Evaluation de condensateurs enterrés à base de composites céramique/polymère pour des applications à hautes fréquences

Evaluation of embedded capacitors based on ceramic/polymer materials for high frequency applications

• Auteur / Autrice : Massar Wade
• Direction : Geneviève Duchamp, Isabelle Bord-Majek
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 21/09/2015
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Serge Verdeyme
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Bord-Majek, Tristan Dubois, Jean-Yves Gondouin, Fabien Rouge
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Landesman, Gilles Despaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux hybrides

Piézoélectricité

Composites céramiques-polymères

Circuits imprimés

Condensateurs électriques

Mots clés libres

Matériaux hybrides céramique/polymère

Caractérisation électrique de composite

Courant de fuite

Piézoélectricité

Condensateurs enterrés

Caractérisation ARV / simulation EM 3D HFSS

Règles de conception

Ceramic/polymer hybrid materials

Electrical characterization of composites

Leakage current

Piezoelectricity

Embedded capacitors

VNA characterization / EM 3D-HFSS

Design rules

Résumé

La miniaturisation croissante des systèmes électroniques implique de réduire la taille des composants électroniques, en particulier des composants passifs (condensateurs, résistances et inductances), notamment les condensateurs, volumineux et de surcroît nombreux. Pour répondre à cette attente, une des options est d’intégrer « enterrer » les couches capacitives dans le circuit imprimé à base de matériaux composites céramique/polymère. Dans un premier temps, plusieurs types de matériaux composites à base de nanoparticules de céramique (BaTiO3 et BaSrTiO3) et de polyester pour des condensateurs enterrés sont développés. Ensuite, la permittivité ε’ et les pertes diélectriques des composites sont évaluées dans les gammes de fréquences entre [10 kHz – 10 MHz] et [1 GHz – 5 GHz]. En vue d’intégrer ces composants à l’intérieur du circuit imprimé parfois souple et flexible, le comportement piézoélectrique des composites est évalué. La mesure du courant de fuite permettant d’effectuer une analyse qualitative des matériaux composites a été également effectuée.Au niveau de l’étude des condensateurs enterrés dans le circuit imprimé, deux structures de tests ont été réalisées : l’une montée en parallèle et l’autre en série. L’étude est réalisée sur deux gammes de condensateurs. La première est à base de matériau composite stable en fréquence et la seconde varie avec la fréquence. Pour cela, une méthode originale qui permet d’extraire la variation de la permittivité εr (f) à haute fréquence a été développée. La méthode se repose principalement sur l’utilisation des résultats de mesure de la permittivité relative du condensateur en basse fréquence, et les résultats de la valeur de la fréquence de résonance obtenue en simulation électromagnétique.Enfin, pour améliorer la fréquence de fonctionnement des condensateurs enterrés, des règles de conception permettant de comprendre l’influence des vias de connexions et de la géométrie des électrodes sur la fréquence de résonance du dispositif de test sont étudiées.

The increasing miniaturization of electronic systems involves reducing the size of electronic components, in particular passive components (capacitors, resistors and inductors), including capacitors, large and many more. To meet this expectation, one of the options is to integrate "bury" the capacitive layers based on ceramic / polymer composites in the PCB. In a first step, several types of composite materials based on nanoparticle ceramic (BaTiO3 and BaSrTiO3) and polyester for buried capacitors are developed. Then, the permittivity ε' and the dielectric losses of the composites are measured in the ranges of frequencies between [10 kHz - 10 MHz] and [1 GHz - 5 GHz]. To integrate these components within the PCBs sometimes soft and flexible, the piezoelectric behavior of composites is evaluated. The measurement of leakage current to perform a qualitative analysis of composite materials was also made.At the level of the study of buried capacitors in the circuit board, two test structures were carried out: one mounted in parallel and the other in serial. The study is produced in two ranges of capacitors. The study is conducted on two capacitors ranges. The first case, the relative permittivity does not depend on the frequency while in the second case the frequency dependence is taken into account. For this, an original method which allows to extract the permittivity εr(f) variation in high-frequency was developed. The method is mainly based on the use of measurement results of the relative permittivity of low-frequency capacitor, and the results of resonance frequency value obtained by 3D HFSS electromagnetic simulation. Finally, to improve the operating frequency of the buried capacitors, design rules allowing understand the influence of the vias and geometry of electrodes on the resonant frequency of the structures are studied.