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HAL Id: tel-01971472 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01971472 Submitted on 7 Jan 2019 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Etude des pertes dans les enroulements des composants passifs planaires Awat Atteïb Abderahim To cite this version: Awat Atteïb Abderahim. Etude des pertes dans les enroulements des composants passifs planaires. Electromagnétisme. Université de Lyon, 2016. Français. NNT : 2016LYSES056. tel-01971472 THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE LYON Opéré par L’UNIVERSITÉ JEAN MONNET DE SAINT- ÉTIENNE Discipline : Optique Photonique Hyperfréquence Présentée et soutenue publiquement le 14 Novembre 2016 Par ABDERAHIM Awat Atteïb Etude des pertes dans les enroulements des composants passifs planaires Directeur de thèse : Jean Jacques ROUSSEAU Co-directeur : Jean Pierre CHATELON Composition du Jury : Président : Bruno SAUVIAC Professeur LabHC Université Jean Monnet, Saint-Etienne Rapporteurs : Marie-Ange RAULET Maitre de Conférences HDR Laboratoire Ampère UCB Lyon Erick LABOURE Professeur Laboratoire GeePs CentralSupélec ORSAY Université Paris 11- Sud Examinateurs : Gaël PILLONNET Ingénieur de Recherche HDR CEA-Leti Jean Jacques ROUSSEAU Professeur LabHC Université Jean Monnet, Saint-Etienne Jean Pierre CHATELON Maitre de Conférence HDR LabHC Université Jean Monnet, Saint-Etienne Laboratoire Hubert Curien, UMR . CNRS . 5516 . SAINT-ÉTIENNE DEDICACES ET REMERCIEMENTS Abderahim Awat U.J.M de Saint-Etienne DEDICACES Je dédie ce travail à : - mon défunt père Awat Atteib ; - ma mère Kaltouma Brahim ; - mon épouse Noura Abdoulaye ; - ma sœur Fatimé Awat et ses filles ; - ma sœur Zara Awat et ses enfants ; - ma sœur Maïmouna Awat ; - mon frère Ahmat Awat et ses enfants ; - ma sœur Madina Awat et ses enfants ; - mon frère Mahamat Awat et ses enfants ; - mon frère Atteïb Awat et ses enfants ; - ma sœur Zenaba Awat et ses enfants ; - mon grand frère Kebzabo Saleh et sa famille ; - mon frère Outman Mahamat Hassan et sa famille ; - mes 8.9 fils ; - mon défunt ami Mahamat Annil. DEDICACES ET REMERCIEMENTS Abderahim Awat U.J.M de Saint-Etienne REMERCIEMENTS Je remercie avant tout Dieu le tout puissant qui m’a donné la force et le courage d’arriver au terme de ce travail qui a été accompli au laboratoire Hubert Curien de l’université Jean MONNET de Saint-Etienne, sous la direction du Professeur Jean Jacques ROUSSEAU et le maître de conférences Jean Pierre CHATELON. Tout d’abord, j’adresse mes remerciements à mon Directeur de thèse le professeur Jean Jacques ROUSSEAU d’avoir accepté m’encadrer en me proposant ce sujet de recherche. Qu’il reçoive ici mes gratitudes pour ses mérites scientifiques, ses qualités pédagogiques, sa vitalité et sa disponibilité qui m’ont permis d’achever cette étude dans une convivialité sans égale. Mes reconnaissances vont aussi à l’endroit de mon co-directeur, le maître de conférences Jean Pierre CHATELON pour ses contributions qui ont été d’une grande importance sur la qualité de ce travail. Je tiens à remercier le président du jury, les rapporteurs et tous les membres du jury d’avoir accepté de juger ce travail. Mes chaleureux remerciements s’adressent à l’ASG, au DASE et à l’équipe du TMG pour leurs soutiens financier et moral, plus particulièrement André MESTEERS, Daniel FOUQUET et Olivier FLAMANT. J’exprime mes profonds remerciements à Stéphane CAPRARO, Bernard BAYARD, François ROYER, Mme Irène PHENG, Damien JAMON et Mme Marie-Francoise BLANC- MIGNON pour leurs contributions et collaborations techniques. Je n’oublie pas les docteurs, doctorants, stagiaires et secrétaire avec qui j'ai eu à travailler au sein de l’’équipe composants passifs pendant les trois années. Il s’agit de Y.Dagl, Khamis Y.K, Mahamat.H.B, Amir M.A, F. Gambo, Faouzi K, Badreddine O, Billal, Zana K, Nicole D, Lamai N, Aht Idriss G, Koularambaye, Zaki S, Danoumbé B, Taha M, Ouzer N, Arafat O, Mahamout B, Boukhari M, Djido A, Basma, Asma et Nathalie P. Mes vifs et sincères remerciements s’adressent au personnel du rectorat de l’Université de N’djamena à leur tête le Dr Ali Abderaman Haggar, à celui de la FSEA plus particulièrement Dr Tchadanay New Mahamat, Dr Adoum Issac, Dr Mahamat Ahmat, Dr Nadjitonon, Kaltouma, Habib Abdelaziz. Mes remerciements particuliers à DABOULAYE Djimoudjebaye, Dr Ahmat Charfadine, Dr Malloum Soultan, Pr Mahamoud Youssouf Khayal, Dr Abakar Mht Tahir et Zakaria Bakhit. DEDICACES ET REMERCIEMENTS Abderahim Awat U.J.M de Saint-Etienne Je remercie chaleureusement ma mère, mon épouse, mes frères, mes sœurs et mes amis : Mahamat Khalil bouroudou, Oumar Ahmat Djarma, Ahmat IbédAllah, Yaya Abdelfakhara, Ahmat Hassan Mouftah, Adoum Sabo, Abdassamad Aoudjali, Mahamat Bahar Guichmit, Mahamt Abdoulaye Djido, Mahamat Amine Tadjadine, Oulech Moustapha, Mahamat Youssouf Chara, Mahamat Hassan Abdelaziz, Tidjani Hissein, Issa Hissein, Ahmat Attor, Arbi Tahir, Soumaïn, Oumar Abdoulaye Saleh, Ahmat Djouroun, Hissein Karar, et Koursi pour leur soutien moral. SOMMAIRE GENERAL Abderahim Awat U.J.M de Saint-Etienne SOMMAIRE GENERAL INTRODUCTION GENERALE .............................................................................. 1 CHAPITRE I : LES COMPOSANTS MAGNETIQUES PLANAIRES .................................................................................................................................................... 8 I. GENERALITES SUR LES INDUCTANCES ET LES TRANSFORMATEURS ...... 8 I.1. Inductance .................................................................................................................. 8 I.1.1. Définition .............................................................................................................. 8 I.1.2. Principales caractéristiques ................................................................................... 9 I.1.3. Inductances classiques .......................................................................................... 9 I.1.4. Inductances planaires .......................................................................................... 10 I.2. Transformateur ........................................................................................................ 11 I.2.1. Définition ............................................................................................................ 11 I.2.2. Transformateur planaire ...................................................................................... 12 II. CONSTITUTION DES COMPOSANTS MAGNETIQUES PLANAIRES ............ 12 II.1. Matériaux ................................................................................................................ 12 II.1.1. Matériaux Conducteurs ...................................................................................... 12 II.1.1.1. Pertes dans les conducteurs ........................................................................ 13 II.1.2. Matériaux diélectriques ou Isolants ................................................................... 13 II.1.3. Matériaux magnétiques ...................................................................................... 13 II.1.3.1. Intérêts des matériaux magnétiques ............................................................ 13 II.1.3.2. Pertes ferromagnétiques ............................................................................. 13 II.2. Empilement des couches ........................................................................................ 15 II.2.1. Empilement des couches dans une inductance .................................................. 15 II.2.1.1. Inductances à une couche de matériau magnétique .................................... 15 II.2.1.2. Inductances à deux couches de matériaux magnétiques ............................. 15 II.2.2. Empilement des couches dans un transformateur à matériau magnétique ........ 16 II.3. Différentes topologies des composants magnétiques planaires .......................... 17 II.3.1. Exemple de topologies pour les inductances ..................................................... 17 II.3.2. Exemple de topologies pour les enroulements transformateurs ........................ 18 III. APPLICATIONS VISEES .......................................................................................... 18 III.1. L’intégration ......................................................................................................... 18 SOMMAIRE GENERAL Abderahim Awat U.J.M de Saint-Etienne III.1.1. Intégration monolithique « fonctionnelle classique » ...................................... 19 III.1.2. Intégration Hybride .......................................................................................... 19 III.2. Domaines d’application ........................................................................................ 19 III.2.1. En électronique de puissance ........................................................................... 19 Exemple : Alimentation à découpage ....................................................................... 20 III.2.2. Domaine du traitement du signal ..................................................................... 21 Exemple sur l’oscillateur .......................................................................................... 21 IV. REALISATION ........................................................................................................... 21 IV.1. Inductance sans matériau magnétique ou à air ................................................. 22 IV.2. Inductance à une couche de matériau magnétique ............................................ 22 IV.3. Inductance PDMA ................................................................................................ 23 Conclusion ........................................................................................................................... 23 BIBLIOGRAPHIE ......................................................................................................... 25 CHAPITRE II : LES ENROULEMENTS EN HAUTE FREQUENCE .................................................................................................................................................. 29 I. LES PERTES EN HAUTES FREQUENCES .............................................................. 29 I.1. Effets de peau ........................................................................................................... 29 I.2. Effets de proximité ................................................................................................... 31 II. COMPOSANTS BOBINES .......................................................................................... 33 III. LES COMPOSANTS PLANARS............................................................................... 40 IV. LES COMPOSANTS PLANAIRES INTEGRES ..................................................... 42 V. NOUVELLE METHODE DE DETERMINATION DE LA RESISTANCE SERIE .............................................................................................................................................. 53 V.1. Schéma équivalent retenu ...................................................................................... 53 V.2. Extraction des éléments du modèle ....................................................................... 54 V.3. Précisions sur les résultats (sensibilité des Sij) .................................................... 59 Conclusion ........................................................................................................................... 63 BIBLIOGRAPHIE ......................................................................................................... 64 CHAPITRE III : LES MOYENS MIS EN OEUVRE ................................. 71 I. SIMULATION SOUS HFSS .......................................................................................... 71 SOMMAIRE GENERAL Abderahim Awat U.J.M de Saint-Etienne I.1. Le simulateur HFSS ................................................................................................ 72 I.1.1. Procédure d’une simulation sous HFSS .............................................................. 72 I.1.2. Paramètres importants de simulation .................................................................. 73 I.1.2.1. Le critère de convergence ∆Smax .................................................................. 73 I.1.2.2. Le nombre d’itération maximum ................................................................. 73 I.1.2.3. La fréquence de maillage ............................................................................. 73 I.1.2.4. Le taux d’augmentation du nombre de mailles par passe ............................ 74 I.1.2.5. L’option de solution : l’ordre de fonctions de base ..................................... 74 I.1.2.6. Les conditions aux limites ........................................................................... 74 I.2. Structures étudiées ................................................................................................... 74 I.2.1. Inductance à air ................................................................................................... 75 I.2.2. Inductance à une couche ..................................................................................... 77 II. REALISATION D’INDUCTANCES .......................................................................... 78 II.1. Inductance à air ...................................................................................................... 78 II.1.1. Constitution ....................................................................................................... 78 II.1.2. Principales étapes technologiques ..................................................................... 78 II.1.2.1. Substrat alumine ......................................................................................... 78 II.1.2.2. Dépôt du cuivre .......................................................................................... 78 a- Nettoyage ...................................................................................................... 80 b- Dépôt de la résine et recuit 1 ....................................................................... 80 c- Insolation et recuit 2 .................................................................................... 80 d- Révélation et recuit final .............................................................................. 81 II.1.2.4. Gravure ....................................................................................................... 81 II.1.2.5. Dorure ......................................................................................................... 82 II.1.2.6. Bonding ...................................................................................................... 82 II.1.3. Bilan ................................................................................................................... 83 II.2 : Inductance à une couche magnétique ................................................................. 84 II.2.1. Constitution ....................................................................................................... 84 II.2.2. Préparation de la couche magnétique ................................................................ 85 II.2.2.1. Le collage et sciage ..................................................................................... 85 II.2.2.2. Le rodage .................................................................................................... 85 II.2.2.3. Le polissage et profilomètrie ...................................................................... 85 II.2.3. Bilan ................................................................................................................... 86 III. OUTILS DE CARACTERISATION ......................................................................... 87 SOMMAIRE GENERAL Abderahim Awat U.J.M de Saint-Etienne III.1. Caractérisation en basses fréquences ................................................................. 87 III.1.1. Banc de caractérisation basse fréquence et caractéristiques ............................ 87 III.1.2. Méthode et moyens de mesure ......................................................................... 88 III.1.3. Techniques de mesure 4 pointes ....................................................................... 89 III.1.4. Calibrage .......................................................................................................... 91 III.1.5. uploads/Geographie/ these-abderahim-awat-atteib 2 .pdf