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Composants passifs sur silicium pour la conversion dénergie.

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1 Composants passifs sur silicium pour la conversion dénergie

2 Micro-convertisseurs DC-DC Intégration L, C composants actifs (pertes, temps de commutation) f Quels sont les verrous limitatifs à lintégration ?

3 Conception Condensateurs Microbobines Problématique d intégration sur silicium déléments passifs Matériaux diélectriques (Collaboration TMN) Matériaux magnétiques Filières technologiques Matériaux

4 Eléments capacitifs MIM à forte densité intégrés sur silicium pour la conversion de lénergie

5 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 V out V I out 0,5 – 1 A Fréquence > 10 MHz Rendement > 90% Composants CMS Convertisseur PWM DC-DC On Semiconductor step-down [NCP1508] 3mm x 3mm

6 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/mm 2 Tenue en tension V Fréquence de résonance > 50 MHz Resistance série < 100 mΩ Inductance série À voir

7 Etudes préliminaires – 2005/2006 A – Etude de gravure DRIE Etude de la vitesse de gravure en fonction des motifs du masque (carrés, rectangles) et de leurs tailles w h CarrésRectangles

8 Conclusions: –Améliorer le facteur de forme –Aller vers des tailles de structures plus petites (< 2µm) CarrésBandes Largeur (w) Longueur (L) 2 µm 8 µm 2 µm 200 µm 8 µm 800 µm Profondeur (h) max45 µm75 µm68,591,3 Facteur de forme max168229,7 Perte latérale (Δw)0,8 µm1,8 µm0,8 µm1,6 µm Etudes préliminaires – 2005/2006 A – Etude de gravure DRIE

9 Etudes préliminaires –2005/2006 B – Dépôt diélectrique en tranchées w h poly Si 3 N 4 poly Si Si 3 N 4 SiO 2 Écart Condensateurs SiO 2 / Si 3 N 4 MEB TEM (CEMES) AFM - SCM

10 Etudes préliminaires – 2005/2006 C – Fabrication des composants Diélectrique : SiO 2 / Si 3 N 4 Si- n + Au Tranchées remplies avec du polysilicium dopé bore

11 Etudes préliminaires – 2005/2006 D – Caractérisation électrique des composants Mesures dimpédance: NomLargeur w ( µ m) Interstice i ( µ m) Profondeur ( µ m) Capacitance (nF/mm ² ) R é sistance s é rie à 1 MHz (Ω) Inductance s é rie (pH) C C C k10k100k1M10M100M 100m k Z ( ) FREQUENCE(Hz) C46 C66 C64

12 Etudes en cours Dépôt de diélectrique high-k par MOCVD dans tranchées: –Projet ANR « CAMINO »: début octobre 2006 Partenaire universitaire (Laboratoire dEtudes des Matériaux Hors Equilibre - Orsay)

13 Micro-bobines à noyau magnétique feuilleté Structure spirale en cuivre Noyau magnétique NiFe feuilleté L ~ 1 µH Courant pic ~ 1 A Fréquence ~ 1MHz

14 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

15 Micro-bobines à noyau magnétique feuilleté

16 5 conducteursrs en parallèle : diminution de R de 85% diminution de L de 60% Micro bobines multi brins Nano imprint


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