Etude et mise au point de ferrites de structure grenat à basse température de frittage pour intégration dans les circulateurs hyperfréquences

Study and optimization of low sintering temperature ferrimagnetic garnets for integration in microwave circulators

• Auteur / Autrice : Lilia Qassym
• Direction : Dorothée Colson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/12/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne) - Thales Research and Technology (Palaiseau, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Quéffélec
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dorothée Colson, Patrick Quéffélec, Thierry Monédière, Jean-Jacques Rousseau, Agnès Barthélémy, Richard Lebourgeois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Monédière, Jean-Jacques Rousseau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Grenats

Dispositifs à micro-ondes

Ferrites (matériaux magnétiques)

Mots clés libres

Ferrite

Circulateur

Grenat d'yttrium fer

Ltcc

Ferrite

Circulator

Yttrium iron garnet

Low Temperature Cofired Ceramic

Résumé

Les systèmes embarqués dans les aéronefs comme dans les véhicules spatiaux doivent impérativement se conformer aux impératifs de masse et de volume mais aussi de coût. Les modules actifs pour antenne à balayage électronique constituent, dans ce cadre, un enjeu stratégique majeur en termes de masse, de volume et de fiabilité. Dans une antenne à balayage électronique actuelle, on peut trouver jusqu’à 1000 modules, chacun étant équipé d’un circulateur-isolateur afin de garantir ses performances. La technologie des circulateurs et des isolateurs à ferrite reste la plus performante en termes d’isolation et de pertes d’insertion. Elle est de plus totalement passive et ne demande aucune énergie extérieure pour son fonctionnement. Elle reste néanmoins coûteuse car la fabrication industrielle de ces dispositifs consiste à assembler mécaniquement de nombreuses pièces usinées précisément : céramiques magnétiques et diélectriques, aimants, conducteurs en cuivre et pièces en métal magnétique doux. De plus, le niveau d’intégration recherché nécessite de réduire les dimensions sans augmenter les pertes pour des niveaux de puissance qui peuvent être importants. S’inspirant des composants céramiques multicouches (condensateurs et inductances) ainsi que de la technologie LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics), une nouvelle voie de fabrication de ces composants, en rupture avec les technologies d’assemblage traditionnelles, est abordée dans ces travaux de thèse. L’idée consiste à réaliser par cofrittage le cœur du composant qui est le plus délicat à ajuster et qui détermine le volume final. Les ferrites qui constituent actuellement le cœur des circulateurs sont principalement des grenats ferrimagnétiques fabriqués par des techniques céramiques classiques et frittés à haute température (> 1400°C). Pour les rendre compatibles de la technologie LTCC, il est nécessaire de diminuer leur température de frittage. Les températures visées doivent être inférieures à 1000°C pour pouvoir cofritter avec des parties métalliques en or et si possible être proches de 900°C pour espérer cofritter avec de l’argent. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de thèse était de mettre au point des grenats ferrimagnétiques pour des applications en hyperfréquences présentant des températures de frittage proche de 900°C. Ces ferrites ont alors été utilisés pour la réalisation de circulateurs hyperfréquences, composants indispensables dans les systèmes de Radars et de télécommunications. De plus, des études d’optimisation des propriétés magnétiques et diélectriques de ces ferrites ont aussi été réalisées pour adapter le ferrite aux conditions de fonctionnement (gamme de fréquence et niveau de puissance).

Embedded systems in aircraft must comply with the requirements of mass, volume and cost. The active modules of electronic scanning antenna are, in this context, a strategic challenge in terms of mass, volume and reliability. Today, there are up to 1000 modules per antenna, each one containing a circulator-isolator in order to guarantee its performances. The technology of ferrite circulators and isolators remains the most efficient in terms of isolation and insertion losses. It is also fully passive as no external energy is required to work. However this technology is expensive due to complex mechanical assembling of the different materials: magnetic and dielectric ceramics, magnets, conductors made of copper and soft metallic material. The integration of such devices also requires the reduction of dimensions without increasing losses for power levels that can be high. Based on by multilayer ceramic components (capacitors and inductors) as well as Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) technology, a new way of manufacturing these components, is investigated in this PhD work.. The idea is to be able to cofire the heart of the component which is the most difficult to adjust and also determines the final volume. The ferrites which currently constitute the core of the circulators are ferrimagnetic garnets synthetized by using a conventional ceramic process and sintered at high temperature (> 1400°C). To make them compatible with LTCC technology, it is essential to reduce their sintering temperature. The targeted temperatures must be less than 1000°C in order to cofire with gold metal parts and, if possible, close to 900°C for circulators with silver. In this context, the objective of this PhD work was to develop a ferrimagnetic garnet for microwave applications with sintering temperatures close to 900°C. This ferrite was then used for the preparation of microwave circulators which are essential components in radar and telecommunications systems. In addition, studies of optimization of the magnetic and dielectric properties have also been carried out to meet the operating requirements (frequency band and power level).