Etude du ferrite NiZnCu nanostructuré produit par SPS : des propriétés physiques à la réalisation de composants monolithiques intégrés

par Karim Zehani

Thèse de doctorat en Électronique Électrotechnique Automatique

Sous la direction de Frédéric Mazaleyrat.

Le jury était composé de Eric Labouré, Richard Lebourgeois, Patrick Quéffélec, Vincent Loyau.

Les rapporteurs étaient Lotfi Bessais, Thierry Lebey.


  • Résumé

    Le travail présenté dans cette thèse s’inscrit dans la thématique « intégration de puissance ». Il porte sur l’étude des propriétés du matériau ferrite NiZnCu nanostructuré produit par SPS (frittage simple et réactif) et la réalisation de composants électromagnétiques monolithiques intégrés et leurs caractéristiques électriques. Les objectifs fixés au début de la thèse ont été atteints. Nous avons montré que des ferrites nanostructurés ayant des bonnes propriétés peuvent être obtenues par SPS. Pour un frittage simple, les principales caractéristiques structurales, diélectriques et magnétiques ont été déterminées pour différentes températures et temps de densification. Ces échantillons frittés montrent qu’après une décarburation et des valeurs élevées de résistivité électrique, des faibles valeurs de la permittivité diélectrique, et des valeurs élevées de permabilité magnétique initiale et du facteur de mérite peuvent être obtenues et controlées par le temps et la température de frittage. La synthèse in-situ par SPS montrent aussi des propriétés similaires à celles obtenues par frittage simple. Nous avons aussi montré, pour des oxydes de départ de taille nanométrique, que les conditions de broyage et la synthèse in-situ par SPS permettent de concevoir des ferrites ayant des propriétès intéressantes avec des pertes constantes jusqu’à 3 MHz à 15 mT et jusqu’à une température voisine à 60 °C. Les derniers obectifs ont été aussi atteints, l’ensemble des cofrittages du ferrites avec des matériaux conducteurs et diélectriques montrent qu’il est possible de réaliser des composants électromagnétiques monolithiques intégrés. Ces cofrittages montrent que le ferrite est compatible avec le cuivre, le titanate de barrium et des bandes coulées de diélectriques. Des composants inductifs et des transformateurs intégrés ont été réalisées. Les caractéristiques fréquentielles des composants inductifs montrent que l’insertion du diélectrique augmente les performances du composant en reduisant les pertes et l’impact des courants de polarisation. Pour les transformateurs réalisés avec diélectriques les résultats n’ont pas été satisfaisants. Seul un transformateur sans matériau diélectrique a pu être réalisé et testé et comme attendu, le coefficient de couplage entre le primaire et secondaire s’est avéré faible.

  • Titre traduit

    Study of nanostructured NiCuZn ferrite produced by SPS : physical properties and fabrication of monolithic integrated components


  • Résumé

    The work presented in this thesis is part of the theme «power integration». It covers the study of the nanostructured NiZnCu ferrite material sintered by SPS (simple and reactive sintering) and the realization of monolithic integrated components.The objectives set for the thesis have been achieved. We have shown that nanostructured ferrites with good properties can be obtained by SPS. For a simple sintering, the principal structural, dielectric and magnetic characteristics were determined for different temperatures and densification duration. These sintered samples after decarburization exhibit high electrical resistivity, low dielectric permittivity, high initial magnetic permeability and merit factor.These characteristics can be controlled by sintering time and temperature. The in-situ synthesis by SPS also shows similar properties than those obtained by simple sintering. We have also shown that the starting from oxides of nanometric size, the milling conditions and the in-situ synthesis by SPS can lead to design ferrites with interesting properties with constant losses up to 3 MHz, at 15 mT and up to a temperature of 60 °C.Other the last objectives were also achieved. The co-sintering of ferrites with conductives and dielectric materials show that is possible to produce monolithic integrated electromagnetic components. These experiments show that the co-sintering ferrite is compatible with copper, barrium titanate and dielectric green tape. Inductive components and transformers were designed and fabricated. The frequency characteristics of inductive components show that the insertion of a dielectric increases the performance of components. Indeed, with dielectric, losses are lower and there is less variation in series resistance and inductance with bias current. For transformers with a dielectric layer, the results aren't satisfactory because the dielectric between the primary and secondary melts, during the fabrication creating a short-circuit. The low values of the coupling coefficient and efficiency of the transformer fabricated without a dielectric were predictable because of the large leakage inductance associated with the presence of a magnetic layer between the two windings of the transformer.


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