EP3033755B1 - Composant ferrite pour application de puissance et procede de fabrication du composant - Google Patents

Composant ferrite pour application de puissance et procede de fabrication du composant Download PDF

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EP3033755B1
EP3033755B1 EP14745161.1A EP14745161A EP3033755B1 EP 3033755 B1 EP3033755 B1 EP 3033755B1 EP 14745161 A EP14745161 A EP 14745161A EP 3033755 B1 EP3033755 B1 EP 3033755B1
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EP
European Patent Office
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magnetic ferrite
inductive component
elements
ferrite
dielectric
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EP14745161.1A
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EP3033755A1 (fr
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Richard Lebourgeois
Gérard CIBIEN
Edouard BRUN
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3033755B1 publication Critical patent/EP3033755B1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/08—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
    • H01F10/10—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition
    • H01F10/18—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being compounds
    • H01F10/20—Ferrites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/0006—Printed inductances
    • H01F17/0013—Printed inductances with stacked layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2804—Printed windings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/04—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing coils
    • H01F41/041—Printed circuit coils
    • H01F41/046—Printed circuit coils structurally combined with ferromagnetic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/0006—Printed inductances
    • H01F2017/0066—Printed inductances with a magnetic layer

Definitions

  • the field of the invention is that of multilayer magnetic components for inductance and transformer functions in power electronics and more precisely that of components comprising ferrite materials used at high and very high frequencies (between 1 MHz and 100 MHz) which can advantageously present low magnetic losses for large applied powers and for operation over a wide temperature range, typically from -50 ° C to + 150 ° C.
  • low loss ferrite materials intended for high frequency applications (f> 1 MHz), it may especially be ferrites based on nickel, zinc and copper, cobalt. They are used as magnetic cores of various shapes (cores, pots, rods, etc.) and allow the realization of inductors or wound transformers, the winding portion being made using enamelled copper wire or coaxial conductor.
  • inductive passive components inductance or transformer
  • the power density increases, which leads to an increase in the operating temperature. Yields decrease as well as the life of electronic equipment.
  • the losses of the inductive component are essentially determined by the magnetic losses, said total losses of the magnetic material used for the realization of the core.
  • Ferrites based on nickel, zinc, copper, cobalt are particularly well suited because of their adapted magnetic properties and their high electrical resistivity for this type of application.
  • multilayer components can be produced from this type of magnetic ferrite material by the coffering technology.
  • coils can be made from screen-deposited metal or other thick layer ceramics deposition technique. To avoid magnetic flux leakage, it is essential to magnetically isolate the turns of the winding or coils.
  • the present invention proposes to use a dielectric material, which can form cast strips for the elaboration of dielectric elements, integrated in the component and does not disturb the composition of the elements in the presence during the operation of co-curing of all the constituents of the component: cast strips of ferrite material, metal tracks, cast strips of dielectric material.
  • the proposed solution consists in using a non-magnetic ferrite, of the same family as the magnetic ferrite chosen, so as to keep the same elements in a similar way, even identical, for magnetic and dielectric parts, and so to assemble ceramic materials whose coefficients of shrinkage and expansion are close.
  • the dielectric elements are based on a nonmagnetic ferrite ceramic having a sintering temperature of between 800 and 1000 ° C.
  • w is non-zero.
  • the invention also relates to a micro-inductor comprising an inductive component according to the invention, characterized in that it comprises coil elements positioned on at least one set of magnetic ferrite material layers, so as to perform a winding integrated in said component, said coil elements being electrically connected to each other.
  • the subject of the invention is also a transformer comprising an inductive component according to the invention, characterized in that it comprises at least two series of coil elements positioned on at least one set of layers of magnetic ferrite material, so as to making windings integrated in said component, in each series the coil elements being electrically connected.
  • the invention also relates to an electronic system comprising at least one inductive component, or a micro-inductor or a transformer and at least one capacitor and an electronic control, characterized in that the inductive component or the micro-inductor or the transformer is according to the invention.
  • the capacitor comprises a nonmagnetic ferrite material having a permittivity greater than or equal to 20.
  • the realization of metal tracks is performed by a screen printing operation.
  • the metal tracks are deposited by ink jet.
  • the co-sintering operation is carried out at a temperature of between about 800 ° C. and 1000 ° C.
  • the coils can be made from silver deposited by screen printing or another technique, for example by ink jet. It should be noted that all the ceramic deposits can also use the inkjet technique.
  • a non-magnetic ferrite also based on Ni, Zn and Cu (nonmagnetic ferrite may also comprise Co) is used so as to retain the same chemical elements for the magnetic and non-magnetic parts, and so to assemble ceramic materials whose expansion coefficients are close.
  • the composition of the ferrite by adjusting the composition of the ferrite, it is possible to modulate the Curie temperature, so as to lower it and that below the ambient temperature. It is thus possible to render a non-magnetic ferrite above ambient temperature and to enable it to provide an insulation function and thus make it possible to prevent magnetic flux leakage by adjusting the composition thereof.
  • the windings are made from silkscreened silver and covered with non-magnetic ferromagnetic dielectric elements to prevent magnetic flux leakage.
  • NiZnCuCo ferrites with low-temperature sintering dielectrics and silver-based metallizations thus enables the production of high-performance, cost-effective magnetic components.
  • a multilayer transformer was made from a cast NiZnCuCo ferrite.
  • the schema of the structure is given in Figures 2a and 2b .
  • Stack 4 layers as described in top view figure 2b alternating the side where the silver tracks come out.
  • the component thus comprises a ferrite core 20, around which is deposited a coil element 30, covered with a dielectric element 40, of the invention is a nonmagnetic ferrite, and then are deposited in a complementary manner magnetic ferrite elements 21 around of the dielectric element 40 of nonmagnetic ferrite.
  • the whole is cofritté at 900 ° C under air for 2 hours so as to realize the transformer.
  • the Applicant has made structures for which the output of the silver conductors does not pass through the magnetic ferrite, for a transformer referenced TC, as illustrated in FIG. figure 4 .
  • the dielectric element 40 covers the entirety of the coil element 30.
  • FIGS. 5a and 5b show two sectional views of an inductive component in an elementary or more elaborate form, comprising tracks forming two turns isolated by means of nonmagnetic ferrite elements.
  • Such a configuration can be achieved by a succession of magnetic ferrite layers C fmi , the nonmagnetic ferrite elements 40 thus isolate the two turns 30 i and 30 i + 1 from each other.
  • FIGS. 6a and 6b illustrate an example of a connection diagram of the two turns respectively on the primary side and secondary side, illustrated representatives of the portions of solenoids.
  • the figure 7 shows the total losses for the CT transformer, as a function of the applied rms voltage, measured on the primary side.
  • the Ferroxcube 4F1 ferrite core retained is a core of type E22, the letter E corresponding to the shape of the core as shown in the diagram of the figure 8 , illustrating the ribs.
  • the E22 core at 4F1 was wound with 2 turns for the primary and 2 turns identical to the secondary.
  • the Applicant measured the primary and leakage inductances that were compared to those of the CT transformer.
  • the coupling coefficient was also measured in comparing primary and secondary voltages for fixed primary excitation.
  • This type of inductive component of the present invention which is efficient, of small size, can advantageously be integrated into more complex systems comprising all the passive functions based on ceramics (inductances, transformers, capacitors, filters) in a substrate thanks to the use of compatible materials and coffering technology. On one side of the substrate can be reported discrete components and on the other side, a cooled plate.
  • FIG. 9 shows on a ceramic substrate 100, a cofired multilayer structure 101, elementary layers 102, a cooled plate 300, an electrical control 400 and a function to be fed 500.
  • the set of constituent layers of the inductive components and capacitors are so advantageously made of magnetic ferrite material and non-magnetic ferrite.

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Description

  • Le domaine de l'invention est celui des composants magnétiques multicouches destinés aux fonctions inductance et transformateur en électronique de puissance et plus précisément celui des composants comprenant des matériaux ferrites utilisés à haute et très haute fréquence (entre 1 MHz et 100 MHz) pouvant avantageusement présenter de faibles pertes magnétiques pour des puissances appliquées importantes et pour des fonctionnements dans une large gamme de température, typiquement comprises entre - 50°C et + 150 °C.
  • Dans ce contexte, il a déjà été proposé d'utiliser des matériaux ferrites dits « faibles pertes » destinés à des applications haute fréquence (f > 1 MHz), il peut notamment s'agir de ferrites à base de nickel, zinc et cuivre, cobalt. Ils sont utilisés comme noyaux magnétiques de formes variées (tores, pots, bâtonnets, etc.) et permettent 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.
  • Leurs avantages sont une faible température de frittage (T < 950° C), une perméabilité ajustable entre 10 et 1000, de faibles pertes magnétiques à haute et très haute fréquence, un fonctionnement possible dans une large gamme de température et un coût de fabrication réduit.
  • 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 inductifs (inductance ou transformateur). Lorsqu'on réduit le volume des composants inductifs, la densité volumique de puissance augmente ce qui conduit à une augmentation de la température de fonctionnement. Les rendements diminuent ainsi que la durée de vie des matériels électroniques.
  • Dans les applications qui mettent en oeuvre de fortes puissances électriques, les pertes du composant inductif sont déterminées essentiellement par les pertes magnétiques dites pertes totales du matériau magnétique utilisé pour la réalisation du noyau.
  • Les ferrites à base de nickel, zinc, cuivre, cobalt sont particulièrement bien adaptés en raison de leurs propriétés magnétiques adaptées et de leur résistivité électrique élevée pour ce type d'application. De plus, on peut réaliser à partir de ce type de matériau ferrite magnétique, des composants multicouches par la technologie de cofrittage.
  • Il a notamment déjà été proposé d'utiliser la technologie LTCC pour « Low Temperature Cofired Ceramic » nécessitant au préalable la réalisation de bandes coulées de matériau ferrite à base de Ni, Zn, Cu et Co, pour élaborer des composants inductifs. Pour cela, la mise en forme de la poudre céramique consiste à réaliser des bandes d'une épaisseur de 50 à 300 µm. Il est alors possible de déposer sur ces bandes des encres conductrices, notamment à base d'argent, puis d'empiler plusieurs bandes pour réaliser des composants intégrés comme le montrent les figures 1a et 1b. Des couches de ferrite 10 sont recouvertes de pistes par exemple en argent 11, reliées entre elles d'une couche à l'autre par des Via. La figure 1b met en évidence des terminaisons métalliques reliées aux spires 12.
  • Afin de réaliser des micro-inductances, des bobinages peuvent être réalisés à partir de métal déposé par sérigraphie ou une autre technique de dépôt de céramiques en couches épaisses. Pour éviter les fuites de flux magnétique, il est indispensable d'isoler magnétiquement les spires du ou des bobinages.
  • Il convient alors d'utiliser des bandes de diélectrique compatibles avec le cofrittage ferrite-argent à 900°C. Néanmoins, des problèmes d'interdiffusion et de coefficients de dilatation thermique différents compliquent la réalisation de tels composants en présence d'éléments intermédiaires de diélectrique.
  • Dans ce contexte, la présente invention propose d'utiliser un matériau diélectrique, pouvant former des bandes coulées pour l'élaboration d'éléments diélectriques, intégrés au composant et ne perturbant pas la composition des éléments en présence lors de l'opération de cofrittage de l'ensemble des constituants du composant : bandes coulées de matériau ferrite, pistes en métal, bandes coulées de matériau diélectrique.
  • Ainsi, la solution proposée consiste à utiliser un ferrite non magnétique, de la même famille que le ferrite magnétique choisi, de sorte à conserver de manière approchante, voire identique, les mêmes éléments chimiques pour les parties magnétiques et diélectriques, et de sorte à assembler des matériaux céramiques dont les coefficients de retrait et de dilatation sont proches.
  • Plus précisément l'invention a pour objet un composant inductif comprenant un empilement de couches, ledit empilement comprenant des couches à base de ferrite magnétique caractérisé en ce que :
    • le ferrite magnétique répond à la formulation chimique : NixMgyZnzCuvCowFe2-δO4 avec v non nul, 0<δ<0.1 et x+y+z+v+w = 1 ;
    • ledit composant comprend :
      • ∘ des pistes en métal noble pouvant être de l'argent, de l'or ou du palladium-argent, réparties sur différents niveaux constitués par les surfaces des couches, pour former à chaque niveau une spire, les spires d'un niveau à un autre niveau pouvant être reliées électriquement ou non ;
      • ∘ des éléments diélectriques à base de ferrite amagnétique, comprenant du nickel, du zinc et du cuivre, positionnés sur au moins une partie desdites pistes de métal noble et entre au moins deux couches de matériau ferrite magnétique, de manière à ce que lesdits éléments diélectriques soient incorporés dans du matériau ferrite magnétique ; le ferrite amagnétique répondant à la formule suivante : NiaMgbZncCudCoeFe2-δO4 avec : c > 0.5 , d > 0.1 , 0 < δ < 0.1 et a + b + c + d + e = 1 ;
        Figure imgb0001
      • ∘ un empilement desdites pistes métalliques constituant lesdites spires, dans lequel chaque piste métallique est séparée de la piste métallique du niveau supérieur ou inférieur par un matériau diélectrique en ferrite amagnétique.
  • Selon une variante de l'invention, les éléments diélectriques sont à base d'une céramique de ferrite amagnétique présentant une température de frittage comprise entre 800 et 1000°C.
  • Selon une variante de l'invention, w est non nul.
  • L'invention a aussi pour objet une micro-inductance comprenant un composant inductif selon l'invention, caractérisée en ce qu'elle comprend des éléments de spire positionnés sur au moins un ensemble de couches de matériau ferrite magnétique, de manière à réaliser un bobinage intégré audit composant, lesdits éléments de spire étant reliés électriquement entre eux.
  • L'invention a aussi pour objet un transformateur comprenant un composant inductif selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux séries d'éléments de spire positionnées sur au moins un ensemble de couches de matériau ferrite magnétique, de manière à réaliser des bobinages intégrés audit composant, dans chacune des séries les éléments de spire étant reliés électriquement.
  • L'invention a aussi pour objet un système électronique comprenant au moins un composant inductif, ou une micro-inductance ou un transformateur et au moins un condensateur et une commande électronique, caractérisé en ce que le composant inductif ou la micro-inductance ou le transformateur est selon l'invention.
  • Selon une variante de l'invention, le condensateur comprend un matériau en ferrite amagnétique de permittivité supérieure ou égale à 20.
  • L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication de composant inductif selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    • l'élaboration de bandes coulées de matériau ferrite magnétique répondant à la formule suivante : NixMgyZnzCuvCowFe2-δO4 avec v non nul, 0<δ<0.1 et x+y+z+v+w = 1 ;
    • la réalisation de pistes métalliques à base de métal noble pouvant être en argent, en or ou en palladium à la surface d'au moins une partie desdites bandes coulées de matériau ferrite magnétique ;
    • l'élaboration de bandes coulées à base de matériau diélectrique ferrite amagnétique ;
    • la découpe d'éléments dans lesdites bandes coulées à base de matériau ferrite amagnétique ;
    • le positionnement desdits éléments au niveau des pistes métalliques à la surface desdites bandes coulées de matériau ferrite ;
    • l'ajout d'éléments de ferrite magnétique en périphérie des éléments diélectriques et en surface de manière à incorporer lesdits éléments diélectriques dans ledit composant ;
    • une opération de cofrittage de l'ensemble des bandes coulées de matériau ferrite magnétique intégrant les pistes métalliques, et des éléments diélectriques de manière à former ledit composant inductif.
  • Selon une variante du procédé, la réalisation de pistes métalliques est effectuée par une opération de sérigraphie.
  • Selon une variante du procédé, les pistes métalliques sont déposées par jet d'encre.
  • Selon une variante du procédé, l'opération de cofrittage est effectuée à une température comprise entre environ 800°C et 1000°C.
  • L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication de composant inductif selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    • la réalisation d'encres de ferrite magnétique, de ferrite amagnétique et de métal noble ;
    • la réalisation des couches dudit empilement par dépôts par jets utilisant lesdites encres.
  • 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 :
    • les figures 1a et 1b illustrent une micro-inductance de l'art connu ;
    • les figures 2a et 2b illustrent une structure de transformateur de l'invention comprenant un empilement de spires métalliques réalisées à la surface de bandes coulées de ferrite magnétique, lesdites spires étant recouvertes de diélectrique ferrite amagnétique ;
    • la figure 3 illustre les pertes mesurées au niveau du primaire d'un transformateur dont la structure comprend un empilement de bandes cofrittées avec un diélectrique classique et avec un diélectrique ferrite amagnétique, en fonction de la tension appliquée ;
    • la figure 4 illustre une variante de composant selon l'invention, dans lequel l'élément diélectrique recouvre intégralement un élément de spire ;
    • les figures 5a et 5b illustrent un exemple de composant selon l'invention mettant en évidence l'isolation de deux spires via des éléments de ferrite amagnétique ;
    • les figures 6a et 6b illustrent un exemple de schéma de raccordement de 2 spires, respectivement côté primaire et côté secondaire dans un exemple de transformateur ;
    • la figure 7 illustre les pertes mesurées au niveau du primaire d'un transformateur comprenant un composant similaire à celui illustré en figure 4, en fonction de la tension appliquée ;
    • la figure 8 illustre les cotes d'un noyau de transformateur classique du commerce servant à établir des comparaisons de performances avec un composant de l'invention ;
    • la figure 9 illustre un schéma de principe d'un système électronique à base de substrat céramique multifonctionnel.
  • De manière générale, le composant inductif de la présente invention est un composant comprenant des couches de matériau ferrite magnétique répondant à la formule : NixMgyZnzCuvCowFe2-δO4 avec v non nul, 0<δ<0.1 et x+y+z+v+w = 1.
  • Il peut avantageusement s'agir de matériau à base de Ni, Zn, Cu et Co mais ce de manière non limitative.
  • En effet, des composants multicouches réalisés à partir de ferrites NiZnCuCo présentent deux avantages importants :
    • des pertes très faibles à haute fréquence.
    • la possibilité d'être frittés à basse température, aux environs de 900°C soit 400°C en-dessous de la température de frittage des ferrites conventionnels, ce qui permet de les cofritter avec des diélectriques et des métaux comme l'or ou l'argent.
  • Ainsi, dans un composant inductif de l'invention, les bobinages peuvent être réalisés à partir d'argent déposé par sérigraphie ou une autre technique, par exemple par jet d'encre. Il est à noter que l'ensemble des dépôts de céramique peuvent également utiliser la technique par jet d'encre.
  • Pour éviter les fuites de flux magnétique, on utilise un ferrite non magnétique, également à base de Ni, Zn et Cu (le ferrite amagnétique pouvant également comprendre du Co) de sorte à conserver les mêmes éléments chimiques pour les parties magnétiques et non magnétiques, et de sorte à assembler des matériaux céramiques dont les coefficients de dilatation sont proches.
  • Pour cela, en jouant sur la composition du ferrite, il est possible d'en moduler la température de Curie, de manière à abaisser celle-ci et ce en deçà de la température ambiante. On peut ainsi rendre un ferrite amagnétique au-dessus de la température ambiante et lui permettre d'assurer une fonction d'isolation et ainsi permettre d'éviter les fuites de flux magnétique, en en ajustant la composition.
  • Les bobinages sont réalisés à partir d'argent déposé par sérigraphie et recouverts d'éléments diélectriques de ferrite amagnétique pour éviter les fuites de flux magnétique.
  • L'association des ferrites NiZnCuCo avec des diélectriques à basse température de frittage et des métallisations à base d'argent permet ainsi la réalisation de composants magnétiques cofrittés performants.
  • On peut ainsi réaliser aisément des fonctions inductances et transformateurs qui sont nécessaires au bon fonctionnement des convertisseurs d'énergie ou des amplificateurs de puissance.
    • Exemple de réalisation d'un transformateur selon l'invention :
  • Un transformateur multicouches a été réalisé, à partir d'un ferrite NiZnCuCo coulé en bande. Le schéma de la structure est donné en figures 2a et 2b. On empile 4 couches comme celle décrite en vue de dessus en figure 2b en alternant le côté où sortent les pistes en argent. On referme ensuite avec des couches de ferrites plus épaisses. On termine enfin par les connexions des spires entre elles.
  • Le composant comprend ainsi un noyau de ferrite 20, autour duquel est déposé un élément de spire 30, recouvert d'un élément diélectrique 40, de l'invention soit un ferrite amagnétique, puis sont déposés de manière complémentaire des éléments 21 de ferrite magnétique autour de l'élément diélectrique 40 de ferrite amagnétique.
  • Pour réaliser ce type de structure, on réalise des bandes coulées :
    • de matériau ferrite magnétique, sur lequel sont sérigraphiés les éléments de spire en argent ;
    • de matériau ferrite amagnétique, diélectrique ;
    • on découpe des éléments de matériau diélectrique et de matériau ferrite magnétique, disposé dans un même plan.
  • Le tout est cofritté à 900°C sous air pendant 2 heures de manière à réaliser le transformateur.
  • Après frittage, des mesures électriques ont été réalisées au niveau de l'inductance d'entrée (dite au primaire) et au niveau de l'inductance de sortie (dite au secondaire), en termes de pertes en puissance. Plus précisément, on injecte une puissance dans le composant et l'on mesure la puissance dissipée.
  • Deux types de structures ont été testées après réalisation selon le procédé décrit précédemment : l'une mettant en oeuvre des bandes de diélectrique commercial (référence : ULF140 de AFM Microelectronics Inc.), l'autre, des bandes de ferrite amagnétique, de composition : Ni0.05Cu0.2Zn01.75Fe1.96O4
    Transformateur Matériau « diélectrique » Inductance au primaire Inductance de fuite
    TA Diélectrique ULF 140 Lp = 1.1 µH Lf = 0.8 µH
    TB Ferrite amagnétique Lp = 1.26 µH Lf = 1 µH
  • On constate que les inductances au primaire sont faibles et tout à fait comparables entre les deux transformateurs, et les inductances de fuite relativement importantes, ces inductances de fuite rendant compte du couplage entre le primaire et le secondaire.
  • L'évolution des pertes à 2 MHz, en fonction de la tension efficace appliquée, a été mesurée pour ces deux structures de transformateur, côté primaire. Les résultats sont donnés en figure 3. La courbe 3a est relative à la structure avec le diélectrique ULF 140, la courbe 3b est relative à la structure avec le diélectrique de ferrite amagnétique.
  • On constate que les pertes sont plus élevées lorsqu'on utilise du diélectrique ULF140 ce qui peut s'expliquer par la présence de contraintes générées par la différence des coefficients de retrait.
  • Pour diminuer l'inductance de fuite et améliorer encore le couplage, le Demandeur a réalisé des structures pour lesquelles la sortie des conducteurs en argent ne traverse pas le ferrite magnétique, pour un transformateur référencé TC, comme illustré en figure 4. Selon cette variante, l'élément diélectrique 40' recouvre l'intégralité de l'élément de spire 30.
  • Les figures 5a et 5b montrent deux vues en coupe d'un composant inductif dans une forme élémentaire ou plus élaborée, comportant des pistes formant deux spires isolées grâce à des éléments de ferrite amagnétique. Une telle configuration peut être réalisée grâce à une succession de couches de ferrite magnétique Cfmi, les éléments de ferrite amagnétiques 40 isolent ainsi les deux spires 30i et 30i+1 l'une de l'autre.
  • Les figures 6a et 6b illustrent un exemple de schéma de raccordement des 2 spires respectivement côté primaire et côté secondaire, illustrés représentants des portions de solénoïdes.
  • Les inductances au primaire et celle de fuite ont été mesurées, les valeurs obtenues sont données ci-dessous pour le transformateur TC :
    TC Ferrite amagnétique Lp = 1.68 µH Lf = 0.165 µH
  • On constate une nette diminution de l'inductance de fuite indiquant un meilleur couplage.
  • Les pertes en puissance ont été mesurées pour le transformateur TC dans les mêmes conditions que celles pour les transformateurs TA et TB. On constate là aussi une nette amélioration, avec un gain de plus d'un facteur 3 par rapport au meilleur résultat précédent. Le Demandeur a ensuite pu effectuer la mesure jusqu'à 15 V efficaces.
  • La figure 7 illustre les pertes totales pour le transformateur TC, en fonction de la tension efficace appliquée, mesurées côté primaire.
  • Pour évaluer les performances de ce composant par rapport à l'état de l'art, le Demandeur a choisi de le comparer à un transformateur 2:2, présentant 2 spires au primaire et 2 spires au secondaire réalisé avec du fil de cuivre de diamètre 300 µm sur un noyau de ferrite 4F1 de Ferroxcube. Ce choix se justifie par les remarques suivantes :
    • le transformateur TC étant de petite dimension, les valeurs d'inductance sont faibles et pour obtenir des valeurs similaires avec un noyau plus gros, il est nécessaire de choisir une perméabilité encore plus faible, ce qui empêche l'utilisation de ferrites Mn-Zn ;
    • ce ferrite est un ferrite de puissance haute fréquence donc parfaitement adapté à la présente comparaison ;
    • ses pertes à 3 MHz et 10 mT, données par le fabricant, valent 200 mW/cm3.
  • Le noyau de ferrite 4F1 de Ferroxcube retenu est un noyau de type E22, la lettre E correspondant à forme du noyau comme indiqué sur le schéma de la figure 8, illustrant les côtes.
  • Les dimensions sont données en mm. Les paramètres effectifs pour un noyau constitué de 2 E accolés sont reportés dans le tableau ci-dessous :
    Longueur effective 31.6 mm
    Section effective 78.5 mm2
    Volume effectif 2480 mm3
  • Le noyau E22 en 4F1 a été bobiné de 2 spires pour le primaire et de 2 spires identiques au secondaire. Le Demandeur a mesuré les inductances au primaire et celle de fuite qui ont été comparées à celles du transformateur TC. Le coefficient de couplage a également été mesuré en comparant les tensions au primaire et secondaire pour une excitation au primaire fixée.
    Transformateur Inductance primaire Inductance de fuite couplage
    TC Lp = 1.68 µH Lf = 0.165 µH 66%
    E22 / 4F1 Lp = 1.7 µH Lf = 0.205 µH 59%
  • On constate que les résultats sont similaires, avec des performances légèrement meilleures pour le transformateur TC cofritté.
  • Pour finaliser la comparaison, le Demandeur a mesuré les pertes à 2 MHz en fonction de la tension appliquée. Pour une tension efficace de 15 V (signal sinusoïdal), les résultats sont les suivants :
    • 540 mW pour le transformateur TC cofritté ;
    • 480 mW pour le transformateur en 4F1.
  • Des pertes similaires (environ 10% de moins pour le transformateur en 4F1) ont été obtenues mais pour une structure cofrittée de volume 6 fois plus faible. Si l'on compare non plus les volumes réels mais les volumes apparents, on obtient un gain d'un facteur 10, démontrant par la même, le potentiel des composants cofrittés réalisés.
  • Ce type de composants inductifs de la présente invention avérés performants, de petite taille, peuvent être avantageusement intégrés dans des systèmes plus complexes comprenant toutes les fonctions passives à base de céramiques (inductances, transformateurs, condensateurs, filtres) dans un substrat grâce à l'utilisation de matériaux compatibles et à la technologie de cofrittage. Sur une face du substrat peuvent être rapportés des composants discrets et sur l'autre face, une plaque refroidie.
  • Un tel système est illustré en figure 9 qui met en évidence sur un substrat céramique 100, une structure multicouche cofrittée 101, des couches élémentaires 102, une plaque refroidie 300, une commande électrique 400 et une fonction à alimenter 500. L'ensemble des couches constitutives des composants inductifs et des condensateurs sont ainsi avantageusement réalisées en matériau ferrite magnétique et ferrite amagnétique.

Claims (12)

  1. Composant inductif comprenant un empilement de couches, ledit empilement comprenant des couches à base de ferrite magnétique caractérisé en ce que :
    - le ferrite magnétique répond à la formulation chimique : NixMgyZnzCuvCowFe2-δO4 avec v non nul, 0<δ<0.1 et x+y+z+v+w = 1 ;
    - ledit composant comprend :
    ∘ des pistes en métal noble pouvant être de l'argent, de l'or ou du palladium-argent, réparties sur différents niveaux constitués par les surfaces des couches, pour former à chaque niveau une spire, les spires d'un niveau à un autre niveau pouvant être reliées électriquement ou non ;
    ∘ des éléments diélectriques à base de ferrite amagnétique, comprenant du nickel, du zinc et du cuivre, positionnés sur au moins une partie desdites pistes de métal noble et entre au moins deux couches de matériau ferrite magnétique, de manière à ce que lesdits éléments diélectriques soient incorporés dans du matériau ferrite magnétique ; le ferrite amagnétique répondant à la formule suivante : NiaMgbZncCudCoeFe2-δO4 avec : c > 0.5 , d > 0.1 , 0 < δ < 0.1 et a + b + c + d + e = 1 ;
    Figure imgb0002
    ∘ un empilement desdites pistes métalliques constituant lesdites spires, dans lequel chaque piste métallique est séparée de la piste métallique du niveau supérieur ou inférieur par un matériau diélectrique en ferrite amagnétique.
  2. Composant inductif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments diélectriques sont à base d'une céramique de ferrite amagnétique présentant une température de frittage comprise entre 800 et 1000°C.
  3. Composant inductif à base de ferrite selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que w est non nul.
  4. Micro-inductance comprenant un composant inductif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend des éléments de spire positionnés sur au moins un ensemble de couches de matériau ferrite magnétique, de manière à réaliser un bobinage intégré audit composant, lesdits éléments de spire étant reliés électriquement entre eux.
  5. Transformateur comprenant un composant inductif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux séries d'éléments de spire positionnées sur au moins un ensemble de couches de matériau ferrite magnétique, de manière à réaliser des bobinages intégrés audit composant, dans chacune des séries les éléments de spire étant reliés électriquement.
  6. Système électronique comprenant au moins un composant inductif, ou une micro-inductance ou un transformateur et au moins un condensateur et une commande électronique, caractérisé en ce que le composant inductif ou la micro-inductance ou le transformateur répond à l'une des revendications 1 à 5.
  7. Système électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le condensateur comprend un matériau en ferrite amagnétique de permittivité supérieure ou égale à 20.
  8. Procédé de fabrication de composant inductif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    - l'élaboration de bandes coulées de matériau ferrite magnétique répondant à la formule suivante : NixMgyZnzCuvCowFe2-δO4 avec v non nul, 0<δ<0.1 et x+y+z+v+w = 1 ;
    - la réalisation de pistes métalliques à base de métal noble pouvant être en argent, en or ou en palladium à la surface d'au moins une partie desdites bandes coulées de matériau ferrite magnétique ;
    - l'élaboration de bandes coulées à base de matériau diélectrique ferrite amagnétique ;
    - la découpe d'éléments dans lesdites bandes coulées à base de matériau ferrite amagnétique ;
    - le positionnement desdits éléments au niveau des pistes métalliques à la surface desdites bandes coulées de matériau ferrite ;
    - l'ajout d'éléments de ferrite magnétique en périphérie des éléments diélectriques et en surface de manière à incorporer lesdits éléments diélectriques dans ledit composant ;
    - une opération de cofrittage de l'ensemble des bandes coulées de matériau ferrite magnétique intégrant les pistes métalliques, et des éléments diélectriques de manière à former ledit composant inductif.
  9. Procédé de fabrication de composant inductif, selon la revendication 8, caractérisé en ce que la réalisation de pistes métalliques est effectuée par une opération de sérigraphie.
  10. Procédé de fabrication de composant inductif, selon la revendication 8, caractérisé en ce que les pistes métalliques sont déposées par jet d'encre.
  11. Procédé de fabrication de composant inductif, selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'opération de cofrittage est effectuée à une température comprise entre environ 800°C et 1000°C.
  12. Procédé de fabrication de composant inductif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    - la réalisation d'encres de ferrite magnétique, de ferrite amagnétique et de métal noble ;
    - la réalisation des couches dudit empilement par dépôts par jets utilisant lesdites encres.
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