Investigadores de la Universidad de Florida han desarrollado pequeños dispositivos magnéticos que podrían permitir una entrega de energía más compacta para los chips de computadora. El trabajo se centra en los inductores, componentes utilizados en los reguladores de voltaje para ayudar a proporcionar a los circuitos un suministro estable de electricidad.

El equipo fabricó microinductores de línea de transmisión con un nanocompuesto magnético hecho de nanopartículas de óxido de hierro y níquel. Las mediciones mostraron aproximadamente 1,6 nanohenrios de inductancia, más del doble que la de dispositivos comparables sin núcleo magnético.

Los inductores son difíciles de miniaturizar porque reducir sus dimensiones generalmente disminuye la inductancia disponible de un diseño determinado. Añadir material magnético alrededor del conductor puede aumentar el flujo magnético y permitir que una estructura más pequeña proporcione mayor inductancia. Sin embargo, los dispositivos que funcionan a frecuencias de conmutación más altas también requieren materiales que respondan rápidamente sin pérdidas excesivas de energía.

Los investigadores utilizaron un proceso denominado electroinfiltración, en el que el níquel se depositó electroquímicamente en los espacios entre las nanopartículas de óxido de hierro. El compuesto resultante se incorporó a una estructura que contenía una tira de cobre eléctricamente aislada entre capas magnéticas superior e inferior.

La fabricación planteó un desafío porque el aislamiento sobre el cobre tenía paredes laterales pronunciadas, lo que dificultaba crear una capa magnética superior continua. El equipo utilizó fotorresistivo ablandado por calor para formar un perfil redondeado. Esto permitió aumentar el grosor del cobre de aproximadamente 2 a 6 micrómetros mientras se mantenía la cobertura magnética, reduciendo la resistencia de devanado del conductor.

El dispositivo optimizado alcanzó un factor de calidad máximo, o Q, de 5,3 a 150 megahercios. Esto representó un aumento del 58 % respecto al proceso original, que tenía un Q máximo de 3,35. El factor de calidad refleja el equilibrio entre el comportamiento inductivo y la pérdida eléctrica a una frecuencia determinada; no es una medición de la eficiencia de un regulador de voltaje completo.

Los investigadores también probaron un inductor de un puerto fabricado por separado bajo polarización de corriente continua. Su inductancia permaneció aproximadamente estable hasta 330 miliamperios cuando se midió a 1 megahercio, lo que indicó que no hubo saturación magnética medible dentro de ese intervalo de prueba. El resultado no establece la capacidad nominal de corriente del dispositivo optimizado a 150 megahercios.

El enfoque podría ayudar con el tiempo a situar los componentes de conversión de energía más cerca de los circuitos que alimentan, incluso dentro de encapsulados de semiconductores o fuentes de alimentación integradas. Los investigadores subrayan que se necesita más trabajo sobre el calentamiento, la fiabilidad y el rendimiento en convertidores completos. De los 97 dispositivos probados, 64 funcionaron, lo que demuestra que el rendimiento de fabricación también requiere mejoras.

El estudio fue realizado por Brenden M. Mears, Noah Morgan, Jennifer S. Andrew, David P. Arnold y Sai Pranesh Amirisetti, de la Universidad de Florida. Se publicó en el Journal of Micromechanics and Microengineering con el título “Stripline microinductors using electroinfiltrated nickel-iron oxide nanocomposites for power supply on chip applications.”

Fuentes: Phys.org.