L'Università dell'Illinois sviluppa un induttore a microchip 3D per sfruttare appieno lo spazio della struttura 3D

La ricerca, pubblicata sulla rivista Science Advances, ha dimostrato che utilizzando tubi riempiti di nanoparticelle magnetiche autoavvolgenti e completamente integrati, il nuovo induttore può garantire una distribuzione condensata del campo magnetico e un accumulo di energia nello spazio 3D, mentre allo stesso tempo mantenendo l'ingombro minimo necessario per adattarsi a un chip.

Il team dietro il nuovo studio è stato guidato da Xiuling Li, professore di ingegneria elettrica e informatica presso l’Università dell’Illinois e direttore ad interim dell’Holonyak Micro & Nanotechnology Laboratory.

Gli ingegneri lavorano da decenni per rendere i microchip più piccoli.

Molti dei progressi tecnologici nella tecnologia degli smartphone – e, più in generale, nell’IoT – non sarebbero stati possibili senza la miniaturizzazione di diversi componenti elettronici. Osservando in particolare gli induttori dei microchip, è evidente che questi componenti sono solitamente costituiti da spirali di filo 2D. Ogni giro del filo crea un'induttanza più forte.

Si tratta di una tecnologia complessa che ha migliorato costantemente l’elettronica negli ultimi anni. Tuttavia, una struttura 2D significa anche che esiste un limite di spazio sulla superficie bidimensionale dei chip.

I ricercatori hanno provato a sperimentare strutture 3D per aggirare questi ostacoli, ma i loro successi sono attualmente limitati dalle capacità esistenti nella costruzione di strutture tridimensionali, nella gestione della corrente e nell’integrazione di materiali magnetici. Basandosi su uno studio precedente, il team di Xiuling Li ha creato induttori 3D utilizzando l'elaborazione 2D passando alla nanotecnologia della membrana auto-arrotolata, che consente al filo di uscire a spirale dal piano ed è diviso da una pellicola sottile isolante da una svolta all'altra.

Quando completamente srotolate, le membrane metalliche erano lunghe 1 millimetro (circa 100 volte più piccole dei tradizionali induttori 2D). "Una membrana più lunga significa un rotolamento più indisciplinato se non controllato", ha spiegato Li.

"In precedenza, il processo di autolaminazione veniva attivato e avveniva in una soluzione liquida", ha aggiunto. "Tuttavia, abbiamo scoperto che, lavorando con membrane più lunghe, consentire al processo di avvenire in fase vapore ci ha dato un controllo molto migliore per formare rotoli più stretti e uniformi." In altre parole, utilizzando questi componenti 3D su microchip 2D standardizzati, gli sviluppatori dovrebbero essere in grado di utilizzare fino a 100 volte meno spazio sul chip.

A livello base, un induttore è un componente elettrico passivo a due terminali che immagazzina energia in un campo magnetico quando la corrente elettrica lo attraversa.

Quando ciò accade, si crea una relazione tra la direzione del flusso magnetico, che circola attorno al conduttore, e la direzione della corrente che scorre attraverso lo stesso conduttore. Questo fenomeno è chiamato "Regola della mano destra di Fleming". Una tensione secondaria viene anche indotta nella stessa bobina dal movimento del flusso magnetico poiché resiste o si oppone a eventuali variazioni della corrente elettrica che ne facilitano il flusso.

Gli induttori sono solitamente formati con filo fortemente avvolto attorno a un nucleo centrale, che spesso ha la forma di un'asta cilindrica diritta o di un anello o anello continuo per concentrare il flusso magnetico. Nel caso degli induttori a microchip, sono generalmente realizzati in ferro o ferrite e vengono posizionati sulla parte superiore di un circuito stampato (PCB) con pasta saldante e quindi saldati.

"Gli induttori più efficienti sono tipicamente un nucleo di ferro avvolto con filo metallico, che funziona bene nei circuiti elettronici dove le dimensioni non sono una considerazione così importante", ha detto Li, commentando le nuove scoperte. "Ma ciò non funziona a livello di microchip, né favorisce il processo di auto-arrotolamento, quindi dovevamo trovare un modo diverso", ha aggiunto.

Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno riempito le membrane già arrotolate con una soluzione di nanoparticelle di ossido di ferro utilizzando un minuscolo contagocce. "Sfruttiamo la pressione capillare, che aspira le goccioline della soluzione nei nuclei", ha spiegato Li. "La soluzione si asciuga, lasciando il ferro depositato all'interno del tubo. Ciò aggiunge proprietà favorevoli rispetto ai nuclei solidi standard del settore, consentendo a questi dispositivi di funzionare a frequenze più elevate con una minore perdita di prestazioni."