Integrated thin film magnetics in advanced organic substrates

This thesis investigates the challenges of integrating thin film magnetics into advanced organic substrates for Power Supply in Package (PwrSiP) applications. The surface conditions of the substrate on which the thin films were deposited was found to play a critical role in terms of the magnetic performance and efficacy of the material used as the magnetic passive component. Whence, planarization of the underlying substrate, or a release process with which the magnetic core could be deposited, and later liberated from a polymer layer spun on smooth Si were developed in order to address the issue of surface roughness of the underlying substrate. \newline\newline The released magnetic thin films were incorporated into advanced organic substrates by three methods, as follows: 1) the integration of the released magnetic core using wirebonds; 2) the embedding of the released magnetic material using a Flip-Chip approach; 3) fully embedding the released magnetic material between the prepreg layers in the PCB stack. \newline\newline Finally, methods for the modelling and characterisation of the magnetisation dynamics of thin film magnetics were developed. The modelling of the magnetisation dynamics comprises two approaches: 1) development of software which enables large scale numeric modelling of the magnetic thin films using graphical processing units; 2) development of analytical models to characterise the magnetisation dynamics of magnetic thin films. Both the analytic and numeric methods were developed in order to characterise the issue of surface roughness in magnetic thin films, which was found to result in severely degraded magnetic performance. Furthermore, the thickness dependent multimodal behaviour of amorphous CZTB films spanning thickness 80nm – 500nm were investigated using Brown’s continuous diffusion model of magnetic spins. It was found that there is a critical film thickness whereat there is a breakdown in the induced uniaxial anisotropy within the film, and hence, that thickness should be considered the maximum useful thickness of the material in ultra-low loss PwRSiP applications

Sintering Applications

Sintering is one of the final stages of ceramics fabrication and is used to increase the strength of the compacted material. In the Sintering of Ceramics section, the fabrication of electronic ceramics and glass-ceramics were presented. Especially dielectric properties were focused on. In other chapters, sintering behaviour of ceramic tiles and nano-alumina were investigated. Apart from oxides, the sintering of non-oxide ceramics was examined. Sintering the metals in a controlled atmosphere furnace aims to bond the particles together metallurgically. In the Sintering of Metals section, two sections dealt with copper containing structures. The sintering of titanium alloys is another topic focused in this section. The chapter on lead and zinc covers the sintering in the field of extractive metallurgy. Finally two more chapter focus on the basics of sintering,i.e viscous flow and spark plasma sintering

Conception, réalisation et caractérisation d'inductances planaires à couches magnétiques

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 500 m). 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 500 m). 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)ST ETIENNE-Bib. électronique (422189901) / SudocSudocFranceF

Ferrite-based micro-inductors for power systems on chip : from material elaboration to inductor optimisation

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.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

Contribution à la réalisation d'une micro-inductance planaire

Les récents progrès dans les télécommunications exigent de nouveaux composants pouvant fonctionner à des fréquences de plus en plus élevées et l électronique d une manière générale exige des composants de très bonne qualité. L objectif principal de ce travail est la conception, la réalisation et la caractérisation d une micro-inductance intégrée utilisant les propriétés d une couche relativement épaisse de matériau magnétique. Les structures bobinées étant difficilement intégrables, une structure planaire a été retenue. Deux types de dispositifs ont été réalisés : une structure composée d une spirale sur une couche de matériau magnétique et une autre constituée d une spirale prise en sandwich entre deux couches de matériau magnétique. Les études réalisées par simulation montrent de très bons résultats confirmés par les caractérisations. Plusieurs essais de caractérisation hautes fréquences (à l aide d un analyseur vectoriel) et basses fréquences (à l aide d un LCRmètre) ont été réalisés. Les résultats montrent un gain en termes de valeur d inductance d un facteur de deux sur la structure une couche et un gain d un facteur proche de la perméabilité du matériau pour une structure double couche. Par ailleurs, une technique de caractérisation "courant fort" utilisant un té de polarisation et une technique de détermination de la perméabilité du matériau magnétique utilisant la combinaison des résultats de mesure et de simulation ont été développées. L intégration des composants passifs comme l inductance à couche magnétique relativement épaisse est possible grâce à l utilisation des techniques de la microélectronique et de micro-usinageRecent advances in telecommunications require new components that can operate at high frequencies and now, electronic requires high quality components. The main purpose of this work is the design, micro-fabrication and characterization of a micro-integrated inductor using properties of a relatively thick layer of magnetic material. As coiled structures are difficult to integrate a planar structure was chosen. Two kinds of devices have been made: a device consisting of one spiral on a layer of magnetic material and another consisting of one spiral sandwiched between two layers of magnetic material. The simulation studies show very good results confirmed by characterizations. Several high frequencies (using a vector analyzer) and low frequencies (using a LCRmeter) characterizations were made. Results show that the inductance value is multiplied by two in the case of a structure with one layer of magnetic material and by a factor close to the permeability of magnetic material in the case of a double layer structure. In addition, a high current characterization technique using a bias tee and a technique for determining the permeability of the magnetic material using a combination of measurement results and simulation have been implemented. The integration of passive components such as inductor with relatively thick magnetic layers is made possible by the use of microelectronic and micro-machining techniquesST ETIENNE-Bib. électronique (422189901) / SudocSudocFranceF

Ferroelectrics

Ferroelectric materials exhibit a wide spectrum of functional properties, including switchable polarization, piezoelectricity, high non-linear optical activity, pyroelectricity, and non-linear dielectric behaviour. These properties are crucial for application in electronic devices such as sensors, microactuators, infrared detectors, microwave phase filters and, non-volatile memories. This unique combination of properties of ferroelectric materials has attracted researchers and engineers for a long time. This book reviews a wide range of diverse topics related to the phenomenon of ferroelectricity (in the bulk as well as thin film form) and provides a forum for scientists, engineers, and students working in this field. The present book containing 24 chapters is a result of contributions of experts from international scientific community working in different aspects of ferroelectricity related to experimental and theoretical work aimed at the understanding of ferroelectricity and their utilization in devices. It provides an up-to-date insightful coverage to the recent advances in the synthesis, characterization, functional properties and potential device applications in specialized areas