Brevet FR2952752A1 — publié le 20110520

MATERIAU FERRITE A FAIBLES PERTES POUR FONCTIONNEMENT A HAUTE FREQUENCE ET DANS UNE LARGE GAMME DE TEMPERATURE La présente invention concerne des matériaux ferrites utilisés à haute et très haute fréquence (entre 1 MHz et 100 MHz) et plus particulièrement des matériaux présentant de faibles pertes magnétiques pour des puissances appliquées importantes et pour des fonctionnements dans une ~o large gamme de température, typiquement comprises entre - 50°C et + 150 °C. Ces matériaux sont plus particulièrement destinés à être intégrés dans des amplificateurs de puissance radiofréquences ou des alimentations à découpage haute fréquence. Leurs avantages sont une faible température de 15 frittage (T 1 MHz), on utilise pour ces applications des ferrites de nickel-zinc en raison de leurs propriétés 5 magnétiques adaptées et de leur résistivité électrique élevée. Selon l'art connu, les ferrites « faibles pertes » destinés aux applications haute fréquence (f > 1 MHz) sont généralement des ferrites de nickel-zinc de formule chimique NiXZnyFe2O4 avec x + y = 1. Ils sont utilisés comme noyaux magnétiques de formes variées (tores, pots, bâtonnets, etc.) 10 permettant 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. Les performances de ces composants sont souvent limitées par les pertes totales du ferrite qui de ce fait déterminent les dimensions du 15 composant, l'échauffement et la puissance électrique incidente admissible. La figure 1 indique les performances typiques, à 20°C, d'un ferrite nickel-zinc commercial (Neosid F10b) optimisé pour des fonctionnements à très haute fréquence. Elle représente la variation des pertes totales mesurées à 1,5 MHz en fonction de l'induction et à température ambiante. La mesure est 20 effectuée sur un tore bobiné à l'aide d'un fil de cuivre émaillé. La perméabilité initiale statique du ferrite vaut 100. La composition chimique de ce ferrite est Nio,6Zno,4Fe2O4. La figure 2 donne les performances typiques, en fonction de la température, du même ferrite nickel-zinc commercial (F1 0b). Elle indique les 25 pertes totales volumiques mesurées à 1.5 MHz et 25 mT entre -40°C et +150°C. La présente invention propose dans ce contexte une nouvelle famille de matériaux ferrites présentant de faibles pertes magnétiques aussi bien à bas niveau d'induction qu'à fort niveau d'induction (de 0,1 mT à 50 mT), 30 à haute et très haute fréquence (de l'ordre de 1 à 100 MégaHertz) et dans une large gamme de température. Ces ferrites contiennent du nickel, du zinc, du cuivre, du cobalt, du magnésium et du zirconium. Plus précisément l'invention a pour objet un matériau ferrite de type spinelle à base de nickel et de zinc caractérisé en ce qu'il répond à la formule 35 chimique suivante : N iXMgyZntCuWCoCZrZFe2_sO4 avec 2.(x+y+t+w+E)+4.z+3.(2-5)=8 0 Avantageusement le composant magnétique proposé dans l'invention peut être une inductance ou un transformateur comprenant un ensemble cofritté constitué du ferrite décrit dans l'invention et de l'argent, un alliage argent-palladium, de l'or ou du cuivre. Typiquement les inductances ou les transformateurs selon l'invention peuvent être utilisés dans des gammes de fréquences comprises entre environ 1 et 100 MégaHertz. L'invention a encore pour objet une alimentation à découpage où un convertisseur d'énergie électrique utilisant une inductance ou un ~o transformateur selon l'invention. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un matériau ferrite selon l'invention caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : le pesage des matières premières de types oxydes ou carbonates pour obtenir la composition du matériau ferrite de 15 type spinelle selon l'invention ; le mélange et un premier broyage des matières premières en jarres ou par attrition ; le chamottage (ou calcination) à une température comprise entre environ 700 et 850°C, en une seule ou plusieurs étapes ; 20 un second broyage de la poudre obtenue, suivi d'un pressage ; le frittage de la dite poudre rebroyée à une température comprise entre environ 800°C et 1100°C, sous air ou sous une atmosphère constituée d'un mélange gazeux oxygène-azote ou oxygène-argon. 25 L'invention a également pour objet un procédé de fabrication du matériau, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : le pesage des matières premières de types oxydes ou carbonates pour obtenir la composition du matériau ferrite de 30 type spinelle selon l'invention ; le mélange et un premier broyage des matières premières ; le chamottage (ou calcination) à une température comprise entre environ 700 et 850°C, en une seule ou plusieurs étapes ; un second broyage de la poudre obtenue ; 5 10 - le mélange de ladite poudre rebroyée avec des produits organiques (liants, défloculants, surfactants...) pour la réalisation d'une pâte ; le dépôt en couche épaisse de cette pâte par coulage ou sérigraphie ; la réalisation d'une structure multicouche constituée d'un empilement de couches de matériau ferrite, de diélectrique et de métal (argent, argent-palladium, or ou cuivre) ; le frittage de ladite structure multicouche à une température comprise entre 800 et 1100°C. Avantageusement le procédé selon l'invention peut également comprendre l'ajout d'un fondant sous forme de Bi2O3. Cette opération peut être réalisée après le second broyage, à sec 15 ou en milieu humide, ou avant le second broyage en milieu humide. 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 1 représente la variation des pertes totales mesurées à 1,5 MégaHertz, en fonction de l'induction à température ambiante d'un tore bobiné de 20 spires comprenant un ferrite classique de l'art antérieur de référence F 10b de Neosid ; la figure 2 représente la variation des pertes totales mesurées à 1,5 MégaHertz, en fonction de la température pour une induction de 25 mT, d'un tore bobiné de 20 spires comprenant un ferrite classique de l'art antérieur de référence F 10b ; la figure 3 illustre la variation des pertes totales en fonction de l'induction d'un exemple de ferrite (référence 1) selon l'invention ; la figure 4 illustre l'évolution des pertes totales en fonction de la température pour des exemples de ferrite de l'invention (références 1 et 2) ; 20 25 30 la figure 5 illustre l'évolution des pertes en fonction de la température pour des exemples de ferrite selon l'invention (références 3 et 4) ; la figure 6 illustre la tenue en puissance traduite par la mesure 5 des pertes en fonction de la température pour des exemples de ferrite selon l'invention (références 2 et 5). De manière générale le matériau ferrite selon l'invention répond à la 10 formule chimique NiXMgyZntCuWCo£ZrZFe2_804. Ce matériau peut être obtenu selon un procédé d'élaboration de l'art connu et notamment décrit dans le brevet EP 0800183. La première partie du procédé d'élaboration consiste à obtenir une 15 poudre de ferrite selon les étapes suivantes : Pesée des matières premières suivantes : Oxyde de nickel (NiO), oxyde de zinc (ZnO), oxyde de fer (Fe2O3) oxyde de cuivre (CuO), oxyde de cobalt (Co3O4), oxyde de zirconium (ZrO2) et 20 oxyde de magnésium (MgO). Lors de la pesée de l'oxyde de fer, il est nécessaire de compenser l'apport de fer dû à l'usure des éléments de broyage qui sont généralement des billes et un bol en acier. 25 Brouage des matières premières Cette opération a pour double but de mélanger les différents constituants et de réduire leur taille de grains, les rendant ainsi plus réactifs. Chamottaqe de la poudre 30 Ce traitement thermique a pour but de former en partie la phase cristalline recherchée. Cette opération peut typiquement être réalisée entre 750°C et 850°C selon la nature recherchée du matériau ferrite selon l'invention, sous air durant environ 2 heures. 35 Rebrovage du produit de chamottaqe Cette opération est rendue nécessaire par le grossissement des grains de poudre induit par le chamottage. Elle est effectuée dans des conditions analogues à celles du premier broyage. Ajout d'un fondant sous forme de Bi2O3 Cette opération peut être réalisée après le second broyage, à sec ou en milieu humide, ou avant le second broyage en milieu humide. Elle a pour but l'obtention d'un mélange homogène de la poudre de ferrite et de l'oxyde fondant. L'oxyde fondant améliore la densification et abaisse la température de frittage. Le tableau 1 ci-dessous regroupe des exemples de compositions en moles d'oxydes de ferrites selon la présente invention : NiO ZnO CuO Co3O4 ZrO2 MgO Fe2O3 Bi2O3 Référence 1 0.334 0.545 0.1 0.007 0 0 0.98 0 Référence 2 0.334 0.545 0.1 0.007 0.001 0 0.98 0 Référence 3 0.284 0.545 0.15 0.007 0.003 0 0.98 0 Référence 4 0.274 0.535 0.15 0.007 0 0.02 0.98 0 Référence 5 0.334 0.545 0.1 0.007 0.001 0 0.98 0.002 Tableau 1 Le frittage des 4 premières références a été réalisé à 935°C pendant 2 heures sous air, les masses volumiques ainsi que les propriétés obtenues sont présentées dans le tableau 2 ci-après. La perméabilité magnétique est mesurée à l'aide d'un impédancemètre HP4291A. Les pertes totales sont mesurées à 1.5MHz et 25mT grâce à un 20 watt-mètre, sur des échantillons toriques bobinés par un fil de cuivre émaillé. Masse volumique Perméabilité Pertes totales à statique 20°C (g/cm3) (à 100kHz) (mW/cm3) Référence 1 5.08 180 250 Référence 2 5.17 220 180 Référence 3 5.29 240 190 Référence 4 5.28 230 185 Tableau 2 On constate tout d'abord que chaque référence possède des pertes totales inférieures à celle du ferrite de l'art antérieur (FI Ob). La variation des pertes totales en fonction de l'induction de la référence 1 étant présentée figure 3. Il ressort également de ce tableau que les dopages au zirconium et au magnésium mènent à de meilleures propriétés dynamiques que le ferrite non dopé. Cette amélioration de la tenue en puissance est particulièrement notable à haute température comme le montre la figure 4 qui présente l'évolution des pertes totales en fonction de la température pour les références 1 et 2. II en va de même pour le matériau dopé au magnésium (évolution des pertes en fonction de la température des références 3 et 4 présentées en figure 5). La référence 4, contenant du magnésium, possède les pertes les plus faibles à haute température. Ces ferrites NiZnCu dopés au zirconium et au magnésium peuvent donc être avantageusement utilisés dans un dispositif fonctionnant à haute fréquence et à haute température comme les transformateurs radiofréquences ou pour les alimentations à découpage haute fréquence. Ces matériaux peuvent également s'inscrire dans l'optique de l'intégration des composants passifs par la technologie LTCC. Ainsi, grâce à un ajout d'oxyde de bismuth, il est possible d'obtenir après frittage à 880°C des propriétés comparables au matériau massif fritté à 935°C comme le montre le tableau 3 : Frittage Masse Perméabilité Pertes totales volumique statique (mW/cm3) (g/cm) (à 100kHz) Référence 2 935°C / 2h 5.17 220 180 Référence 5 880°C / 2h 5.25 200 175 Tableau 3 Le frittage à une température inférieure à 900°C ouvre la possibilité de 30 cofritter le ferrite avec des encres d'argent ou d'autres matériaux tels que des céramiques diélectriques commerciales. De plus, cet ajout de Bi203 ne dégrade en rien la tenue en puissance comme le montre la mesure des pertes en fonction de la température présentée figure 6.5 REVENDICATIONS1. Matériau ferrite de type spinelle à base de nickel et de zinc caractérisé en ce qu'il répond à la formule chimique suivante : NixMgyZntCuWCo,ZrZFe2_804 avec : 2.(x+y+t+w+E)+4.z+3.(2-8)=8 0 3. Matériau ferrite de type spinelle selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que y est compris entre environ 0,005 et 0,05. 4. Matériau ferrite de type spinelle selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que w est compris entre environ 0,05 et 0,20. 5. Matériau composite comprenant un matériau ferrite de type 25 spinelle selon l'une des revendications 1 à 4 et de l'oxyde de bismuth. 6. Matériau composite selon la revendication 5, caractérisé en ce que le ratio pondéral oxyde de bismuth / matériau ferrite est compris entre 0,2 % et 1 % 7. Composant magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend un noyau magnétique en matériau ferrite selon l'une des revendications 1 à 4. 8. Composant magnétique de type transformateur ou inductance 35 selon la revendication 7, caractérisé en ce que le noyau magnétique est bobiné avec du cuivre émaillé ou du conducteur coaxial. 30 9. Composant magnétique selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il fonctionne pour une induction comprise entre environ 0 et 50 mTesta dans une gamme de fréquence de l'ordre de 1 à 100 MégaHertz. 10. Alimentation à découpage caractérisée en ce qu'elle comprend un composant magnétique selon l'une des revendications 8 ou 9. 11. Inductance caractérisée en ce qu'elle comprend un assemblage 10 de couches de matériau ferrite selon l'une des revendications 1 à 4 et de pistes métalliques cofrittés. 12. Transformateur multicouches caractérisé en ce qu'il comprend un assemblage de couches de ferrite selon l'une des revendications 1 à 4 et 15 de pistes métalliques cofrittées. 13. Inductance selon la revendication Il, caractérisée en ce que les pistes métalliques sont en argent. 20 14. Inductance selon la revendication 11, caractérisée en ce que les pistes métalliques sont en cuivre. 15. Transformateur selon la revendication 12, caractérisé en ce que les pistes métalliques sont en argent. 16. Transformateur selon la revendication 12, caractérisé en ce que les pistes métalliques sont en cuivre. 25