Conception, réalisation et caractérisation d’inductances intégrées haute fréquence

Design, fabrication and characterization of high frequency integrated inductors

• Auteur / Autrice : Elias Haddad
• Direction : Charles Joubert, Christian Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 23/11/2012
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pascal Cambronne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Allard, Magali Brunet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Forest, Eric Labouré

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes électroniques

Inductance

Électroformage

Convertisseurs continu-continu

Mots clés libres

Convertisseur DC-DC

Composants magnétiques

Électrodéposition

Inductance intégrée

Noyau magnétique

Faible puissance

Inductance planaire

DC-DC converter

Magnetic components

Electroplating

Integrated inductor

Magnetic core

Low power

Planar inductor

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans le contexte d’alimentation des systèmes électroniques portables à faible puissance (1W environ) et fonctionnant sous faible tension. Avec la demande croissante pour la conversion d’énergie dans ces systèmes, l’intégration et la miniaturisation du convertisseur DC-DC devient une zone d’intérêt fort. Des recherches récentes ont montré des convertisseurs avec des fréquences de commutation pouvant atteindre 100 MHz. Pour de faibles niveaux de tension (1 V) et des puissances aux environs du Watt, les valeurs d’inductance de lissage de ces convertisseurs envisagées sont de l’ordre d’une centaine de nanoHenry. Ceci relance l’intérêt d’étudier l’intégration des composants passifs de dimensions millimétriques au sein d’un même boîtier avec les parties actives. Dans ce contexte, les travaux présentés dans ce manuscrit sont abordés par la conception d’inductances planaires en forme de spirale avec un noyau magnétique. Les simulations ont permis d’analyser les liens entre les paramètres géométriques et les paramètres électriques de l’inductance pour établir une structure d’inductance optimale en fonction de la limite de la technologie de réalisation. Une inductance planaire prise en sandwich entre deux couches de matériau magnétique est proposée. Les simulations ont montré l’intérêt de réaliser un tel composant. Sa structure présente plusieurs avantages, elle permet d’augmenter considérablement la valeur d’inductance tout en gardant le même encombrement par rapport à une inductance sans noyau magnétique. Elle permet également de réduire les perturbations électromagnétiques avec les composants environnants. Un procédé technologique de réalisation des inductances, basé sur la croissance électrolytique de cuivre à température ambiante, a été développé et optimisé pour valider les modélisations précédentes. Ce procédé est reproductible et permet une fabrication collective de composants. Un banc de caractérisation impédance métrique a également été conçu afin de déterminer les limites du fonctionnement fréquentiel des composants réalisés et de valider les performances de ces derniers. Ce travail propose une solution pour la réalisation de la puce active sur l’inductance dans le cadre d’un SOC (System-On-Chip). Il souligne par ailleurs l’importance de l’intégration pour l’électronique de faible puissance

The work in this thesis contributes to the domain of low power (1W approximately) portable electronic systems. These systems require integrated and miniaturized of DC-DC converters. Recent studies have demonstrated converters with high switching frequency as high as 100 MHz, requiring smaller passive components. For low voltage values (1V approximately) and 1 watt output power, the inductance value of these converter filters is about a hundred nanoHenry. Such inductors can be integrated on a millimetric scale in the same package as the active die. In this context, the work presented in this thesis starts with the design of planar spiral inductors with a magnetic core. Simulations allowed to analyze the relation between geometrical and electrical parameters of the inductor in order to design an optimal inductor. A planar inductor sandwiched between two layers of magnetic material is proposed. Simulations showed the advantages of fabricating of such component. Its structure allows to increase the inductance value without modifying the inductor’s surface compared to a coreless inductor. It also allows to reduce the electromagnetic interferences with the rest of the circuit. A technological process for the fabrication of the inductors has been developed and optimized in order to valid the previous design. This process is based on copper electroplating technique which is compatible with a repeatable and a mass fabrication of inductors. A characterization bench was also developed in order to determine the operating frequency limits of the fabricated components as well as to validate their performance. This work offers a solution for the realization of the active chip on the inductor (SOC, System- On-Chip). It also emphasizes the importance of the integration for low power electronics