Des chercheurs de l’Université de Floride ont développé de minuscules dispositifs magnétiques qui pourraient favoriser une alimentation électrique plus compacte pour les puces informatiques. Ces travaux portent sur les inductances, des composants utilisés dans les régulateurs de tension afin de fournir aux circuits une alimentation électrique stable.
L’équipe a fabriqué des micro-inductances stripline avec un nanocomposite magnétique constitué de nanoparticules d’oxyde de fer et de nickel. Les mesures ont montré une inductance d’environ 1,6 nanohenry, soit plus du double de celle de dispositifs comparables dépourvus de noyau magnétique.
Les inductances sont difficiles à miniaturiser, car la réduction de leurs dimensions diminue généralement l’inductance disponible pour une conception donnée. L’ajout d’un matériau magnétique autour du conducteur peut accroître le flux magnétique et permettre à une structure plus petite de fournir davantage d’inductance. Toutefois, les dispositifs fonctionnant à des fréquences de commutation plus élevées nécessitent également des matériaux capables de réagir rapidement sans pertes d’énergie excessives.
Les chercheurs ont utilisé un procédé appelé électro-infiltration, dans lequel du nickel est déposé électrochimiquement dans les espaces entre les nanoparticules d’oxyde de fer. Le composite obtenu a été intégré à une structure comprenant une bande de cuivre électriquement isolée entre des couches magnétiques supérieure et inférieure.
La fabrication a présenté une difficulté, car l’isolation recouvrant le cuivre comportait des flancs abrupts, ce qui rendait difficile la création d’une couche magnétique supérieure continue. L’équipe a utilisé une résine photosensible ramollie par la chaleur afin de former un profil arrondi. Cela a permis d’augmenter l’épaisseur du cuivre d’environ 2 à 6 micromètres tout en maintenant la couverture magnétique, réduisant ainsi la résistance de bobinage du conducteur.
Le dispositif optimisé a atteint un facteur de qualité maximal, ou Q, de 5,3 à 150 mégahertz. Cela représentait une augmentation de 58 % par rapport au procédé initial, qui affichait un Q maximal de 3,35. Le facteur de qualité reflète l’équilibre entre le comportement inductif et les pertes électriques à une fréquence donnée ; il ne mesure pas l’efficacité d’un régulateur de tension complet.
Les chercheurs ont également testé une inductance à un port fabriquée séparément sous polarisation en courant continu. Son inductance est restée approximativement stable jusqu’à 330 milliampères lorsqu’elle était mesurée à 1 mégahertz, ce qui indique l’absence de saturation magnétique mesurable dans cette plage d’essai. Ce résultat ne permet pas d’établir la valeur nominale du courant du dispositif optimisé à 150 mégahertz.
Cette approche pourrait à terme contribuer à placer les composants de conversion de puissance plus près des circuits qu’ils alimentent, notamment à l’intérieur de boîtiers de semi-conducteurs ou d’alimentations intégrées. Les chercheurs soulignent que des travaux supplémentaires sont nécessaires concernant l’échauffement, la fiabilité et les performances dans des convertisseurs complets. Sur 97 dispositifs testés, 64 étaient fonctionnels, ce qui montre que le rendement de fabrication doit également être amélioré.
L’étude a été menée par Brenden M. Mears, Noah Morgan, Jennifer S. Andrew, David P. Arnold et Sai Pranesh Amirisetti à l’Université de Floride. Elle a été publiée dans le Journal of Micromechanics and Microengineering sous le titre « Stripline microinductors using electroinfiltrated nickel-iron oxide nanocomposites for power supply on chip applications ».
Sources: Phys.org.