Pesquisadores da Universidade da Flórida desenvolveram minúsculos dispositivos magnéticos que podem contribuir para uma distribuição de energia mais compacta para chips de computador. O trabalho concentra-se em indutores, componentes usados em reguladores de tensão para ajudar a fornecer aos circuitos um suprimento estável de eletricidade.
A equipe fabricou microindutores stripline com um nanocompósito magnético feito de nanopartículas de óxido de ferro e níquel. As medições mostraram aproximadamente 1,6 nanohenry de indutância, mais do que o dobro da obtida por dispositivos comparáveis sem núcleo magnético.
Os indutores são difíceis de miniaturizar porque reduzir suas dimensões geralmente diminui a indutância disponível em um determinado projeto. Adicionar material magnético ao redor do condutor pode aumentar o fluxo magnético e permitir que uma estrutura menor forneça mais indutância. No entanto, dispositivos que operam em frequências de comutação mais altas também exigem materiais que respondam rapidamente sem perdas excessivas de energia.
Os pesquisadores usaram um processo chamado eletroinfiltração, no qual o níquel foi depositado eletroquimicamente nos espaços entre nanopartículas de óxido de ferro. O compósito resultante foi incorporado a uma estrutura contendo uma faixa de cobre eletricamente isolada entre camadas magnéticas superior e inferior.
A fabricação apresentou um desafio porque o isolamento sobre o cobre tinha paredes laterais íngremes, dificultando a criação de uma camada magnética superior contínua. A equipe usou fotorresiste amolecido pelo calor para formar um perfil arredondado. Isso permitiu aumentar a espessura do cobre de aproximadamente 2 para 6 micrômetros, mantendo a cobertura magnética e reduzindo a resistência de enrolamento do condutor.
O dispositivo otimizado alcançou um fator de qualidade máximo, ou Q, de 5,3 a 150 megahertz. Isso representou um aumento de 58% em relação ao processo original, que tinha um Q máximo de 3,35. O fator de qualidade reflete o equilíbrio entre o comportamento indutivo e a perda elétrica em uma determinada frequência; ele não é uma medida da eficiência de um regulador de tensão completo.
Os pesquisadores também testaram um indutor de uma porta fabricado separadamente sob polarização de corrente contínua. Sua indutância permaneceu aproximadamente estável até 330 miliampères quando medida a 1 megahertz, indicando nenhuma saturação magnética mensurável dentro desse intervalo de teste. O resultado não estabelece a capacidade de corrente do dispositivo otimizado a 150 megahertz.
A abordagem poderia eventualmente ajudar a colocar componentes de conversão de energia mais próximos dos circuitos que alimentam, inclusive dentro de encapsulamentos de semicondutores ou fontes de alimentação integradas. Os pesquisadores ressaltam que ainda são necessários estudos sobre aquecimento, confiabilidade e desempenho em conversores completos. Dos 97 dispositivos testados, 64 estavam funcionais, mostrando que o rendimento da fabricação também precisa ser aprimorado.
O estudo foi conduzido por Brenden M. Mears, Noah Morgan, Jennifer S. Andrew, David P. Arnold e Sai Pranesh Amirisetti, da Universidade da Flórida. Foi publicado no Journal of Micromechanics and Microengineering sob o título “Stripline microinductors using electroinfiltrated nickel-iron oxide nanocomposites for power supply on chip applications”.
Fontes: Phys.org.