Brevet FR2915845A1 — publié le 20081107

Module d'alimentation à base de matériau magnétique et procédé de réalisation L'invention se rapporte à des modules électriques à haut niveau d'intégration à base de matériau magnétique. Actuellement, le développement des matériels électroniques, tant dans les applications civiles que militaires, est lié à la miniaturisation des composants passifs et actifs. Parmi ces composants, les plus volumineux sont les composants passifs qui réalisent les fonctions résistance, capacité, inductance ou transformateur, et plus particulièrement les composants passifs inductifs (inductance ou transformateur). Ces composants sont réalisés à partir d'un noyau magnétique en matériau magnétique et d'un ou plusieurs bobinages, le plus souvent en fil de cuivre, qui peuvent être intégrés dans un circuit imprimé. II est connu de les réaliser par une technologie dite planar dans laquelle deux pièces de matériau magnétique BI et B2 sont rapportées de part et d'autre d'un circuit imprimé CI généralement composé de mufti- couches ou d'un stratifié , comme illustré en figure la qui montre une vue éclatée d'un tel module. Des pattes de contact psi, situées en périphérie permettent de venir reporter le module d'alimentation sur un circuit comportant des composants et sont mises en évidence sur la figure 1 b. Dans ce contexte et afin de réaliser des composants de faibles dimensions la présente invention propose une architecture de module compact dont le report sur une carte électronique! est rendu plus facile. Ce type de module peut être un module d'alimentation dans le domaine de l'électronique de puissance ou tout autre module présentant une topologie ne nécessitant pas de matériau avec une forte perrnéabilité. Plus précisément l'invention a pour objet un module électrique comportant : un circuit imprimé intermédiaire comprenant des ouvertures centrales et un bobinage périphérique auxdites ouvertures centrales; un premier et un second éléments en matériau magnétique situés de part et d'autre dudit circuit imprimé central et présentant des éléments placés dans les ouvertures centrales 2 du circuit imprimé intermédiaire de manière à former un noyau magnétique, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un premier et un second gabarits en matériau diélectrique à la périphérie respectivement des premiers 5 et second éléments en matériau magnétique. Selon une variante de l'invention, les premier et second matériaux magnétiques comprennent un liant organique et des particules de matériau magnétique. Selon une variante de l'invention, les particules de matériau 10 magnétique sont en poudre de fer . Selon une variante de l'invention, les particules de matériau magnétique dispersées dans un liant sont de type nanostructures cristallines. Selon une variante de l'invention, le module comporte en outre au 15 moins un circuit irnprimé annexe à la surface d'un des gabarits remplis d'éléments magnétiques. Avantageusement, le circuit imprimé annexe comporte en outre des vias conducteurs au niveau du gabarit, qui permettent de réaliser l'interconnexion des éléments magnétiques à la partie du circuit qui supporte 20 les composants. L'invention a aussi pour objet un procédé de réalisation d'un module d'alimentation caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : l'assemblage d'un circuit imprimé intermédiaire comprenant des 25 ouvertures centrales et un bobinage en périphérie desdites ouvertures centrales, avec un premier et un second gabarits en matériau diélectrique présentant des ouvertures centrales de plus grande dimensions que les ouvertures centrales du circuit imprimé intermédiaire ; 30 - le remplissage des ouvertures des gabarits et des ouvertures centrales du circuit intermédiaire par un matériau magnétique. Selon une variante de l'invention, le matériau magnétique comporte un liant et des particules de ferrite. 3 Avantageusement, le liant est un rnonomère et le procédé comprend une étape de polymérisation pour polymériser le matériau magnétique . Selon une variante de l'invention, le procédé de réalisation 5 comprend I 'assemblage de l'ensemble constitué par les deux gabarits et le circuit imprimé intermédiaire avec un circuit imprimé annexe . Selon une variante de l'invention, le procédé de réalisation comporte le report de composants sur une face dite externe du circuit imprimé annexe. 10 Selon une variante de l'invention, le procédé comprend la réalisation de vias conducteurs au travers des deux gabarits et du circuit imprimé annexe de manière à pouvoir connecter électriquement l'ensemble réalisé, à une carte électronique. 15 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 : la figure la illustre une vue éclatée, d'un module électrique en 20 technologie planaire selon l'art connu et la figure 1 b illustre le module alimentation complet ; - la figure 2 illustre une vue éclatée de l'empilement de trois circuits imprimés permettant d'élaborer un module d'aimantation selon la présente invention ; 25 - la figure 3 illustre le remplissage des deux gabarits constitués par deux circuits imprimés par un matériau magnétique ; la figure 4 illustre le report de l'ensemble préconstitué et illustré en figure 3, sur un circuit imprimé annexe; - les figures 5a et 5b illustrent deux vues en coupe mettant en 30 évidence le montage de composants sur l'ensemble réalisé et illustré en figure 4 ; la figure 6 illustre le report du module d'alimentation selon l'invention sur une carte électronique. 4 De manière générale le module d'alimentation selon l'invention est réalisé selon les étapes décrites ci-après : A partir d'un substrat diélectrique de type circuit imprimé dit intermédiaire Cil, on réalise, de manière classique, au moins un bobinage en matériau conducteur Bc pouvant typiquement être du cuivre et au moins une ouverture centrale destinée à être remplie de matériau magnétique. On procède ensuite à l'empilement de deux éléments appelés gabarit de part et d'autre dudit circuit imprimé intermédiaire Ci2 et Ci3. Ces éléments sont typiquement des substrats diélectriques perforés en leur partie centrale de manière à présenter des ouvertures de taille supérieure à la taille de l'ouverture centrale du circuit imprimé intermédiaire. La figure 2 illustre un tel empilement Dans une seconde étape, après empilement et assemblage pouvant être réalisé par pressage (ou stratification ), les deux gabarits sont remplis de matériau magnétique M de manière à constituer le circuit magnétique des composant inductifs (transformateur ou inductance) comme illustré en figure 3. Cette figure schématise l'introduction du matériau magnétique au sein des ouvertures des gabarits Cie et Ci3 . Selon une variante de l'invention, le matériau magnétique peut être un matériau composite comportant un liant et de la poudre ferromagnétique de type poudre de fer par exemple. Plus précisément il peut s'agir d'un précurseur de résine époxy au sein duquel sont dispersées des particules de fer. Avantageusement les particules de fer sont des particules nanocristallines. La fabrication de telles particules est notamment décrite dans l'article Anallysis of the initial complex permeability versus frequency of soft nano-crystalline ribbons and derived composites de R. Le bourgeois, S. Béreneguer, C. Ramiarinjaona et T. Waeckerle, Journal of Magnetism and Magnetic Materials Published by Elsevier Science B. V. Il s'agit de ruban de poudre de ferrite obtenue à partir de ruban de fer amorphe et porté à haute température, typiquement à 540 C sous atmosphère inerte. Après broyage ces particules de nanostructure cristalline peuvent être dispersées dans un précurseur de liant, capable de polymériser. La caractéristique remarquable d'un matériau nanocristallin est sa structure à deux phases où une structure cristalline fine (diamètre moyen de grains de 10 à 20 nm) est enveloppée dans une phase résiduelle amorphe. Cette double structure est responsable du fait que ces matériaux peuvent atteindre les perméabilités les plus élevées et les champs coercitifs les plus faibles. De 5 plus leur faible épaisseur de bande (environ 20pm) et leur résistance électrique relativernent importante leur procure de très faibles pertes par courant de Foucault et une excellente tenue en fréquence et en perméabilité, alliées à une saturation de leur densité de flux de 1.2 Tesla et à des propriétés thermiques favorables. Dans une troisième étape, on procède à la polymérisation du précurseur typiquement par chauffage de manière à densifier et ainsi solidifier le matériau composite, au sein des ouvertures des gabarits et de l'ouverture centrale du circuit imprimé intermédiaire pour ainsi constituer les noyaux magnétiques au sein du composant. Dans une quatrième étape, suite à la polymérisation, on presse un ou deux circuits imprimés Ciex sur les faces extérieures de l'empilement (ou sur les deux) cornme représenté en figure 4, destinés à assurer les connexions avec des composants ultérieurement montés dessus. Il est à noter que ce ou ces circuits imprimés peuvent être constitués de plusieurs couches Selon une cinquième étape, on vient reporter des composants actifs ou passifs Co; sur une face externe du circuit ou des circuits annexes. Ainsi on réalise des bobinages pouvant être connectés à des circuits extérieurs, au moyen de vias Via et des composants Coi sont câblés sur l'un de ces circuits imprimés CieX comme représentés en figure 5a et 5b qui représentent deux vues en coupe du module de puissance ainsi élaboré. Selon une sixième étape, l'ensemble du module peut alors être monté sur une carte CA et interconnecté au moyen de lires, de picots ou de micro-billage mb; cornme illustré en figure 6. REVENDICATIONS 1. Module électrique comportant : - un circuit imprimé intermédiaire (Ci,) comprenant un bobinage et 5 des ouvertures centrales; - un premier et un second éléments constitués d'un matériau magnétique (M) de part et d'autre dudit circuit imprimé central et présentant des éléments placés dans les ouvertures centrales du circuit imprimé intermédiaire de manière à former un noyau magnétique, 10 caractérisé en ce qu'il comporte en outre un premier et un second gabarits en matériau diélectrique (Ci2, Ci3) à la périphérie respectivement des premiers et second éléments magnétiques. 2. Module électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce 15 que le matériau magnétique comprend un liant organique et des particules de matériau magnétique. 3. Module électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les particules de matériau magnétique sont en fer. 4. Module d'alimentation électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les particules de fer sont des structures nanocristallines . 25 5. Procédé de réalisation d'un module d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : l'assemblage d'un circuit imprimé intermédiaire (Cil) comprenant des ouvertures centrales et un bobinage en périphérie des ouvertures centrales, avec un premier et un 30 second gabarits en matériau diélectrique présentant des ouvertures centrales de plus grande dimensions que les ouvertures centrales du circuit imprimé intermédiaire ; le remplissage des ouvertures des gabarits et des ouvertures centrales du circuit intermédiaire par un matériau magnétique. 20 35 7 6. Procédé de réalisation d'un module d'alimentation selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau magnétique comporte un liant et des particules de fer. 7. Procédé de réalisation d'un module d'alimentation selon la revendication 6, caractérisé en ce que le liant étant un monomère, il comprend une étape de polymérisation du matériau magnétique . 8. Procédé de réalisation d'un module d'alimentation selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend I `assemblage de l'ensemble constitué par les deux gabarits et le circuit imprimé intermédiaire avec un circuit imprimé annexe (Ciex). 9. Procédé de réalisation d'un module d'alimentation selon l'une 15 des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte le report de composants (Co;) sur une face dite externe du circuit imprimé annexe. 10. Procédé de réalisation d'un module d'alimentation selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation de 20 vias (Via) conducteurs au travers des deux gabarits et du circuit imprimé annexe de manière à pouvoir connecter électriquement l'ensemble réalisé à une carte électronique.