Ce travail de thèse concerne la miniaturisation et l'intégration de composants magnétiques comme les inductances utilisées dans les convertisseurs DC-DC et les circuits haute fréquence. Cette thèse a pour objectifs : - de développer une méthodologie d'étude des inductances à couches magnétiques - de montrer la faisabilité de tels composants utilisant des couches épaisses de ferrite (50 à 500µm). Le contenu de notre document s'articule ainsi autour de trois axes : la simulation, la réalisation et la caractérisation. En simulation, le logiciel HFSS, nous a permis de concevoir, de prédire le comportement du composant et d'étudier l'influence des différents entrefers et épaisseurs du matériau magnétique. La réalisation fait appel aux différentes et nombreuses étapes micro technologiques qui sont décrites en détail. Ces étapes concernent les techniques de dépôt sous vide, les procédés de photolithographie, les techniques de dépôt électrolytique, les techniques de sciage et de collage. Enfin, la caractérisation des inductances réalisées a été effectuée en basses, moyennes et hautes fréquences respectivement au LCR mètre (20Hz à 1MHz), à l'impédance mètre (40Hz à 110MHz) et à l'analyseur vectoriel de réseaux (10MHz à 67GHz)

Les composants magnétiques planaires (inductance et transformateur) occupent une place importante dans certains circuits intégrés utilisés en haute fréquence. Leur miniaturisation et leur intégration vont de pair avec celles des circuits électroniques qui évoluent constamment surtout pour les appareils portables. Quelques travaux scientifiques ont permis d’identifier les différents mécanismes à l’origine de pertes dans les composants magnétiques planaires, afin de les limiter. Les pertes dans les enroulements sont classiquement prises en compte par une résistance r(f) fonction de la fréquence. La détermination, à partir des paramètres S obtenus par mesure ou simulation, de la résistance r(f) constitue à ce jour un sujet d’étude à part entière, les paramètres S étant les seuls paramètres que l’on peut obtenir au-delà de la centaine de MHz. Pour contribuer à la résolution de ce problème, nous avons proposé une méthode prenant en compte toutes les pertes dans le bobinage. Cette méthode de détermination de la résistance en fonction de la fréquence se fait dans trois domaines de fréquence : - en très basse fréquence, la rDC est obtenue par calcul ou mesurée à l’aide d’un matériel basse fréquence, - aux "moyennes fréquences" lorsque les impédances R et Lω ne sont pas trop différentes, les phénomènes capacitifs pouvant être négligés, - aux résonances en très haute fréquence. L’application de cette méthode sur trois structures différentes (inductance à air de plusieurs spires, à air à une spire en oméga et à une couche de matériau magnétique) a permis de : - observer une bonne corrélation entre simulation et mesure, -valider l’évolution des pertes en fonction de la fréquence, -séparer les effets de peau et de proximité, -séparer les pertes fer et les pertes cuivre pour une inductance à couche magnétique / Planar magnetic components (transformer and inductor) have become a big part in some integrated circuits used in high frequency. Miniaturization and integration of magnetic components go hand in hand with the ones of electronics that constantly evolves especially for portable devices. A few scientific studies have identified the different mechanisms of losses in planar magnetic components. Winding losses are generally taken into account using a resistance r(f) versus frequency.The use of scattering parameters S to determine resistance r(f) represents a comprehensive research project ; S parameters that can be obtained either by measurement or by simulation, are the only parameters which one can get at high frequencies (above 100MHz). To solve this problem, we have proposed a method taking into account all winding losses. Our approach for determining r(f) has to be applied in 3 frequency domains: - at very low frequency, r(f) = rDC and its value is either calculated or measured using low frequency equipment, - in the middle frequency range, capacitive coupling can be neglected while impedances R and Lω are in the same order of magnitude, - at very high resonance frequencies.This method has been implemented for 3 different structures (coreless inductor with several turns of coil, Omega shape coreless inductor with one turn and inductor with a magnetic layer) leads to : - observe a good correlation between simulation and measurement, - validate the evolution of losses versus frequency, - separate skin effects and proximity effects, - separate iron losses and winding losses

Cette thèse s’inscrit dans le contexte d’alimentation des systèmes électroniques portables à faible puissance (1W environ) et fonctionnant sous faible tension. Avec la demande croissante pour la conversion d’énergie dans ces systèmes, l’intégration et la miniaturisation du convertisseur DC-DC devient une zone d’intérêt fort. Des recherches récentes ont montré des convertisseurs avec des fréquences de commutation pouvant atteindre 100 MHz. Pour de faibles niveaux de tension (1 V) et des puissances aux environs du Watt, les valeurs d’inductance de lissage de ces convertisseurs envisagées sont de l’ordre d’une centaine de nanoHenry. Ceci relance l’intérêt d’étudier l’intégration des composants passifs de dimensions millimétriques au sein d’un même boîtier avec les parties actives. Dans ce contexte, les travaux présentés dans ce manuscrit sont abordés par la conception d’inductances planaires en forme de spirale avec un noyau magnétique. Les simulations ont permis d’analyser les liens entre les paramètres géométriques et les paramètres électriques de l’inductance pour établir une structure d’inductance optimale en fonction de la limite de la technologie de réalisation. Une inductance planaire prise en sandwich entre deux couches de matériau magnétique est proposée. Les simulations ont montré l’intérêt de réaliser un tel composant. Sa structure présente plusieurs avantages, elle permet d’augmenter considérablement la valeur d’inductance tout en gardant le même encombrement par rapport à une inductance sans noyau magnétique. Elle permet également de réduire les perturbations électromagnétiques avec les composants environnants. Un procédé technologique de réalisation des inductances, basé sur la croissance électrolytique de cuivre à température ambiante, a été développé et optimisé pour valider les modélisations précédentes. Ce procédé est reproductible et permet une fabrication collective de composants. Un banc de caractérisation impédance métrique a également été conçu afin de déterminer les limites du fonctionnement fréquentiel des composants réalisés et de valider les performances de ces derniers. Ce travail propose une solution pour la réalisation de la puce active sur l’inductance dans le cadre d’un SOC (System-On-Chip). Il souligne par ailleurs l’importance de l’intégration pour l’électronique de faible puissance / The work in this thesis contributes to the domain of low power (1W approximately) portable electronic systems. These systems require integrated and miniaturized of DC-DC converters. Recent studies have demonstrated converters with high switching frequency as high as 100 MHz, requiring smaller passive components. For low voltage values (1V approximately) and 1 watt output power, the inductance value of these converter filters is about a hundred nanoHenry. Such inductors can be integrated on a millimetric scale in the same package as the active die. In this context, the work presented in this thesis starts with the design of planar spiral inductors with a magnetic core. Simulations allowed to analyze the relation between geometrical and electrical parameters of the inductor in order to design an optimal inductor. A planar inductor sandwiched between two layers of magnetic material is proposed. Simulations showed the advantages of fabricating of such component. Its structure allows to increase the inductance value without modifying the inductor’s surface compared to a coreless inductor. It also allows to reduce the electromagnetic interferences with the rest of the circuit. A technological process for the fabrication of the inductors has been developed and optimized in order to valid the previous design. This process is based on copper electroplating technique which is compatible with a repeatable and a mass fabrication of inductors. A characterization bench was also developed in order to determine the operating frequency limits of the fabricated components as well as to validate their performance. This work offers a solution for the realization of the active chip on the inductor (SOC, System- On-Chip). It also emphasizes the importance of the integration for low power electronics

Ce travail de thèse concerne la miniaturisation et l’intégration de composants magnétiques comme les inductances utilisées dans les convertisseurs DC-DC et les circuits haute fréquence. Cette thèse a pour objectifs : - de développer une méthodologie d’étude des inductances à couches magnétiques - de montrer la faisabilité de tels composants utilisant des couches épaisses de ferrite (50 à 500µm). Le contenu de notre document s’articule ainsi autour de trois axes : la simulation, la réalisation et la caractérisation. En simulation, le logiciel HFSS, nous a permis de concevoir, de prédire le comportement du composant et d'étudier l’influence des différents entrefers et épaisseurs du matériau magnétique. La réalisation fait appel aux différentes et nombreuses étapes micro technologiques qui sont décrites en détail. Ces étapes concernent les techniques de dépôt sous vide, les procédés de photolithographie, les techniques de dépôt électrolytique, les techniques de sciage et de collage. Enfin, la caractérisation des inductances réalisées a été effectuée en basses, moyennes et hautes fréquences respectivement au LCR mètre (20Hz à 1MHz), à l’impédance mètre (40Hz à 110MHz) et à l’analyseur vectoriel de réseaux (10MHz à 67GHz) / This thesis concerns the miniaturization and integration of magnetic components such as inductors used in DC-DC converters and high frequency circuits. This thesis aims to: - to develop a methodology for the study of magnetic layers inductors; - to show the feasibility of such components using thick layers of ferrite (50 to 500µm). The content of our document is structured around three axes: simulation, realization and characterization. In simulation, HFSS software allowed us to design, predict the behavior of the component and to study the influence of different air gaps and layers of magnetic material. The realization involves numerous and different micro technology steps which are described in detail. These steps are technical of vacuum deposition, photolithography processes, electroplating deposition techniques, techniques of sawing and sticking. Finally, the characterization of inductors achieved was done in low, medium and high frequencies respectively with a LCR meter (20Hz to 1MHz), an impedance meter (40Hz to 110MHz) and a vector network analyzer (10MHz to 67GHz)