Composants passifs sur silicium pour la conversion dénergie.
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Composants passifs sur silicium
pour la conversion d’énergie
Micro-convertisseurs DC-DC
Intégration L, C composants actifs (pertes, temps de commutation)f
Evolution des tailles des convertisseurs et des fréquences de découpage
0
5
10
15
20
25
30
1986 1990 1994 2000Années
Volume, inch^3
0
200
400
600
800
1000
1200
Frequence, kHz
Volume, inch^3
Frequency, kHz
Quels sont les verrous limitatifs à l’intégration ?
Conception
Condensateurs Microbobines
Problématique d’ intégration sur silicium d’éléments passifs
Matériaux diélectriques (Collaboration TMN)
Matériaux magnétiques
Filières technologiques
Matériaux
Eléments capacitifs MIM à forte densité intégrés sur silicium
pour la conversion de l’énergie
Contexte du projet
• Electronique portable et alimentation microsystèmes• Miniaturisation - Puissances à gérer de plus en plus importantes• Problématique des passifs:
– 50 – 60% de la place sur les cartes
• Pour les convertisseurs DC-DC: stockage, filtrage ou découplage– Intégration des passifs sur silicium grâce à montée en fréquence
Spécifications
Valeurs
Vout 3 - 5 V
Iout 0,5 – 1 A
Fréquence > 10 MHz
Rendement > 90%
Composants CMS
Convertisseur PWM DC-DC
On Semiconductor
step-down [NCP1508]
3mm x 3mm
• Intégration de condensateurs haute densité sur silicium• Technologie:
– Surface minimale sur substrat Si– Compatibilité process
• Capacité surfacique: – Electrodes: structuration du Silicium – Matériau high–k - Dépôt par MOCVD
• Faibles pertes: – Matériau électrodes (σ)– Matériau diélectrique (tanδ)
Objectifs
Propriété Valeurs
Capacité spécifique> 500 nF/mm2
Tenue en tension 15 - 20 V
Fréquence de résonance
> 50 MHz
Resistance série < 100 mΩ
Inductance série À voir
0
5
10
15
20
25
0 20 40 60 80 100 120
L/w
Facteur de forme (h/w)
w = 2 µm
w = 4 µm
w = 8 µm
Etudes préliminaires – 2005/2006A – Etude de gravure DRIE
• Etude de la vitesse de gravure en fonction des motifs du masque (carrés, rectangles) et de leurs tailles
wh
Carrés Rectangles
• Conclusions: – Améliorer le facteur de forme– Aller vers des tailles de structures plus petites (< 2µm)
Carrés Bandes
Largeur (w)
Longueur (L)
2 µm
2 µm
8 µm
8 µm
2 µm
200 µm
8 µm
800 µm
Profondeur (h) max 45 µm 75 µm 68,5 91,3
Facteur de forme max 16 8 22 9,7
Perte latérale (Δw) 0,8 µm 1,8 µm 0,8 µm 1,6 µm
Etudes préliminaires – 2005/2006A – Etude de gravure DRIE
Etudes préliminaires –2005/2006B – Dépôt diélectrique en tranchées
w
h
polySi3N4polySi
Si3N4
SiO2
Écart
Condensateurs
SiO2 / Si3N4
MEB
TEM (CEMES)AFM - SCM
Etudes préliminaires – 2005/2006C – Fabrication des composants
• Diélectrique : SiO2 / Si3N4
port1
masse
masse
X
175 µm
100 µm
X = 1, 2 ou 3 mm
A’A
port1
masse
masse
X
175 µm
100 µm
X = 1, 2 ou 3 mm
A’A
X
175 µm
100 µm
X = 1, 2 ou 3 mm
A’A
Si- n+
Au
Tranchées remplies avec du polysilicium dopé bore
Etudes préliminaires – 2005/2006D – Caractérisation électrique des
composants • Mesures d’impédance:
Nom Largeurw (µm)
Intersticei (µm)
Profondeur (µm)
Capacitance (nF/mm²)
Résistance série à 1 MHz (Ω)
Inductance série (pH)
C4-6 4 6 82 29 1 94
C6-6 6 6 95 32 0.65 98
C6-4 6 4 94.5 46 0.8 125
1k 10k 100k 1M 10M 100M100m
1
10
100
1k
Z(
)FREQUENCE (Hz)
C46 C66 C64
Etudes en cours
• Dépôt de diélectrique high-k par MOCVD dans tranchées: – Projet ANR « CAMINO »: début octobre
2006• Partenaire universitaire (Laboratoire d’Etudes
des Matériaux Hors Equilibre - Orsay)
Micro-bobines à noyau magnétique feuilleté
Structure spirale en cuivreNoyau magnétique NiFe feuilleté
L ~ 1 µHCourant pic ~ 1 A
Fréquence ~ 1MHz
Vue de dessus de la partie inférieure circuit magnétique
Vue de dessus du circuit magnétique + Cu
Micro-bobines à noyau magnétique feuilleté
Noyau magnétique CoNiFe feuilleté
Micro-bobines à noyau magnétique feuilleté
Resistance variation towards number of wires
0
1
2
3
4
5
6
0 1 2 3 4 5 6Number of interleaved conductors
Résistance value (Ohm)
R simulated (Ohm)
R measured (Ohm)
Inductance variation towards number of wires
60
80
100
120
140
160
180
0 1 2 3 4 5 6Number of interleaved conductors
L simulated (nH)
L measured (nH)
5 conducteursrs en parallèle :• diminution de R de 85% • diminution de L de 60%
Micro bobines multi brins
Nano imprint