Une première solution de réalisation est inspirée de la fabrication des inductances discrètes. Les inductances réalisées en discret, utilisées pour le stockage d’énergie, sont des structures solénoïdales obtenues en enroulant un fil conducteur autour d’un noyau magnétique [53-55]. La même structure n’est pas aussi simple à réaliser en micro-électronique. En effet, l’enroulement d’un conducteur autour d’un matériau magnétique nécessite trois étapes de métallisation (2 pour le conducteur et 1 pour le noyau) et deux étapes de dépôt de résine isolante. Le procédé est alors complexe d’une part à cause de la difficulté d’alignement des deux couches de métal au niveau des contacts et d’autre part du fait des contraintes mécaniques existantes entre les différents matériaux empilés. Les différences de dilation des matériaux à haute température peuvent créer des défauts importants dans le composant. De plus, les vias entre les deux niveaux de conducteurs sont peu propices à la monté en fréquence. Finalement, la multiplicité des étapes technologiques réduit la fiabilité du composant et augmente son prix.
Le principal contributeur concernant cette topologie est Ahn [53] qui propose des structures avec noyau assurant de faibles flux de fuite. Le procédé de fabrication repose sur des techniques d’électrodéposition pour les conducteurs et le noyau de fer nickel (permalloy) Toutefois la forte chute de la valeur de l’inductance avec la fréquence rend l’utilisation ces composants dans des convertisseurs DC-DC peut intéressante au delà du MHz.
Une évolution à la structure solénoïde est présentée dans les travaux ultérieurs de Liakopoulos et Ahn [56]. Leurs recherches ont porté sur la mise en forme du noyau magnétique pour réduire les effets de peaux et stabiliser la perméabilité effective du noyau. A partir de la structure solénoïdale initiale [53], ils ont décliné deux structures, l’une avec un entrefer localisé (Figure 1.27.a) et l’autre présentant un noyau laminé en forme de spirale (Figure 1.27.b).
Figure 1.27. Illustration de micro inductances [56] a) Noyau avec entrefer localisé, b) Noyau en spirale
Les caractérisations électriques montrent que la valeur d’inductance (10 µH), des structures avec noyau mis en forme, est plus stable en fréquence qu’avec la structure de base. Ceci démontre le bénéfice de cette technique et notamment l’utilisation d’un noyau en spirale. Dans ce cas, l’entrefer est réparti le long de la spirale et stabilise en fréquence la perméabilité effective du composant. Dans le même temps, le noyau est laminé, réduisant de fait les effets de peaux à haute fréquence.
Une deuxième évolution a été développée au laboratoire au sein du groupe ISGE sur la base d’une bobine solénoïdale. Elle apporte quelques simplifications technologiques en supprimant l’étape intermédiaire de réalisation des vias entre les deux niveaux de conducteurs (Figure 1.28).
Figure 1.28. Structure inductive mixte développée au LAAS
La réalisation de cette structure est basée sur l’utilisation de circuits de croissance électrolytique séparés, un pour les conducteurs et un pour le noyau magnétique. Les parties conductrices et magnétiques d’un même niveau technologique sont réalisées successivement et ont, de fait, la même épaisseur, fixée par la résine épaisse de définition. Le deuxième niveau technologique, fermant les circuits électriques et magnétiques, est réalisé de la même manière [55, 57-59].
Les structures 3D présentées jusqu’ici sont parfaitement adaptées à des applications de stockage (inductance) et de transfert (transformateur) de l’énergie pour les convertisseurs de puissance, de par la section des conducteurs ainsi que du noyau magnétique qui assure la canalisation du flux. Néanmoins, elles souffrent d’un volume important pour des valeurs d’inductances autour du 1µH et ne peuvent être utilisées à des fréquences supérieures à 1MHz. Par conséquent, d’autres topologies d’inductance plus compactes doivent être étudiées permettant de travailler entre 1MHz et 10MHz avec une forte valeur d’inductance.
La deuxième catégorie d’inductances rencontrée dans la littérature présente une topologie planaire. Les inductances intégrées de ce type les plus abouties du point de vue technologique se rencontrent en radiofréquence pour, par exemple, réaliser des oscillateurs contrôlés en tension [60, 61] ou du filtrage [60]. La gamme des inductances en RF varie entre 0,1 nH et 100 nH. Les facteurs de qualité maximum sont de l’ordre de 60, pour les inductances sur membrane, et 10 [62, 63] pour les inductances classiques sur substrats silicium. Les valeurs d’inductances les plus faibles se retrouvent dans les applications les plus élevées en fréquence, devant présenter un minimum de couplage avec le substrat. Par exemple, les inductances réalisées par Biondi [62] en coopération avec ST Microelectronics sont de l’ordre de 0,3 à 0,6 nH avec des facteurs de qualité autour de 10 pour un fonctionnement dans la gamme des 10 GHz. Les composants sont réalisés avec des conducteurs de 6 à 20 µm d’épaisseur et espacés de 4 µm.
Toutefois, les structures inductives obtenues pour le domaine RF présentent des valeurs d’inductance trop faibles et des résistances séries trop élevées qui freinent leur emploi pour la conversion de l’énergie. Pour être compatible avec ce domaine, la structure et les méthodes de dimensionnement du composant inductif planaire doivent s’adapter. En particulier, la forme et les matériaux (conducteurs et magnétiques) des composants doivent être adaptés à l’intégration et aux hautes fréquences de fonctionnement. Un exemple d’une structure inductive planaire classique pour la puissance est donné par la figure 1.32. Les spires et le circuit magnétique sont réalisés en étapes séparées. Toutefois, jusqu’à aujourd’hui, le facteur de qualité est faible à cause des pertes dans le substrat et dans le noyau [64].
Figure 1.29. Vue éclatée du principe de base d’une micro bobine planaire intégrée [64].
Le principe d’inductance planaires remonte aux années 1970 avec les premières bobines avec matériaux magnétiques de Saleh [65, 66]. Depuis, les techniques de dépôts des matériaux conducteurs n’ont pas changé et consistent en une étape d’évaporation d’une couche d’accroche suivie d’un dépôt électrolytique de cuivre. La bobine, occupe une surface de 0,25 cm2 (Figure 1.30.a), et présente une forme carrée avec un noyau magnétique réparti sur chaque enroulement (Figure 1.30.b). Les conducteurs de 50 µm de large, ont été réalisés par croissance électrolytique de 25 µm de cuivre et sont espacés de 25µm les uns des autres. La valeur d’inductance est de 4,5 µH pour un facteur de qualité maximum de 65 à 15 MHz. Ce facteur de qualité est obtenu d’une part grâce à une réalisation de la structure sur un substrat de verre, ce qui annule toute perte dans le substrat, et d’autre part grâce à la présence d’un matériau magnétique avec un entrefer qui accroit la valeur d’inductance de la bobine à air de base.
a) b)
Figure 1.30. Micro inductance réalisée par Saleh [65, 66] a) Vue de dessus – dimensions générales, b) Vue en coupe d’un conducteur
Toutefois, la bobine n’est pas entièrement recouverte de matériau magnétique, et dans un contexte de convertisseur statique intégré, les émissions électromagnétiques que peuvent générer la bobine, vont perturber la commutation des transistors de puissance. Dans ces travaux, l’emploi du permalloy permet de canaliser le flux et d’augmenter l’inductance apparente du composant. Les conducteurs sont en cuivre et ont une section rectangulaire pour limiter les effets de peaux à hautes fréquences.
Le même type d’intégration se retrouve dans les travaux de Brandon [67]. Ce dernier a réalisé des inductances intégrées sur silicium. Les conducteurs (Figure 1.31.a), formant la bobine, sont larges de 62,5 µm, épais de 11,4µm et espacés de 7,5µm. Une inductance de 3,2 µH est obtenue avec un facteur de qualité de 1,3 à 1 MHz. La résistance série est de 5,9 Ohm.
a) b) Figure 1.31. Images MEB d’une micro inductance intégrée [76]
a) Vue en coupe des conducteurs et couches magnétiques, b) Vue de dessus du dépôt magnétique mis en forme.
Le noyau magnétique, de 5 µm d’épaisseur, a été mis en forme (Figure 1.31.b) pour limiter les pertes par courants induits. Les caractérisations électriques ont montrées que la valeur d’inductance chute fortement avec la fréquence. Ceci dénote des pertes existantes dans le noyau. Ce dernier sature très rapidement (50% de la valeur de l’inductance a chuté à 100 mA et 1 MHz). Cet exemple montre qu’il reste encore des efforts à faire sur les matériaux magnétiques tant sur leur résistivité pour réduire les courants induits, que sur le champ de saturation ainsi que sur leur mise en forme.
Ahn et Allen [68] ont proposé une structure planaire sur deux niveaux avec encapsulation magnétique (Figure 1.32). Le bobinage est réalisé avec des conducteurs en cuivre électro-déposés de 12,5µm de large et espacés de 12,5µm. La bobine atteint une valeur de 24 µH à 10 kHz pour chuter à 10 µH à 1MHz. Le facteur de qualité est d’environ 0,25 à 1 MHz avec une résistance série de 300 Ohms. La forte valeur d’inductance est essentiellement due à la présence d’un noyau magnétique de permalloy et des conducteurs plus étroits qu’à l’accoutumée. La résistance est bien trop élevée pour pouvoir utiliser cette inductance dans un convertisseur DC-DC.
Figure 1.32. Structure inductive planaire proposée par Ahn et Allen [68].
Une structure planaire dérivée, à double enroulement (Figure 1.33.a & Figure 1.33.b), est également utilisée par Kim [69] puis Sato [70]. Dans le premier cas, l’inductance atteint 1,6 µH jusqu’à 5 MHz avec un facteur de qualité maximum de 2,3 à 2 MHz (Figure 1.34.b). La résistance série est de 2 Ohms et croît rapidement avec la fréquence à partir de 2 MHz. Le composant est encapsulé entre deux films de Ti/FeTaN. Ce matériau présente une perméabilité constante jusqu’à 100 MHz et apparaît donc bien plus performant que le permalloy utilisé jusqu’à présent.
La caractérisation électrique a montré que ce composant est adapté à la conversion d’énergie dans des convertisseurs fonctionnant jusqu’à 1 MHz.
a) b) Figure 1.33. Structure spiralée planaire étudiée par Kim [69].
a) Vue de dessus, b) Caractérisations électriques.
L’équipe de Sato a également proposé une bobine à double enroulement mais avec quelques améliorations (Figure 1.34). L’augmentation de la résistance avec la fréquence est réduite en introduisant des conducteurs divisés. Ce sont des lignes de 4 fois 35 µm de large, épais de 50 µm et espacés de 50 µm. Parallèlement, le noyau magnétique, de FeCoBC est composé de 4 couches de 1,5 µm d’épaisseur, isolées les unes des autres pour limiter les effets de peaux.
Figure 1.34. Micro inductance à double enroulement utilisée par l’équipe de Sato [70].
Sato obtient une inductance de 0,3 µH constante jusqu’à 10 MHz avec un facteur de qualité maximum de 8 à 2 MHz. Cette inductance intégrée sur silicium montre des performances supérieures à toutes les structures vues à ce jour en termes de facteur de qualité.
L’intégration des inductances évolue vers des composants plus adaptés à la réalisation de convertisseurs intégrés. D’une part, leurs facteurs de qualité commencent à dépasser l’unité, principalement grâce à une recherche de diminution des pertes liées à l’augmentation de la fréquence. D’autre part, la valeur d’inductance tend à être suffisamment élevée, dans une surface réduite, pour limiter l’encombrement des condensateurs de filtrage. Une nette tendance est observable vers l’emploi de matériaux magnétiques autres que le permalloy. Les compositions s’inspirent de celles employées en hyperfréquence. Ils permettent de répondre à la demande de fréquence de commutation grandissante et sont étudiés pour offrir une induction à saturation plus haute.