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TELECOM '2007 5th JFMMA
AMELIORATION DES PERFORMANCES CEM D’UN
MICROCONTROLEUR A L’AIDE D’UN FILM FERROMAGNETIQUE
L. BOUHOUCH1, A. BOYER2, S. BEN DAHIA2, E. SICARD2, M. FADEL3
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Département Génie Electrique, EST d'Agadir, Université Ibn Zohr, B.P. 33/S, 80000 Agadir, Maroc.
INSA-DGEI, 135 Avenue de Rangueil, 31077 Cedex - Toulouse - France.
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LEATS, Faculté des Sciences, Université Ibn Zohr, BP 8106, 80006 Agadir, Maroc.
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Résumé :
Ce papier présente l’utilisation d’un matériau ferromagnétique (Permalloy) en vue d’améliorer les performances
CEM d’un circuit intégré, en terme d’émission et de susceptibilité rayonnée. Les investigations ont débuté par la
caractérisation de l’atténuation apportée par une fine couche de Permalloy, ensuite les effets de ce matériau en
champ proche aussi bien en émission qu’en susceptibilité dans le cas d’un microcontrôleur 16 bits.
Mots clés : Réduction de bruit, Susceptibilité, Matériau ferromagnétique, Permalloy, CEM, Microcontrôleur.
1. Introduction
Le Permalloy (Ni80Fe20) est un matériau typiquement utilisé pour réaliser des blindages pour les circuits
électriques bruyant ou susceptible de nuire à l’environnement externe. Il est principalement utilisé pour les basses
fréquences où sa perméabilité magnétique est très élevée [1, 2].
Avec les progrès technologiques [3], les circuits intégrés sont aujourd’hui soumis à un ensemble de contraintes
CEM de plus en plus contraignantes en terme d’émission parasite et de susceptibilité aux interférences
électromagnétiques, principalement dans la bande DC - 1 GHz. Par ailleurs, le rapprochement des circuits intégrés
implique une limitation des émissions rayonnées parasites en champ proche ainsi qu’une meilleure robustesse aux
agressions rayonnées produites par les circuits voisins.
Afin d’améliorer cette robustesse plusieurs investigations ont été faites ces dernières années. Nous avons étudié
et analysé [4] théoriquement et expérimentalement l'effet d’absorption de bruit, en haute fréquence et en champ
proche, par une feuille magnétique placée sur une ligne micro-ruban. Après mesure et calcul des caractéristiques de
rayonnement de la ligne micro-ruban, cette étude a confirmé que l'effet de suppression de bruit est obtenu
principalement par perte magnétique du matériaux constituant la feuille magnétique.
La présente étude s’intéresse aux améliorations apportées par l’ajout de films de Permalloy déposés à la surface
des boîtiers de circuits intégrés en terme de réduction de l’émission rayonnée et de la susceptibilité aux agressions
externes.
La première partie de cet article décrit le matériau utilisé. La deuxième partie présente la caractérisation de
l’atténuation du rayonnement en champ proche. Les troisièmes et quatrièmes parties présentent l’effet de ce
matériau sur l’émission et la susceptibilité rayonnée d’un microcontrôleur 16 bits.
2. Description du matériau
La couche du matériau qui sera plaquée contre le boîtier du microcontrôleur, est une fine pellicule d’alliage
Ni80Fe20 (Permalloy) d’épaisseur 20 µm. Cette couche d’alliage est fabriquée par la technique électrolytique. L’alliage
est caractérisé par une perméabilité magnétique très élevée, une magnétisation spécifique à saturation de l’ordre de
100 emu/g, un champ coercitif voisin de 4œ, un cycle d’hystérésis presque rectangulaire et une résistivité
électrique de l’ordre de 20 µ? cm [5, 6]. Il possède une structure cristalline désordonnée qui s’ordonne par
traitement thermique [7].
3. Caractérisation de l’atténuation en champ proche
Afin d’analyser l’absorption du champ proche par un film de Permalloy, on utilise une structure canonique tel
qu’une strip-line adaptée 50 O. Sur celle-ci, on ajoute ou non une feuille de Permalloy. On alimente cette strip-line
avec une puissance constante et on place une sonde magnétique miniature à 1 mm au dessus de celle-ci. On mesure
ainsi le champ magnétique rayonné au dessus de la strip-line. La figure 1 décrit le protocole expérimental de la
caractérisation.
Trois mesures sont effectuées :
sans matériau ferromagnétique,
avec un film de matériau ferromagnétique,
avec un film de matériau ferromagnétique traité thermiquement à 125°C pendant 2 heures.
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Cette dernière expérience a pour but de vérifier l’effet positif du traitement thermique du Permalloy. Cet effet
étant associé au réarrangement structural entraînant une croissance de la perméabilité magnétique [7]. La figure 2
présente le résultat des trois mesures.
Figure 1. Caractérisation fréquentielle de l’absorption du
matériau.
Figure 2. Mesure du rayonnement en champ proche
d’une strip-line recouverte ou non de Permalloy.
Le profil des trois courbes obtenues pour les trois expériences est typique d’un couplage magnétique.
L’atténuation apportée par le film de Permalloy se voit très clairement à travers ces courbes. La figure 3 compare le
facteur d’atténuation apportée par le film de Permalloy brut et traité thermiquement.
Figure 3. Atténuation en champ proche apportée par le
film de matériau ferromagnétique.
Figure 4. Dispositif du scan champ proche d’un
microcontrôleur 16 bits recouvert d’une couche de Permalloy.
On constate que l’atténuation apportée par le matériau reste constante et supérieure à 6dB sur la bande
10 MHz-400 MHz. Alors qu’elle accuse environ 5 dB sur la bande 400 MHz-1 GHz. Autour de 1.45 GHz,
l’atténuation apportée par le matériau diminue fortement jusqu’à 2.5 dB. Au dessus de 1.8 GHz, l’atténuation
reprend sa valeur initiale aux alentours de 6 dB. On remarque aussi que le traitement thermique du Permalloy a
amélioré les caractéristiques du matériau, avec un facteur qui varie en fonction de la fréquence entre 1.75 et 3 dB.
A travers ces expériences, il est évident qu’une fine couche de Permalloy déposée à la surface d’un circuit
intégré permettrait de réduire son émission rayonnée en champ proche et sa susceptibilité aux agressions
rayonnées en champ proche avec un facteur d’au moins 6 dB sur la bande 10 MHz - 1 GHz.
4. Effet du matériau en champ proche sur l’activité d’un microcontrôleur 16 bits
Afin de tester l’efficacité du Permalloy sur la réduction des émissions rayonnées en champ proche des circuits
intégrés, on a plaqué sur la surface du boîtier plastique d’un microcontrôleur 16 bits un film de Permalloy (figure 4).
Le microcontrôleur sous test est en activité. Durant les expérimentations, deux programmes sont utilisés :
- le premier fait fonctionner la PLL à 40 MHz et met le port M en sortie et commute à 390 KHz,
- le second fait fonctionner le CAN intégré au microcontrôleur, en réalisant une conversion sur l'entrée
analogique AN00 et en affichant le résultat de la conversion sur le port M.
Les broches du microcontrôleur qui nous intéresse lors des différents tests sont schématisées sur la figure 5.
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4.1. Effet sur l’émission rayonnée en champ proche
Avec le premier programme et en faisant un balayage de la sonde magnétique, placée à 2 mm au dessus du blocs
réalisant la fonction PLL du microcontrôleur, nous retrouvons une fois de plus, comme le montre la mesure de la
puissance de la figure 6, l’effet de réduction d’émission rayonnée en champ proche du microcontrôleur par la fine
couche de Permalloy. Dans ce cas, les courbes révèlent une atténuation, provoquée par la couche de Permalloy, de
l’ordre de 7.5 dB sur la bande de mesure DC - 100 MHz excepté autour de 55 MHz qui correspond à des
perturbations externes. Les perturbations constatées aux alentours de 100 MHz sont dues aux effets radio de la FM.
Figure 6. Comparaison de l’émission en champ proche d’un
microcontrôleur avec ou sans film de matériau ferromagnétique.
Figure 5. Quelques broches du microcontrôleur
16 bits.
4.2. Effet sur la susceptibilité en champ proche
Dans ce cas la victime est le CAN du microcontrôleur dans lequel est embarqué le second programme.
L’agression se fait par la sonde magnétique connectée à la sortie d’un amplificateur de puissance délivrant au
maximum 42 dBm (figure 7).
Synthétiseur
de signal
Amplificateur
Pinc
Prefl
Coupleur
bidirectionnel
Détection de fautes
Sortie d’un gabarit
Sonde champ
proche
Oscilloscope
Composant sous test
Figure 7. Dispositif d’agression en champ proche d’un microcontrôleur 16 bits.
Des mesures préalables avaient montrés les faiblesses du bloc CAN du microcontrôleur en immunité champ
proche. Deux zones sensibles apparaissent : l’entrée analogique et son réseau d’alimentation VDDatd/VSSatd.
Le critère de susceptibilité est une modification d’un bit de la valeur convertie par le CAN. Cette valeur est
visualisée grâce à une série de LED externes connectée à un des ports de sortie du microcontrôleur.
Le test suivant a été effectué : on mesure le seuil de susceptibilité d’un circuit sans film de Permalloy, appelé
témoin, puis on refait la même mesure sur le même circuit mais en présence du Permalloy à la surface du
microcontrôleur.
Le premier résultat concerne l’agression du réseau d’alimentation. La sonde est placée au dessus de
VDDatd/VSSatd. La figure 8 présente la comparaison des seuils de susceptibilité des circuits avec et sans
Permalloy. Cette figure représentant la mesure de la puissance incidente, montre que la différence moyenne entre les
deux courbes est de 4.5 dBm entre 400 et 650 MHz. Celle-ci semble plus ou moins constante sur cette bande.
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La deuxième mesure concerne l’agression en basse fréquence, du DC à 20 MHz, de l’entrée AN00 du CAN.
Comme le montre la figure 9, avec le film de Permalloy plaqué contre la surface du microcontrôleur, la mesure de la
puissance incidente ne fait apparaître aucune défaillance pour une puissance maximale de 42 dBm. Comparée à la
mesure sans film de Permalloy, sur la bande fréquentielle DC - 20 MHz, l’atténuation apportée par le film de
Permalloy est d’au moins 6 dB.
Figure 8. Comparaison de la susceptibilité en champ
proche d’un microcontrôleur recouvert ou non d’un film de
matériau ferromagnétique lors de l’agression de
VDDatd/VSSatd.
Figure 9. Seuil de susceptibilité sans film de Permalloy lors
de l’agression de AN00.
A travers ces mesures, nous avons la confirmation que la couche de Permalloy permet de réduire d’environ 6 dB
la susceptibilité d’un circuit intégré à une agression rayonnée en champ proche.
5. Conclusion
Dans cet article, nous avons présenté les différentes mesures qui montrent le rôle important d’une couche de
matériau ferromagnétique, tel le Permalloy, dans la réduction de bruit, satisfaisant ainsi certaines exigences de la
CEM aussi bien en émission qu’en susceptibilité dans le cas d’un microcontrôleur 16 bits.
Les différentes mesures d’émission nous confirment une atténuation de bruit avoisinant les 6 dBm pour la bande
fréquentielle DC - 1 GHz. Tandis qu’en susceptibilité, une moyenne d’atténuation de 4,5 dBm a été constatée pour
la bande de 400 MHz - 650 MHz, alors que pour la bande DC - 20 MHz, l’atténuation apportée par le film de
Permalloy est d’au moins 6 dB.
Enfin comme perspectives à notre travail nous suggérons, d’une part la réalisation d’une cartographie complète
du bruit en champ proche à la surface du microcontrôleur avec et sans Permalloy, ce qui permettra de déceler les
zones où l’atténuation est maximale. D’autre part, faire un rapprochement puce à puce, l’une source de bruit et
l’autre victime. En séparant la source et la victime par un film de Permalloy, nous pourrons tester l’impact du
Permalloy sur les performances de réduction de bruits par ce matériau ferromagnétique.
Références
[1] "Matériaux et propriétés magnétiques", Electrotechnique / Editions de la Dunanche, Septembre (2000). Site de
Didier Lohri, http://www.lohri.net/.
[2] G. Pinson, "Physique Appliquée", CEM - A15 / 1 à 12, ISBN 2-9520781-0-6, http://www.syscope.net/elec/.
[3] ITRS SIA Roadmap, http://public.itrs.net/.
[4] H. Ono, Y. Takase, S. Yoshida, O. Hashimoto, "Analysis on noise suppression effect of the composite magnetic
sheet for the use in near field", EMC '03. IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Vol.
2, (2003), p. 938-941.
[5] L. Bouhouch, Thèse de Doctorat d’Université de Nancy I, Génie Electrique, (Juin 1988).
[6] L. Bouhouch, M. Fadel, E. Hilali. "Magnetic properties of the electrolytic super alloys Ni-Fe", Phys. Stat. Sol. (c),
www.pss-c.com, 3 No. 9 (2006), p. 3253-3256.
[7] L. Bouhouch, M. Mediouni, J. Ghanbaja, A. Bendou et A. Mir, "Influence du traitement thermique sur les
caractéristiques structurales des alliages Ni100-xFex électrodéposés". Revue Internationale d'Héliotechnique,
N° 30, (Automne 2004), p. 16-25.
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