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MICROCOMPOSANT DU TYPE MICRO-INDUCTANCE OU MI RO
TRANSFORMATEUR
Domaine technidue
L'invention concerne le domaine de la micro-électronique, et plus
précisément au secteur de la fabrication des microcomposants, notamment
destinés
à être utilisés dans des applications radiofréquences. Elle concerne plus
précisément des microcomposants tels que des micro-inductances ou des micro
transformateurs équipés d'un noyau magnétique permettant Ie fonctionnement à
des
fréquences particulièrement élevées.
Technidues a térieures
Comme on le sait, les circuits électroniques utilisés pour les applications
radiofréquences, telles que notamment la téléphonie mobile, comportent des
circuits oscillants incluant des capacitës et inductances.
Compte tenu de la tendance à la miniaturisation, il est impératif que les
microcomposants tels que les micro-inductances occupent un volume de plus en
plus réduit, tout en conservant une valeur d'inductance suffisante et un
coefficient
de qualité élevé.
Par ailïeurs, la tendance générale est à (augmentation des fréquences de
fonctionnement. Ainsi, on peut citer â titre d'exemple les fréquences
utilisées dans
les nouvelles normes LTMTS de la téléphonie mobile, qui sont au voisinage de
2,4
2S GigaHertz, par comparaison avec les fréquences de 900 et 1800 MegaHertz
utilisées pour 1a norme GSM.
L'augmentation des fréquences de fonctionnement pose des problémes relatifs
au comportement des noyaux magnétiques des micro-inductances.
En effet, pour obtenir un bon facteur de qualité, on recherche généralement à
augmenter la valeur d'inductance de la micro-inductance. A cet effet, on
choisit des
matériaux magnétiques dont la géométrie et les dimensions permettent d'avoir
une
perméabilité la plus importante possible.
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Or, compte tenu des phénomènes de gyromagnëtisme, il est connu que la
perméabilité varie en fonction de la fréquence, et plus précisément qu'il
existe une
fréquence de résonance au-delà de laquelle une inductance nrése"tP ""
comportement capacitif. Autrement dit, une micro-inductance doit
impérativement
être utilisée à des fréquences inférieures à cette fréquence de résonance.
Or, (augmentation des fréquences d'utilisation se heurte donc au phénoméne
de résonance gyromagnétique, qui limite pour une géométrie donnée Ia plage de
fréquence dans laquelle (inductance peut être utilisée de façon optimale.
Un probléme que se propose de résoudre l'invention est celui de ia limitation
de la fréquence d'utilisation inhérente à l'existence d'un phénomène de
gyromagnétisme.
IS Exposé de l'invention
L'invention concerne donc un microcomposant inductif tel qu'une micro-
inductance ou un micro-transformateur, qui comporte un bobinage métallique
ayant Ia forme d'un solénoïde, et un noyau magnétique incluant un ruban en un
matériau ferromagnétique positionné au centre du solénoïde.
Conformément à l'invention, ce microcomposant se caractérise, en ce que le
noyau comporte à au moins une couché additionnelle parallèle au ruban, apte à
générer un champ magnétique orienté perpendiculairement à Taxe du solénoïde.
Autrement dit, la couche additionnelle associée au ruban ferromagnétique est
le siège d'un champ magnétique qui se referme en passant à travers le ruban,
et en
soumettant donc ce dernier à un champ magnétique perpendiculaire à Taxe du
solénoïde, et donc généralement à la grande dimension du noyau.
La présence de ce champ magnétique supplémentaire à (intérieur du ruban,
orienté parallélement à Taxe facile d'aimantation du ruban ferromagnétique,
s'oppose à la rotation des aimantations orientées au repos selon Taxe facile.
Ceci se
traduit donc par une diminution de la perméabilité magnétique du ruban, et
donc
une diminution de la valeur d'inductance des microcomposants ; on a constaté
que
cet inconvénient est compensé par (augmentation de Ia fréquence de résonance
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pour l'effet gyromagnétique correspondant à la fréquence maximale à laquelle
ie
mierocomposant conserve son comportement inductif.
La détermination de la fréquence de résonance gyromagnétique fait intervenir
l'équation de Landau-Lifschitz qui suit
~ ~ MnFI M ~ nM
dans laquelle
~ M représente le moment magnétique,
~ H le champ magnétique dans lequel est plongé ce moment,
IO ~ y la constante gyromagnétique,
~ et a le facteur d'amortissement.
Pour déterminer la perméabilité selon Taxe difficile du matériau
ferromagnétique, qui correspond à l'axe principal du solénoïde, il convient de
Z 5 déterminer Ies différents champs magnétiques auxquels le matériau est
soumis.
Ainsi, lorsqu'un matériau d'une forme donnée est plongé dans un champ
magnétique (HeX~, les aimantations ont tendance à s'aligner.
La neutralité du matériau est donc perdue, des charges apparaissent qui créent
20 un champ s'opposant au champ extérieur, diminuant ainsi le çhamp intérieur
résultant (H;"t). Le champ s'opposant au champ extérieur est généralement
dénommé "champ démagnétisant" (H~), et dépend fortement de la géométrie. Plus
précisément, on appelle N le coefficient de champ démagnétisant tel
que : Ha= NM
Ce coefficient N ne dépend que de la géométrie. Ce champ démagnétisant,
créé par les composantes d'aimantation selon Ia direction de Taxe difficile
diminue
le champ intérieur résultant et s'oppose donc au passage de lignes de flux.
Autrement dit, ce champ démagnétisant a pour conséquence une baisse de Ia
perméabilité.
Ainsi, en tenant compte de cette modélisation, on peut résoudre (équation de
Landau-Lifschitz pour déterminer, selon Taxe difficile, la valeur de 1a
perméabilité.
Comme on le sait, la perméabilité magnétique est une grandeur complexe, dans
laquelle Ia partie réelle représente la perméabilité efficace, tandis que la
partie
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imaginaire représente les pertes. Ainsi, la résolution de ces ëquations donne
les
valeurs de la partie réelle (p') et de la partie imaginaire (~,") fonction de
la
fréquence, de N, et des propriétés intrinsèques du matériau.
La frëquence de rësonance, pour laquelle la valeur de ~," est maximale est la
suivante : f~=2 Hx+N.4~cMs Hk+4.~YIs
dans laquelle
~ N est le coefficient de champ démagnétisant,
~ y est la constante gyromagnétique,
~ Hk est la valeur du champ d'anisotropie,
~ et MS est la valeur du moment magnétique à la saturation.
On constate donc que la fréquence de résonance est une fonction croissante
de la valeur du champ d'anisotropie qui oriente les domaines magnétiques selon
l'axe facile. Ainsi, on soumettant le no~au ferromagnétique à un champ
supplémentaire grâce à la couche additionnelle et caractéristique, on ajoute
un
champ supplémentaire au champ d'anisotropie intrinsèque; ce qui augmente f
effet
d'anisotropie pour les domaines magnétiques.
Par conséquent, la perméabilité magnétique, illustrant la facilité à provoquer
la rotation de l'aimantation du matériau est diminuée, puisque le champ
magnétique
supplémentaire s'oppose à un tel phénomène. En contrepartie, la fréquence de
résonance pour (effet gyromagnétique, fonction croissante de la valeur du
champ
d'anisotropie, est plus élevée, ce qui permet (utilisation de la micro-
inductance ou
du micro-transformateur à des fréquences plus élevées.
En pratique, le champ magnétique additionnel peut être généré soit par une
couche additionnelle en un matériau ferromagnétique dit dur (aimant),, soit
une
couche métallique conductrice destinée à être parcourue par un courant
électrique.
Dans le premier cas, (aimantation de la couche additionnelle dure est choisie
perpendiculaire à f axe du solénoïde.
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En pratique, on peut prévoir d'interposer ou non entre la couche additionnelle
dure et le noyau en matériau ferromagnétique une couche de séparation
permettant
notamment de limiter les effets de couplage magnétique.
Avantageusement en pratique, on peut prévoir deux couches additionnelles
dures situées chacune sur une face du ruban ferromagnétique, de maniëre à
augmenter encore la valeur de ce champ additionnel s'aj outant au champ
d'anisotropie intrinsèque, et par conséquent la fréquence de résonance fixant
la
limite supérieure à laquelle (inductance peut être utilisée.
Avantageusement en pratique, le matériau ferromagnétique dur de la couche
additionnelle peut être choisie dans le groupe comprenant les alliages de
cobalt-platine ou d'hexaferrites.
En fonction de l'épaisseur et de faimantarion rémanente de la couche
additionnelle, on peut choisir Ia valeur du champ magnétique qui s'additionne
au
champ d'anisotropie intrinsëque, et donc Ia valeur de perméabilité du noyau.
On
peut ainsi réaliser des micro-inductances avec des valeurs d'inductances
prédéterminées.
Dans le cas où la couche additionnelle est une couche métallique conductrice,
on peut avantageusement prévoir de la connecter à des moyens permettant de
régler (intensité et/ou la forme du courant électrique qui la parcourt. Il est
ainsi
possible de régler dynamiquement la valeur du champ magnétique à saturation,
et
donc la perméabilité magnétique, et ainsi que la valeur de (inductance. Cette
disposition permet par exemple de faire varier dynamiquement la fréquence de
résonance d'un circuit oscillant de façon particuliërement simple.
En pratique, le ruban ferromagnétique et la couche additionnelle conductrice
peuvent être soit électriquement isolés, soit électriquement reliés. Pour ces
applications à haute fréquence, le ruban et les couches additionnelles sont
avantageusement isolés.
La géométrie du noyau n'est pas limitée à la simple association de deux
couches, mais on peut prévoir d'utiliser plusieurs couches additionnelles
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ferromagnétiques dures entre lesquelles est interposé le ruban magnétique ou
bien
une couche additionnelle (dure ou conductrice) prise en sandwich entre deux
rubans ferromagnétiques.
Bien qu'il ne s'agisse pas de la forme préférée d'exécution, lorsque le
matériau
ferromagnéüque du ruban est conducteur, on peut prévoir de le faire parcourir
par
un courant de sorte qu'un champ magnétique se crée à fintërieur même du ruban.
Ce champ produit des effets similaires à ceux générés par une couche
additionnelle
distincte.
Description sommaire des figu; res
La maniére de. réaliser (invention ainsi que les avantages qui en découlent
ressortiront bien du mode de rëalisation qui suit à (appui des figures
annexées,
dans lesquelles
La figure 1 est une vue de dessus schématique d'une micro-inductance
réalisée conformëment à (invention,
La f gure 2 est une vue en coupe longitudinale selon le plan II-If de Ia
figure 1.
La figure 3 est une vue en coupe transversale selon le plan III-III' de la
figure 1.
Les figures 4 à 7 sont des vues en coupes analogues à la figure 3, pour
différentes variantes de réalisation.
Manière de réaliser l'invention
2S Comme déjà indiqué, (invention concerne des microcomposants tels que des
micro-inductances ou micro-transformateurs dont le noyau magnétique comprend
un ruban en un matériau ferromagnétique et une couche spécifique qui est la
source
d'un champ magnétique supplémentaire venant s'additionner au champ
d'anisotropie intrinsèque du ruban ferromagnétique.
Cette couche additionnelle peut être réalisée soit à partir d'un matériau
ferromagnétique dit dur, soit â partir d'un matériau conducteur, de sorte que
lorsqu'elle est parcourue par un courant, cette couche est le siége d'un champ
magnétique.
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Dans la suite de la description, cette deuxième forme de réalisation est
décrite
plus en détail.
Ainsi, comme illustré à la figure l, une micro-inductance (1) conforme à
l'invention comporte un bobinage métallique (2) constitué d'une pluralité de
spires
(3) enroulées autour du noyau magnétique. Plus précisément, chaque spire (3)
du
solénoïde comprend une partie basse (5} qui est insérée sur la surface du
substrat
(6), ainsi qu'une pluralité d'arches (7} reliant les extrémités (8, 9) des
parties basses
adjacentes (5-5'}.
Ainsi, pour obtenir une telle inductance, on procède à Ia gravure d'une
pluralité de canaux parallèles (10) sur la face supérieure d'un substrat
isolant ou
d'une couche isolante sur un substrat conducteur ou serni-conducteur (6). On
obtient les parties basses {5) de chaque spire par croissance électrolytique
de
cuivre, puis on planarise la surface du substrat (6) pour obtenir un état de
surface
optimal.
On effectue ensuite le dépôt d'une couche de silice (1I) au-dessus de la face
supérieure du substrat (6}, de manière à isoler les parties basses (5) des
spires vis à
vis des matériaux utilisés pour le noyau magnétique.
On réalise ensuite Ie noyau magnëtique (4). Comme déjà dit, de multiples
architectures peuvent être adoptées, et ia suite de la description décrit en
détail un
mode de réalisation non limitatif. Le noyau (4) de la figure 3 comporte donc
deux
rubans ferromagnétiques (12,14) entre lesquelles est située une couche
conductrice {13).
Plus précisément, pour réaliser la couche (12) en matériau ferromagnétique,
plusieurs techniques peuvent être utilisées, telles que la pulvérisatïon
cathodique ou
le dépôt électrolytique. Ainsi, dans la seconde technique, on assure le dépôt
électrolytique du matériau magnétique au-dessus d'une zone de croissance
située
au-dessus de la pluralité des segments formant les parties basses (5) des
spires.
L'épaisseur de Ia couche magnétique (12) est choisie entre 0,1 et 10
micromètres,
pour obtenir une inductance suffisante tout en limitant les phénomènes de
courants
induits.
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Après avoir déposé la couche inférieure (12) de matériau ferromagnétique, on
procède au dépôt d'une couche isolante (15) par pulvérisation cathodique au
dessus
de la couche inférieure ( 12). On dépose par la suite une couche conductrice (
14),
qui peut être par exemple en or. Ce dépôt peut avoir lieu par voie
électrolytique ou
par pulvérisation cathodique. Cette couche conductrice (13) est à son tour
recouverte d'une couche isolante (16).
Par Ia suite, on procède au dépôt d'une seconde couche ferromagnétique (13)
au-dessus de la couche conductrice (16), de la même manière que pour la
couche (12).
Les deux couçhes ferromagnétiques (12, 13) sont préférentiellement de la
même épaisseur pour assurer une symétrie autour de la couche conductrice (14).
Aprës avoir réalisé (ensemble du noyau magnétique (4), on procède au dépôt
d'une couche de silice (22) destinée à isoler électriquement le noyau
magnétique
(4) de Ia partie supérieure (7) des spires (2). Par la suite, on procède à un
dépôt
électrolytique du cuivre pour former des arches (7) reliant les extrémités
opposées
des parties basses adjacentes (5-5'), pour obtenir le microcomposant illustré
à la
figure 1. Des étapes ultérieures pour la création de plots de connexion (23,
24),
ainsi qu'une éventuelle passivation peuvent être effectuées.
Les matériaux magnétiques utilisés pour le noyau peuvent être relativement
variés dès Iors qu'ils possèdent une forte aimantation et une anisotropie
contrôlée.
Ainsi, il peut s'agir de matériaux cristallins ou amorphes tels que par
exemple le
CoZrNb ou d'autres alliages à base de cobalt, nickel ou fer. S'agissant de la
couche
conductrice, celle-ci peut être réalisée dans des matériaux à faible
résistivité telle
que le cuivre ou for.
Ainsi, lorsque la couche intermédiaire conductrice (14) est parcourue par un
courant circulant selon (axe (20) du solénoïde, entre les plots (26, 27), un
champ
magnétique est généré perpendiculairement à Taxe (20) du solénoïde, en formant
des lignes de champ autour de la couche conductrice (14). Ce champ (représenté
par des flèches) passe par les couches ferromagnétiques (12, 13) encadrant la
couche conductrice (14). Ce champ supplémentaire s'ajoute au champ
d'anisotropie
intrinsèque caractéristique du matériau ferromagnétique. Ce champ s'oppose
donc à
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la rotation des aimantations des différents domaines magnétiques qui sont
naturellement orientés selon Taxe facile du matériau ferromagnétique, c'est-à-
dire
perpendiculairement à Taxe du solénoïde. Cette opposition à la rotation des
aimantations se traduit par l'augmentation de la valeur du champ magnétique
nécessaire pour obtenir la saturaüon, et donc une diminution de Ia
perméabilité
magnétique du noyau.
Complémentairement, et comme exposé ci-avant, (augmentation du champ
de saturation se traduït par une augmentation de la fréquence de résonance de
l'effet gyromagnétique. L'augmentation de cette fréquence de résonance permet
donc d'utiliser le microcomposant à des fréquences plus élevées que pour les
composants existants.
Le courant électrique parcourant ia couche conductrice ( 14) peut être ajusté
pour faire varier Ia perméabilité du noyau magnétique, et donc le coefficient
d'inductance du composant.
Bien entendu, (invention n'est pas limitée à Ia seule forme décrite en détail
dans laquelle le champ magnéüque additionnel est obtenu grâce à une couche
supplémentaire conductrice. En effet, ce champ additionnel peut également être
obtenu par une couche ferromagnétique dure supplémentaire, disposée de telle
manière que son aimantation soit perpendiculaire à Taxe du solénoïde. Ainsi
comme illustré à la figure 4, Ie noyau comprend une couche additionnelle (32)
en
un matériau ferromagnétique dur interposée entre deux rubans en matériau
ferromagnétique (30,31). Le champ (représenté par des flèches) généré par la
couche (32) se referme par les deux rubans {30,31), augmentant ainsi le champ
d'anisotropie intrinsèque.
L'invention n'est pas non plus limitée à la forme de réalisation illustrée
dans
laquelle le noyau comprend deux couches ferromagnétiques entre lesquelles est
interposée la couche additionnelle, mais d'autres architectures peuvent être
envisagées dans lesquelles le noyau comprend une seule couche ferromagnétique
et
une couche supplémentaire ferromagnétique dure. .Aïnsi, comme illustré à la
figure
5, le noyau comprend un ruban en matériau ferromagnéüque (35) associé à une
couche additionnelle (36) en matériau ferromagnétique dur. Le champ
(représenté
par des fléches) généré par Ia couche (36} se referme par 1e ruban (35),
augmentant
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ainsi le champ d'anisotropie intrinsèque de la couche (35). Cette couche en
matériau ferromagnétique peut être remplacée par une couche conductrice, qui
lorsqu'elle est parcourue par un courant produit un champ dans la couche
ferromagnétique (35}. La couche additionnelle peut être au dessus ou au
dessous du
5 ruban ferromagnétique, en fonction des épaisseurs et du procédé de
fabrication
choisi.
D'autres structures sont également couvertes par (invention, telles que celles
comprenant un ensemble de plusieurs couches ferromagnétiques associées à
10 plusieurs couches additionnelles, ferromagnétiques ou conductrices. Ainsi,
comme
illustré à la figure 6, le noyau peut comprendre un ruban (40) en matériau
ferromagnétique, interposé entre deux couches ferromagnétiques dures (41,42).
Les
champs (représentés par des flèches} générés par les couches additionnelles se
referment dans le ruban (40), produisant ainsi (effet souhaité. Comme illustré
à la
figure 7, ces deux couches ferromagnétiques dures peuvent être remplacées par
deux nappes conductrices (45,46), parcourues par des courants identiques,
ruais de
sens inverses, de sorte que les champs (représentés par des flèches) qu'elle
génèrent
sont de même sens lorsqu'ils se referment dans le ruban (40).
Par ailleurs, bien que (invention soit décrite plus en détail en ce qui
concerne
les micro-inductances, il va-de soi que la réalisation de micro-
transformateurs, avec
deux bobinages enroulés sur un noyau commun, est également couverte par
l'invention.
Il ressort de ce qui précède que les microcomposants conformes à (invention
présentent de multiples avantages et notamment (augmentation de la fréquence
maximale de fonctionnement par rapport à des microcomposants de dimension et
de matériaux identiques, ainsi qu'une possibilité de faire varier de façon
dynamique
la permëabilité magnétique, et donc la valeur de (inductance.
Ces microcomposants trouvent une application toute particulière dans
(application de radio-fréquence et notamment dans la radio-téléphonie mobile.
