I ricercatori dell’Università della Florida hanno sviluppato minuscoli dispositivi magnetici che potrebbero favorire un’erogazione di potenza più compatta per i chip dei computer. Il lavoro si concentra sugli induttori, componenti utilizzati nei regolatori di tensione per contribuire a fornire ai circuiti un’alimentazione elettrica stabile.
Il team ha realizzato microinduttori stripline con un nanocomposito magnetico costituito da nanoparticelle di ossido di ferro e nichel. Le misurazioni hanno mostrato un’induttanza di circa 1,6 nanohenry, più del doppio rispetto a quella di dispositivi comparabili privi di nucleo magnetico.
Gli induttori sono difficili da miniaturizzare perché la riduzione delle loro dimensioni generalmente diminuisce l’induttanza disponibile per un determinato progetto. L’aggiunta di materiale magnetico attorno al conduttore può aumentare il flusso magnetico e consentire a una struttura più piccola di fornire una maggiore induttanza. Tuttavia, i dispositivi che operano a frequenze di commutazione più elevate richiedono anche materiali che rispondano rapidamente senza perdite energetiche eccessive.
I ricercatori hanno utilizzato un processo chiamato elettroinfiltrazione, nel quale il nichel veniva depositato elettrochimicamente negli spazi tra le nanoparticelle di ossido di ferro. Il composito risultante è stato incorporato in una struttura contenente una striscia di rame elettricamente isolata tra strati magnetici superiore e inferiore.
La fabbricazione ha presentato una difficoltà perché l’isolamento sul rame aveva pareti laterali ripide, rendendo difficile creare uno strato magnetico superiore continuo. Il team ha utilizzato un fotoresist ammorbidito dal calore per formare un profilo arrotondato. Ciò ha consentito di aumentare lo spessore del rame da circa 2 a 6 micrometri mantenendo la copertura magnetica e riducendo la resistenza di avvolgimento del conduttore.
Il dispositivo ottimizzato ha raggiunto un fattore di qualità massimo, o Q, pari a 5,3 a 150 megahertz. Ciò rappresentava un aumento del 58% rispetto al processo originale, che aveva un Q massimo di 3,35. Il fattore di qualità riflette l’equilibrio tra il comportamento induttivo e la perdita elettrica a una determinata frequenza; non è una misura dell’efficienza di un regolatore di tensione completo.
I ricercatori hanno inoltre testato un induttore a una porta fabbricato separatamente in condizioni di polarizzazione in corrente continua. La sua induttanza è rimasta approssimativamente stabile fino a 330 milliampere quando misurata a 1 megahertz, indicando l’assenza di una saturazione magnetica misurabile entro quell’intervallo di prova. Il risultato non stabilisce la corrente nominale del dispositivo ottimizzato a 150 megahertz.
L’approccio potrebbe infine contribuire a collocare i componenti di conversione della potenza più vicino ai circuiti che alimentano, anche all’interno di package per semiconduttori o di alimentatori integrati. I ricercatori sottolineano che sono necessari ulteriori studi sul riscaldamento, sull’affidabilità e sulle prestazioni in convertitori completi. Dei 97 dispositivi testati, 64 erano funzionanti, dimostrando che anche la resa di fabbricazione deve essere migliorata.
Lo studio è stato condotto da Brenden M. Mears, Noah Morgan, Jennifer S. Andrew, David P. Arnold e Sai Pranesh Amirisetti presso l’Università della Florida. È stato pubblicato sul Journal of Micromechanics and Microengineering con il titolo “Stripline microinductors using electroinfiltrated nickel-iron oxide nanocomposites for power supply on chip applications”.
Fonti: Phys.org.