques de circuit imprimé, et portent sur leurs faces extérieures des pistes de cuivre 18, 19, conformées en spirales, et formant les bobinages secondaires du transformateur. On notera que des pistes similaires pourraient être réalisées également sur les faces internes des plaques 11, 12, c'est à dire à l'interface entre les dites plaques et la plaque isolante 13, notamment pour augmenter le nombre de spires du secondaire, ou former un enroulement séparé supplémentaire. De même, on peut aussi utiliser la technologie des circuits multicouches pour réaliser la couche intermédiaire 13, et obtenir encore un plus grand nombre de spires. De manière générale, toutes les couches sont assemblées de la manière connue pour assembler les couches d'un circuit imprimé multicouche classique, en utilisant éventuellement un pressage sous vide. Les pistes conductrices, telles que 18 et 19, formant les différentes spires peuvent être reliées entre elles, selon diverses configurations en fonction des caractéristiques souhaitées, à travers les plaques isolantes, préférentiellement par la technique des trous métallisés précédemment évoqués. Une bobine 16 préfabriquée en fil émaillé, bobinée sans carcasse, est placée dans la rainure annulaire 14, les extrémités 17 du fil constitutif de la bobine 16 étant placées respectivement dans les rainures secondaires 15, après avoir été éventuellement préalablement étamées. La bobine 16, qui constitue le primaire du transformateur, est réalisée préalablement sur un outil de fabrication adapté, et sans carcasse, selon une technique connue en soi. Les spires de la bobine sont préférentiellement collées entre elles avant de retirer l'outil de fabrication, par exemple par un procédé utilisant le principe de la thermo-adhérence, c'est à dire que les fils de la bobine sont préalablement recouverts d'un matériau qui polymérise à la chaleur, puis, après bobinage, la bobine est soumise à un fort courant électrique ou à de l'air chaud, pour échauffer le matériau polymère et ainsi assurer l'assemblage des spires entre elles. D'autres principes de collage des spires entre elles, connus de l'homme du métier, peuvent aussi être utilisés. Lors de la fabrication, de la résine époxy ou similaire est coulée dans la rainure pour la combler et y maintenir rigidement la bobine, qui se retrouve ainsi noyée dans la dite résine, ainsi que les extrémités 17 des fils, et forme une pièce monobloc rigide avec les plaques 11, 12 et 13, après que celles-ci soient assemblées entre elles également par le procédé classique d'assemblage des couches d'un circuit imprimé multicouches, tel que le collage, pour former l'empilage 1 visible figure 1. A titre d'exemple nullement limitatif d'un transformateur selon l'invention, la dimension des différentes couches est de l'ordre de 45 X 22 mm. L'épaisseur de la plaque 13 est de 1,6 mm, et celle des plaques d'extrémités 11, 12 de 0,4 mm. La bobine comporte 36 spires de fil de 0,2 mm de diamètre et une section globale d'environ 1,5 mm de diamètre, pour une dimension de l'ordre de 20 X 11 mm. La rainure annulaire a une largeur d'environ 2,5 mm et les rainures secondaires de 0,6 mm. Comme on le voit figure 3, une découpe centrale 2 est ménagée dans l'empilage 1 pour permettre le passage d'une jambe centrale 5 d'un noyau magnétique formé des deux demi-noyaux 3, 4, assemblés ensuite par collage, les jambes d'extrémité 6, 7 passant de part et d'autre de l'empilage 1. La découpe 2 peut aussi être réalisée avant assemblage des différentes couches. La connexion des extrémités 17 des fils de la bobine 16, noyées dans l'empilage 1, avec l'extérieur de cet empilage, est réalisée de la manière suivante. Comme on le voit figure 4, l'extrémité 17 de chaque fil est noyée dans l'épaisseur de l'empilage 1 après assemblage des diverses couches constitutives. Un trou 21 est percé à travers l'empilage 1 de part en part, de manière à intersecter le fil 17, comme on le voit figure 5, le trou étant de diamètre nettement supérieur à celui du fil, et supérieur à la largeur de la rainure 15, pour être sûr qu'il va bien couper le fil, la position de ce dernier n'étant pas assurée très précisément du fait du jeu ménagé volontairement entre le fil et la rainure 15 o il est logé, pour faciliter sa mise en place lors du montage. Puis le trou 21 est revêtu intérieurement par métallisation, pour former une couche de métal conducteur 22 soudée sur la section 24 du fil coupé, et assurant la connexion électrique avec une piste ou une pastille conductrice 23, en surface de l'une ou l'autre couche d'extrémité. A partir de là, la connexion électrique avec d'autres circuits ou composants peut être réalisée de manière connue en soi par exemple avec des picots ou inserts CMS (composant monté en surface). La technique de réalisation qui vient d'être décrite permet une réalisation facile en grande série des transformateurs ou enroulements conformes à l'invention, en les fabriquant par planches comportant une pluralité de bobinages ou transformateurs, chacun étant ensuite découpé à partir de la planche obtenue. La figure 7 illustre schématiquement une variante de réalisation dans laquelle un évidement 26, de dimensions légèrement supérieures aux dimensions extérieures de la bobine 16, est ménagé dans la plaque intermédiaire 13, sur toute l'épaisseur de celle-ci. Puis Il la bobine est placée dans cet évidement est y est fixée et maintenue par un moulage de résine effectué lors de l'assemblage des différentes couches, après avoir placé dans le coeur de la bobine et dans les découpes 27 des plaques d'extrémités 11, 12 un noyau de moulage provisoire, non représenté. L'invention n'est nullement limitée aux transformateurs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple. Ainsi que cela a déjà été indiqué, on pourra réaliser de manière similaire de nombreux types de composants inductifs et transformateurs, alliant dans de très nombreuses configurations possibles une ou des bobines de fils émaillés et une ou des bobines faites de spires réalisées selon la technique des circuits imprimés multicouches. REVENDICATIONS 1. Composant inductif de faible épaisseur comportant un empilement (1) de plusieurs couches en matériau isolant, avec des couches d'extrémités (11, 12) portant des pistes conductrices (18, 19) et au moins une couche intermédiaire, comportant une plaque isolante (13) située entre les couches d'extrémités, caractérisé en ce que la dite couche intermédiaire (13) comporte un évidement (14, 26) dans lequel est placée au moins une bobine (16) en fil conducteur émaillé préparée séparément, l'axe de la bobine étant perpendiculaire au plan général des couches, et l'épaisseur de la bobine, dans la direction de cet axe, étant inférieure à la distance entre les couches d'extrémités, les extrémités (17) du fil de la bobine étant reliées à des éléments de connexion (23) accessibles à l'extérieur du composant. 2. Composant inductif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une des couches isolantes (11, 12) comporte une piste conductrice agencée en spirale (18, 19), sensiblement coaxiale avec la bobine (16). 3. Composant inductif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que plusieurs plaques isolantes sont utilisées entre les couches d'extrémités (11, 12), chaque plaque comportant une piste conductrice en spirale, et les pistes des différentes plaques et/ou des couches d'extrémités étant reliées entre elles pour former un enroulement. 4. Composant inductif selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs bobines (16) sont placées dans l'évidement. 5. Composant inductif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évidement constituant le logement de la ou des bobines (16) est réalisé sous forme d'une rainure (14) usinée dans la ou les plaques de la couche intermédiaire (13). 6. Composant inductif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'évidement (26) est traversant sur l'épaisseur de la plaque isolante intermédiaire (13). 7. Composant inductif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités (17) des fils de la ou des bobines (16) sont disposées dans des rainures (15) aménagées à cet effet dans la couche intermédiaire, et la connexion de chaque fil est assurée avec une piste de connexion (23) réalisée sur une face extérieure d'au moins une des couches d'extrémités (11, 12), au moyen d'une couche métallique (22) déposée sur la surface interne d'un trou (21) de diamètre supérieur à celui du fil, le trou étant percé à travers le composant de manière à sectionner, au moins partiellement, l'extrémité (17) du dit fil. 8. Composant inductif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le diamètre du trou (21) est supérieur à la largeur de la rainure (15). 9. Composant inductif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ou les bobines (16) de fil émaillé sont maintenues dans leur logement par collage ou par enrobage dans une résine remplissant l'évidement ménagé dans la plaque intermédiaire. 10. Composant inductif selon la revendication 2, caractérisé en ce que une découpe centrale (2, 27) est ménagée dans les différentes couches isolantes, et les formes extérieures de ces couches sont adaptées, de manière à permettre la mise en place d'un noyau magnétique (3,4) ayant une branche (5) traversant axialement l'ensemble de la bobine (16) et des spires5 imprimées (18, 19), et deux branches (6,7) passant latéralement de part et d'autre.