A Universidade de Illinois desenvolve um indutor de microchip 3D para utilizar totalmente o espaço da estrutura 3D

A pesquisa, que foi publicada na revista Science Advances, mostrou que, ao usar tubos magnéticos auto-rolantes totalmente integrados e cheios de nanopartículas, o novo indutor pode garantir uma distribuição de campo magnético condensado, bem como armazenamento de energia no espaço 3D - enquanto ao mesmo tempo, mantendo a pequena pegada necessária para caber em um chip.

A equipe por trás do novo estudo foi liderada por Xiuling Li, professor de engenharia elétrica e de computação da Universidade de Illinois e diretor interino do Holonyak Micro & Nanotechnology Laboratory.

Os engenheiros têm trabalhado para tornar os microchips menores há décadas.

Muitos dos avanços tecnológicos na tecnologia de smartphones – e mais geralmente, a IoT – não teriam sido possíveis sem a miniaturização de vários componentes eletrônicos. Ao olhar para indutores de microchips, em particular, é perceptível que esses componentes são geralmente feitos de espirais 2D de fio. Cada volta do fio cria uma indutância mais forte.

Esta é uma tecnologia complexa que melhorou a eletrônica de forma consistente nos últimos anos. No entanto, uma estrutura 2D também significa que há um limite de espaço na superfície bidimensional dos chips.

Os pesquisadores tentaram experimentar estruturas 3D para contornar esses obstáculos, mas seus sucessos são atualmente limitados pelas capacidades existentes na construção de estruturas tridimensionais, manuseio de corrente e integração de material magnético. Com base em um estudo anterior, a equipe de Xiuling Li criou indutores 3D usando processamento 2D, mudando para nanotecnologia de membrana auto-enrolada, que permite que o fio espirale para fora do plano e seja dividido por um filme fino isolante de volta a volta.

Quando totalmente desenroladas, as membranas de arame tinham 1 milímetro de comprimento (cerca de 100 vezes menores que os indutores 2D tradicionais). "Uma membrana mais longa significa rolamento mais indisciplinado se não for controlado", explicou Li.

"Anteriormente, o processo de autolaminação era acionado e ocorria em uma solução líquida", acrescentou. "No entanto, descobrimos que, ao trabalhar com membranas mais longas, permitir que o processo ocorra em uma fase de vapor nos deu um controle muito melhor para formar rolos mais firmes e uniformes." Em outras palavras, usando esses componentes 3D em microchips 2D padronizados, os desenvolvedores devem ser capazes de usar até 100 vezes menos espaço no chip.

Em um nível básico, um indutor é um componente elétrico passivo de dois terminais que armazena energia em um campo magnético quando a corrente elétrica flui através dele.

Quando isso acontece, cria-se uma relação entre a direção do fluxo magnético, que circula em torno do condutor, e a direção da corrente que passa pelo mesmo condutor. Este fenômeno é chamado de "Regra da Mão Direita de Fleming". Uma tensão secundária também é induzida na mesma bobina pelo movimento do fluxo magnético, uma vez que resiste ou se opõe a qualquer mudança na corrente elétrica que facilite seu fluxo.

Os indutores são geralmente formados com fio fortemente enrolado em torno de um núcleo central, que geralmente tem a forma de uma haste cilíndrica reta ou um anel ou loop contínuo para concentrar seu fluxo magnético. No caso dos indutores de microchip, eles são normalmente feitos de ferro ou ferrite e são colocados no topo de uma placa de circuito impresso (PCB) com pasta de solda e depois soldados.

“Os indutores mais eficientes são tipicamente um núcleo de ferro envolto em fio de metal, que funciona bem em circuitos eletrônicos onde o tamanho não é uma consideração tão importante”, disse Li, comentando as novas descobertas. “Mas isso não funciona no nível do microchip, nem é propício para o processo de autolaminação, então precisávamos encontrar uma maneira diferente”, acrescentou ela.

Para resolver esse problema, os pesquisadores encheram as membranas já enroladas com uma solução de nanopartículas de óxido de ferro usando um minúsculo conta-gotas. "Aproveitamos a pressão capilar, que suga as gotas da solução para os núcleos", explicou Li. "A solução seca, deixando o ferro depositado dentro do tubo. Isso adiciona propriedades que são favoráveis ​​em comparação aos núcleos sólidos padrão da indústria, permitindo que esses dispositivos operem em frequência mais alta com menos perda de desempenho."