Forschende an der University of Florida haben winzige magnetische Bauelemente entwickelt, die eine kompaktere Stromversorgung für Computerchips ermöglichen könnten. Die Arbeit konzentriert sich auf Induktivitäten, Bauteile, die in Spannungsreglern eingesetzt werden, um Schaltkreise mit einer stabilen Stromversorgung zu versorgen.

Das Team fertigte Stripline-Mikroinduktivitäten mit einem magnetischen Nanokomposit aus Eisenoxid-Nanopartikeln und Nickel. Messungen ergaben eine Induktivität von etwa 1,6 Nanohenry, mehr als doppelt so viel wie bei vergleichbaren Bauelementen ohne magnetischen Kern.

Induktivitäten lassen sich nur schwer miniaturisieren, weil eine Verringerung ihrer Abmessungen im Allgemeinen die mit einem bestimmten Design erzielbare Induktivität senkt. Magnetisches Material um den Leiter kann den magnetischen Fluss erhöhen und es einer kleineren Struktur ermöglichen, eine höhere Induktivität bereitzustellen. Bauelemente, die jedoch mit höheren Schaltfrequenzen arbeiten, benötigen auch Materialien, die schnell reagieren, ohne übermäßige Energieverluste zu verursachen.

Die Forschenden verwendeten ein als Elektroinfiltration bezeichnetes Verfahren, bei dem Nickel elektrochemisch in die Zwischenräume zwischen den Eisenoxid-Nanopartikeln abgeschieden wurde. Das entstandene Komposit wurde in eine Struktur integriert, die einen elektrisch isolierten Kupferstreifen zwischen einer oberen und einer unteren magnetischen Schicht enthielt.

Die Herstellung stellte eine Herausforderung dar, weil die Isolierung über dem Kupfer steile Seitenwände aufwies, wodurch es schwierig war, eine durchgehende obere magnetische Schicht zu erzeugen. Das Team verwendete durch Wärme erweichten Fotolack, um ein abgerundetes Profil zu formen. Dadurch konnte die Kupferdicke von etwa 2 auf 6 Mikrometer erhöht und gleichzeitig die magnetische Abdeckung beibehalten werden, wodurch der Wicklungswiderstand des Leiters sank.

Das optimierte Bauelement erreichte bei 150 Megahertz einen maximalen Qualitätsfaktor beziehungsweise Q-Faktor von 5,3. Das entsprach einer Steigerung um 58 % gegenüber dem ursprünglichen Verfahren, bei dem der maximale Q-Faktor 3,35 betrug. Der Qualitätsfaktor beschreibt das Verhältnis zwischen induktivem Verhalten und elektrischen Verlusten bei einer bestimmten Frequenz; er ist kein Maß für den Wirkungsgrad eines vollständigen Spannungsreglers.

Die Forschenden testeten außerdem eine separat gefertigte Einport-Induktivität unter Gleichstromvorspannung. Ihre Induktivität blieb bei einer Messung mit 1 Megahertz bis zu 330 Milliampere ungefähr stabil, was darauf hindeutet, dass innerhalb dieses Testbereichs keine messbare magnetische Sättigung auftrat. Das Ergebnis legt nicht die Strombelastbarkeit des optimierten Bauelements bei 150 Megahertz fest.

Der Ansatz könnte letztlich dazu beitragen, leistungselektronische Komponenten näher an den von ihnen versorgten Schaltkreisen zu platzieren, auch innerhalb von Halbleitergehäusen oder integrierten Stromversorgungen. Die Forschenden betonen, dass weitere Arbeiten zu Erwärmung, Zuverlässigkeit und der Leistung in vollständigen Wandlern erforderlich sind. Von 97 getesteten Bauelementen waren 64 funktionsfähig, was zeigt, dass auch die Fertigungsausbeute verbessert werden muss.

Die Studie wurde von Brenden M. Mears, Noah Morgan, Jennifer S. Andrew, David P. Arnold und Sai Pranesh Amirisetti an der University of Florida durchgeführt. Sie wurde im Journal of Micromechanics and Microengineering unter dem Titel „Stripline microinductors using electroinfiltrated nickel-iron oxide nanocomposites for power supply on chip applications“ veröffentlicht.

Quellen: Phys.org.