Brevet FR2907589A1 — publié le 20080425

Micro-inductance intégrée comportant un noyau magnétique fermé de type multi-branche Domaine technique de l'invention L'invention est relative à une micro-inductance intégrée comportant un noyau magnétique fermé et une pluralité de spires disjointes constituant un bobinage autour du noyau magnétique. État de la technique L'invention s'inscrit dans la thématique des micro-inductances intégrées pour 15 des applications en électronique de puissance. Elle peut, d'une manière plus générale, s'appliquer à tous les systèmes inductifs intégrés ou non (inductances, transformateurs, têtes d'enregistrement magnétique, actionneurs, capteurs, etc...) nécessitant une haute densité de puissance électrique. 20 Il existe depuis de nombreuses années des micro-inductances de divers 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 25 meilleur compromis entre inductance et courant de saturation. Une micro-inductance de type spirale avec plan 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 30 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. 2907589 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 5 Processes by J.Y.Park et. al., IEEE Transactions on Electronics Packaging 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 10 à l'intérieur du noyau est réparti de façon très inhomogène. Le champ 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 ne 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. Cependant, dans le cas d'un noyau toroïdal, une grande partie de la surface de la puce (au centre) est non exploitée car vide de matériau magnétique. Les transformateurs et inductances avec noyau magnétique en forme de E ou de E-1 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 2907589 3 pouvoir jouer sur les facteurs de conversion entre les trois bobinages de chaque branche, ou sur les effets d'inductances mutuelles entre les bobinages dictincs de chaque branches (voir l'article New Magnetic Structures for Switching Converters de S.Cuk, IEEE Transactions on 5 Magnetics, Vol. MAG-19, n .2, 1983). Dans ces dispositifs, le bobinage n'est pas continu d'une branche à l'autre, mais réalisé par des fils distincts. La plupart des micro-inductances utilisées sur le marché sont des composants discrets fabriqués par des procédés micromécaniques de micro 10 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 puissance. En particulier, l'épaisseur des micro-inductances discrètes (typiquement supérieur à 0.5 mm) ne permet pas une mise en boîtier 15 appropriée aux circuits d'alimentation utilisés actuellement pour la téléphonie mobile, par exemple. Les techniques de fabrications utilisées en microélectronique permettent une flexibilité bien plus grande au niveau de la mise en oeuvre de conceptions 20 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 épaisseurs (supérieures à 10pm) de matériaux conducteurs, magnétiques ou diélectriques et à leur gravure après photolithographie. 25 Pour les composants intégrés, on se heurte à des contraintes de réalisation technologique. En effet, des dépôts de couches conductrices ayant une épaisseur supérieure à 100 micromètres ne sont pour l'instant pas envisageable dans un procédé industriel standard. 30 2907589 4 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-inductance avec un circuit magnétique ouvert de type multi-branche. Une pluralité de spires disjointes les unes des autres constitue un bobinage 5 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 diminue fortement lorsque le courant appliqué aux spires de la micro- 10 inductance est augmenté, même pour des courants faibles, ce qui oblige d'utiliser des inductances discrètes non-intégrées, dans certain cas. Objet de l'invention 15 L'objet de l'invention est d'améliorer les performances d'une micro-inductance, notamment la stabilité de la valeur de l'inductance en fonction du courant, tout en augmentant sa compacité. Pour un encombrement donné, ceci permet, d'améliorer le compromis entre niveau d'inductance et courant 20 de saturation. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le noyau magnétique comporte au moins quatre branches sensiblement parallèles entourées par ledit bobinage, chacune des branches ayant une première et une seconde 25 extrémités, les premières extrémités des branches étant reliées par une première base et les secondes extrémités des branches étant reliées par une seconde base. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les branches sont 30 disposées dans un premier plan et les première et seconde bases sont disposées dans un second plan parallèle au premier plan. Ainsi, les 2907589 5 branches peuvent notamment avoir une épaisseur différente de l'épaisseur des première et seconde bases. La micro-inductance comporte, de préférence, entre quatre et huit branches. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la 10 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'une micro-inductance intégrée selon l'invention, 15 les figures 2 à 8 représentent, en vue de perspective, sept modes de réalisation particuliers d'un noyau magnétique d'une micro-inductance intégrée selon l'invention. 20 Description d'un mode préférentiel de l'invention Sur la figure 1 est représentée une micro-inductance intégrée comportant un noyau magnétique 1 fermé et une pluralité de spires 2 disjointes, les unes des autres, constituant un bobinage continu autour du noyau magnétique 1. 25 Le noyau magnétique 1 comporte quatre branches 3 sensiblement parallèles (3a, 3b, 3c, 3d). Les branches 3 ont chacune une première extrémité 4 et une seconde extrémité 5. Les premières extrémités 4 des branches 3 sont reliées par une première base 6 et les secondes extrémités 5 des branches 3 sont reliées par une seconde base 7. 5 30 2907589 6 La micro-inductance à noyau magnétique fermé et comportant au moins quatre branches 3 sensiblement parallèles permet, pour un nombre de spires de bobinage donné, d'obtenir une densité surfacique d'inductance plus élevée et un courant de saturation plus élevé que l'inductance sous forme de 5 tore ou de méandres. La micro-inductance selon l'invention permet de canaliser plus efficacement les lignes de champ magnétiques à l'intérieur du noyau. Le flux magnétique généré par le bobinage s'additionne à l'intérieur de chaque branche. 1 o Pour une surface disponible prédéterminée, sur un substrat ou sur une puce, les caractéristiques de l'inductance de la micro-inductance peuvent être optimisées lorsqu'on utilise quatre branches 3 sensiblement parallèles ou plus. L'énergie magnétostatique contenue dans le noyau magnétique est ainsi plus importante que celle contenue dans un noyau toroïdal ou en 15 méandres à encombrement constant, c'est-à-dire pour des puces de même taille. Ainsi, à partir de quatre branches, on s'aperçoit que l'inductance en fonction du courant parcourant les spires 2 est plus stable dans une gamme de courants typiquement utilisée qu'une inductance toroïdale intégrée. Ceci est notamment dû au fait que la densité de flux magnétique atteint une 20 distribution plus homogène dans le noyau 1, c'est-à-dire le champ magnétique excite le volume de matériau magnétique disponible (notamment les branches intermédiaires 3b et 3c du noyau 1), tandis que dans une micro-inductance rectangulaire annulaire, par exemple, le champ magnétique est seulement concentré dans les coins et bords intérieurs du noyau 25 magnétique. Ainsi, la micro-inductance permet d'optimiser le compromis entre niveau d'inductance et courant de saturation d'un système inductif. Dans le mode de réalisation particulier représenté à la figure 1, chaque spire 2 comporte une section plane inférieure 8 dans un plan inférieur, une section 30 plane supérieure 9 dans un plan supérieur et deux sections montantes 10. 2907589 7 Les plans inférieur et supérieur sont parallèles au plan du noyau magnétique 1. Dans le mode de réalisation particulier représenté à la figure 1, toutes les 5 spires correspondant à une branche prédéterminée (par exemple la branche 3a) sont directement reliées en série, puis toutes les spires correspondant à une autre branche (par exemple la branche adjacente 3b) sont également reliées directement en série, comme dans le cas d'un bobinage solénoïde. 10 Il est à noter que les éléments constituant une spire (la section plane inférieure 8, la section plane supérieure 9 et les deux sections montantes 10) ne sont pas forcément reliés entre eux de façon à former une boucle comme, par exemple, dans le cas d'un bobinage solénoïde classique. En effet, les sections planes 8 et 9 peuvent appartenir à des conducteurs électriques 15 distincts, chaque conducteur électrique passant du plan inférieur pour une branche prédéterminée au plan supérieur pour une branche adjacente et inversement (par entrecroisement en analogie avec la trame d'un tissage), l'ensemble des spires 2 constituant un bobinage unique et, ainsi, une inductance unique. 20 Comme représenté à la figure 1, le bobinage comporte, pour le branchement électrique, une entrée 12 électrique unique et une sortie 13 électrique unique, de manière à constituer un bobinage unique. Toutes les spires 2 sont reliées en série entre l'entrée 12 et la sortie 13. Il ne s'agit donc aucunement de 25 plusieurs bobinages distincts comme, par exemple, dans le cas d'un bobinage primaire et d'un bobinage secondaire d'un transformateur ou dans le cas de plusieurs bobinages connectés en parallèle avec un point commun à la masse. 30 L'utilisation de plus de quatre branches permet d'améliorer les caractéristiques (compromis entre inductance, courant et puissance 2907589 8 passante) de la micro-inductance, cependant, souvent un nombre important de branches ne peut pas être réalisé, car la place disponible sur le substrat ou la puce n'est pas suffisante. Le noyau magnétique 1 comporte, de préférence, entre quatre et huit branches, par exemple six branches 3 5 comme représenté à la figure 3. Le noyau magnétique 1 comporte notamment huit branches dans le cas où les contraintes d'encombrement du dispositif le permettent. Comme illustré aux figures 1 à 3, toutes les branches 3 ont, de préférence, la 10 même largeur et tous les écarts entre deux branches adjacentes sont égaux. Cependant, si nécessaire, une adaptation des largeurs des branches 3 est possible. Ainsi, sur la figure 4, les branches 3 ont des largeurs W1, W2, W3 et W4 différentes. Les écarts 11, 12 et 13 peuvent également être différents. En effet, dans certain cas, la forme géométrique du noyau doit être adaptée 15 lorsque des contraintes d'encombrement ou des contraintes spatiales le nécessitent. Le dimensionnement du noyau magnétique 1 peut se faire selon la méthode illustrée à la figure 4 : on définit la cote C définissant l'encombrement 20 maximal du noyau magnétique 1. On prévoit l'espacement minimum IMIN entre les branches 3 par rapport aux marges de réalisations technologiques acceptables et aux dimensions du bobinage autour de chaque branche 3. Un espacement maximum IMAX peut être prévu afin de tenir compte de l'encombrement maximal du noyau magnétique 1. L'espacement maximum 25 IMAX peut être déterminé à partir de la cote C, la largeur minimale WMIN de chaque branche et l'espacement minimum IMIN en utilisant l'expression IMAX=C-N*WMIN-(N-1)*IMIN, où N est le nombre de branches. L'épaisseur EMAG de matériau magnétique est définie comme un compromis entre difficulté de réalisation et le niveau d'inductance souhaité pour une côte C 30 donnée. La largeur maximale WMAX de chaque branche 3 est déterminée par la fréquence de fonctionnement requise ou par des contraintes de 2907589 9 réalisation technologique. Ainsi, la largeur maximale WMAX doit être inférieure à la longueur d'onde X correspondant à la fréquence de fonctionnement, par exemple WMAX est de l'ordre de ?J4 ou de X/10. La largeur minimale WMIN de chaque branche est éventuellement déterminée 5 par la structure en domaines magnétiques du matériau ou par des contraintes de réalisation que l'on souhaite obtenir. Le nombre de branches N est choisi en fonction de tous les autres paramètres. Les largeurs W1 à W4 des branches 3 et les largeurs W5 et W6 des bases 6 et 7 peuvent être différentes, mais doivent toutes être comprises entre WMIN et WMAX. De 10 même, les écarts 11, 12 et 13 doivent être compris entre IMIN et IMAX. Par ailleurs, la largeur minimale WMIN de chaque branche doit être supérieure à l'épaisseur du matériau magnétique de la branche. L'espacement minimum IMIN doit également être supérieur à l'épaisseur du matériau magnétique de la branche et, de préférence, au moins trois fois supérieure pour un bobinage 15 de type tressé et au moins cinq fois supérieure pour des bobinages non tressés comme représenté à la figure 1. Un ou plusieurs entrefers peuvent éventuellement couper le noyau magnétique 1 afin d'augmenter la réluctance du circuit magnétique. Le noyau 20 magnétique 1 représenté à la figure 5 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 les branches 3 et dans les bases 6 et 7. 25 Sur la figure 6, les branches 3 sont disposées dans un premier plan et les bases 6 et 7 sont disposées dans un second plan parallèle au premier plan. Les branches et les bases sont respectivement constituées par deux couches magnétiques structurées superposées. Ainsi, les bases 6 et 7 peuvent avoir une épaisseur différente de celle des branches 3, ou une 30 direction préférentielle de propagation du flux magnétique en dynamique (appelé axe de difficile aimantation) différente des branches 3 (par exemple à 2907589 10 900). Les bases et les branches peuvent également avoir la même épaisseur, notamment lorsqu'une seule couche magnétique structurée est utilisée comme dans le cas de la figure 2. 5 Comme représenté aux figures 1 à 6, les branches 3 sont, de préférence, sensiblement parallèles et les première et seconde bases 6 et 7 et les branches 3 ont chacune une forme rectangulaire. Cependant, selon les besoins, d'autres formes plus complexes peuvent être envisagées, par exemple des formes ayant des largeurs variables, des formes irrégulières, 10 courbées ou coudées, etc... L'homme du métier détermine ces formes en utilisant des logiciels de simulation tels que le logiciel Flux de la société Cedrat ou le logiciel Maxwell de la société Ansoft. Sur la figure 7, par exemple, l'ensemble des première et seconde bases 6 et 7 et deux branches externes 3a, 3d forme un anneau, traversé par deux branches internes 3b, 15 3c. Sur la figure 8, les première et seconde bases 6 et 7 et branches 3 ont des formes trapézoïdales ou polygonales. Pour les composants intégrés utilisant des techniques de micro-fabrication classiques, la micro-inductance ne présente aucune difficulté de fabrication 20 additionnelle par rapport aux systèmes conventionnels préexistants. 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 25 des éléments suivants : aluminium (Al), silicium (Si), tantale (Ta), hafnium (Hf), azote (N), oxygène (0) et bore (B). Le noyau peut être hétérogène et constitué de plusieurs couches ferromagnétiques et conductrices ou diélectriques (non magnétiques) ou antiferromagnétiques. En particulier, le noyau peut être constitué d'une alternance de couches magnétiques et de 30 couches intermédiaires, par exemple un empilement comportant deux couches magnétiques séparées par une couche intermédiaire. Les couches 2907589 11 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 AI203, par exemple. Les couches intermédiaires peuvent également être constituées par des matériaux 5 antiferromagnétiques comme l'oxyde de nickel NiO ou les alliages de manganèse (Mn) comportant du nickel (NiMn), de l'iridium (Mn) ou du platine (PtMn). La microinductance n'est pas limitée dans sa fréquence d'utilisation, et 10 pourrait convenir à des utilisations à haute fréquence, qui réclament toujours 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, 15 adaptation d'impédance, etc. Revendications 1. Micro-inductance intégrée comportant un noyau magnétique (1) fermé et une pluralité de spires (2) disjointes constituant un bobinage autour du noyau magnétique (1), micro-inductance caractérisée en ce que le noyau magnétique (1) comporte au moins quatre branches (3) sensiblement parallèles entourées par ledit bobinage, chacune des branches (3) ayant une première (4) et une seconde (5) extrémité, les premières extrémités (4) des branches (3) étant reliées par une première base (6) et les secondes extrémités (5) des branches (3) étant reliées par une seconde base (7). 2. Micro-inductance selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque spire (2) comporte une section plane (8) inférieure dans un plan inférieur, une section plane supérieure (9) dans un plan supérieur et deux sections montantes (10). 3. Micro-inductance selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce le bobinage comporte une entrée (12) électrique unique et une sortie (13) électrique unique. 4. Micro-inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que toutes les spires (2) sont reliées en série. 5. Micro-inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 25 caractérisée en ce que les branches (3) sont disposées dans un premier plan et les bases (6, 7) sont disposées dans un second plan parallèle au premier plan. 6. Micro-inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 30 caractérisée en ce que les branches (3) ont une épaisseur différente de l'épaisseur des bases (6, 7). 12 2907589 13 7. Micro-inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les branches (3) ont une direction préférentielle de propagation du flux magnétique en dynamique différente de celle des bases 5 (6, 7). 8. Micro-inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le noyau magnétique (1) comporte au moins un entrefer (11). 9. Micro-inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que toutes les branches (3) ont la même largeur. 1O.Micro-inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, 15 caractérisée en ce que tous les écarts (I1, 12, 13) entre deux branches (3) adjacentes sont égaux. 11.Micro-inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle comporte entre quatre et huit branches (3). 10 20