Ferrite-based micro-inductors for Power Systems on Chip: from material elaboration to inductor optimisation
Micro-inductances à base de ferrite-pour Power Systems on Chip: de l'élaboration du matériel à l'optimisation de l'inducteur
Résumé
On-chip inductors are key passive elements for future power supplies on chip (PwrSoC), which are expected to be compact and show enhanced performance: high efficiency and high power density. The objective of this thesis work is to study the material and technology to realize small size (<4 mm²) and low profile (< 250 μm) ferrite-based on-chip inductor. This component is dedicated to low power conversion (≈ 1 W) and should provide high inductance density and high quality factor at medium frequency range (5-10 MHz). Fully sintered NiZn ferrites are selected as soft magnetic materials for the inductor core because of their high resistivity and moderate permeability stable in the frequencies range of interest. Two techniques are developed for the ferrite cores: screen printing of in-house made ferrite powder and cutting of commercial ferrite films, followed in each case by sintering and pick-and place assembling to form the rectangular toroid inductor. Test inductors were realized first so that the characterization could be carried out to study the magnetic properties of the ferrite core and the volumetric core losses. The core losses were fit from the measured curve with Steinmetz equation to obtain analytical expressions of losses versus frequency and induction. The second phase of the thesis is the design optimization for the on-chip ferrite based inductor, taking into account the expected losses. Genetic algorithm is employed to optimize the inductor design with the objective function as minimum losses and satisfying the specification on the inductance values under weak current-bias condition. Finite element method for magnetics FEMM is used as a tool to calculate inductance and losses. The second run of prototypes was done to validate the optimization method. In perspective, processes of thick-photoresist photolithography and electroplating are being developed to realize the completed thick copper windings surrounding ferrite cores.
Les composants passifs intégrés sont des éléments clés pour les futures alimentations sur puce, compactes et présentant des performances améliorées: haut rendement et forte densité de puissance. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier les matériaux et la technologie pour réaliser de bobines à base de ferrite, intégrées sur silicium, avec des faibles empreintes (<4 mm ²) et de faible épaisseur (<250 μm). Ces bobines, dédiées à la conversion de puissance (≈ 1 W) doivent présenter une forte inductance spécifique et un facteur de qualité élevé dans la gamme de fréquence visée (5-10 MHz). Des ferrites de NiZn ont été sélectionnées comme matériaux magnétiques pour le noyau des bobines en raison de leur forte résistivité et de leur perméabilité stable dans la gamme de fréquence visée. Deux techniques sont développées pour les noyaux de ferrite: la sérigraphie d’une poudre synthétisée au laboratoire et la découpe automatique de films de ferrite commerciaux, suivi dans chaque cas du frittage et le placement sur les conducteurs pour former une bobine rectangulaire. Des bobines tests ont été réalisées dans un premier temps afin que la caractérisation puisse être effectuée : les propriétés magnétiques du noyau de ferrite notamment les pertes volumiques dans le noyau sont ainsi extraites. L’équation de Steinmetz a permis de corréler les courbes de pertes mesurées avec des expressions analytiques en fonction de la fréquence et de l'induction. La deuxième phase de la thèse est l'optimisation de la conception de la micro-bobine à base de ferrite, en tenant compte des pertes attendues. L’algorithme générique est utilisé pour optimiser les dimensions de la bobine avec pour objectif ; la minimisation des pertes et l’obtention de la valeur d'inductance spécifique souhaitée, sous faible polarisation en courant. La méthode des éléments finis pour le magnétisme FEMM est utilisée pour modéliser le comportement électromagnétique du composant. La deuxième série de prototypes a été réalisée afin de valider la méthode d'optimisation. En perspective, les procédés de photolithographie de résine épaisse et le dépôt électrolytique sont en cours de développement pour réaliser les enroulements de cuivre épais autour des noyaux de ferrite optimisés et ainsi former le composant complet.