Etude et mise au point de composants magnétiques multicouches pour intégration en électronique de puissance

Study and development of multilayer magnetic components for power electronics application

• Auteur / Autrice : Edouard Brun
• Direction : Eric Labouré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/10/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Labouré, Frédéric Mazaleyrat, Jean-Jacques Rousseau, Patrick Quéffélec, Richard Lebourgeois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Mazaleyrat, Jean-Jacques Rousseau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microélectronique

Électronique de puissance

Ferrites (matériaux magnétiques)

Céramique industrielle

Mots clés libres

Ferrites Ni-Zn-Cu-Co

Pertes totales

Perméabilité initiale complexe

Composants inductifs cofrittés

LTCC multicouche

Intégration

Electronique de puissance

Défaut de fer

Ni-Zn-Cu-Co ferrites

Core losses

Complex initial permeability

Cofired inductive components

Multilayer LTCC

Integration

Power electronics

Iron deficiency

Résumé

Ces dernières années, les besoins en électronique de puissance s’orientent vers la miniaturisation globale des cartes électroniques, parallèlement à une augmentation des puissances de travail. C’est dans ce contexte que s’inscrivent les travaux de cette thèse, principalement axée sur l’élaboration, l’amélioration des performances et l’intégration de composants passifs (inductances, transformateurs…) en électronique de puissance.Les matériaux choisis pour remplir les fonctions magnétiques de ces composants dans leurs conditions de travail sont les ferrites NixZn1-xFe2O4 (0<x<1). Du cuivre est ajouté pour diminuer la température de frittage, de plus de 1200 °C à moins de 950°C, permettant le cofrittage avec un métal conducteur, et du cobalt pour diminuer les pertes totales en puissance du ferrite formé. La formulation finale devient alors (NixZnyCuz)1-εCoεFe2-δO4 (x+y+z=1). Enfin, de l’oxyde de bismuth Bi2O3 est ajouté comme fondant pour abaisser encore la température de frittage et éviter les problèmes de diffusion.Après une étude bibliographique, les travaux se sont orientés selon différents axes. Il s’agissait tout d’abord d’optimiser la formulation du ferrite pour élaborer des échantillons aux propriétés électromagnétiques et physicochimiques ciblées. Cet axe de travail regroupe de nombreuses études sur la formulation des ferrites Ni-Zn-Cu-Co, parmi lesquelles les principales sont l’étude de l’influence de la stœchiométrie en fer, du rapport Ni/Zn dans la formulation et du procédé d’ajout de cobalt selon son taux. Ces travaux ont permis de mettre en évidence qu’un léger défaut de fer maîtrisé (~Fe1,98) pouvait améliorer les propriétés et les performances de ces ferrites. L’étude de l’influence du rapport Ni/Zn a permis la réalisation de ferrites à perméabilités très faibles, de 40 à 135, et aux bonnes performances en puissance. Les résultats de cette étude ont été publiés dans le Journal of the Japan Society of Powder and Metallurgy. Tout au long de la thèse, l’élaboration d’échantillons céramiques, base incontournable de chaque étude, a été réalisé au laboratoire, comme la plupart des tests et caractérisations. Ces derniers peuvent être microstructuraux et physicochimiques (DRX, MEB, BET, ATD/ATG…), ou électromagnétiques (mesures d’aimantation, de perméabilité, de pertes en puissances, etc…).La finalité de ces travaux étant l’intégration de puissance, cette dernière représente le second axe majeur, et regroupe également de nombreuses études, parmi lesquelles les principales sont les études des influences du bobinage sur les pertes d’un composant de type inductance et de l’entrefer (espacement amagnétique au sein du circuit magnétique), classiquement utilisé pour diminuer la perméabilité apparente, non sans conséquence sur les performances en puissance. Une campagne de mesures de pertes totales a également été réalisée dans l’objectif de dégager des lois comportementales sur la variation de ces pertes en puissance et en fréquence.Tous ces travaux et leurs résultats sur le matériau ferrite, son utilisation en électronique de puissance, et une bonne maîtrise du procédé d’élaboration (notamment multicouche), ont permis la réalisation de microcomposants passifs intégrables, aux propriétés ciblées et aux très bonnes performances (pertes diminuées d’un facteur 6 à 10 par rapport au commerce).

In recent years, power electronics needs are moving towards the global miniaturization of electronic boards, and an increase of the working powers. The works performed during this thesis, mostly oriented on the elaboration, the performances improvement and the integration of passive components (inductors, transformers…) in power electronics, are inscribed in this context.The materials chosen to perform the magnetic functions of those components in their work conditions are the NixZn1-xFe2O4 (0<x<1) ferrites. Copper is added to reduce the firing temperature, from more than 1200 °C to less than 950 °C, allowing cofiring with a conducting metal, and cobalt is added to reduce the power core losses of the sintered ferrite. The final formulation then becomes (NixZnyCuz)1-εCoεFe2-δO4 (x+y+z=1). Finally, bismuth oxide Bi2O3 is added as a sintering aid to lower even more the sintering temperature and avoid diffusion problems.After a bibliographic study, the works were oriented along different axes. Firstly, the ferrite formulation was optimized to elaborate samples with targeted electromagnetic and physicochemical properties. This working axis gathers numerous studies on the Ni-Zn-Cu-Co ferrites formulation, among which the main ones are the study of the influence of iron stoichiometry, the Ni-Zn ratio in the formulation and the cobalt adding process and level. These studies have shown that a light and controlled iron deficiency (~Fe1,98) could improve the properties and the performances of these ferrites. The study of the influence of the Ni/Zn ratio allowed the production of very low permeability ferrites, from 40 to 135, with good power performances. Its results were published in the Journal of the Japan Society of Powder and Metallurgy. Throughout this thesis, the elaboration of ceramic samples, the essential basis of every study, was undertaken at the laboratory, as most of the tests and characterizations. These can be microstructural and physicochemical (XRD, SEM, BET, TDA/TGA…), or electromagnetic (magnetization and permeability measurements, power losses…).The final purpose of this work is power integration, and it represents the second main axis. It also gathers many studies, among which the main ones are the study of the influence of the winding on the losses of an inductor-type component and the influence of the air gap, commonly used to reduce the apparent permeability, not without consequences on the power performances. A total losses measurement campaign has also been undertaken in order to bring out behavioral laws on core losses variation according to induction and frequency.All this work and the results on the ferrite material, his power electronic application, and a good control of the elaboration process (multilayer especially), allowed the production of passive micro-components for integration, with targeted properties and very high performances (core losses reduced by 6 to 10 relative to commercial materials).