La Universidad de Illinois desarrolla un inductor de microchip 3D para utilizar completamente el espacio de estructura 3D

La investigación, que se publicó en la revista Science Advances, mostró que mediante el uso de tubos llenos de nanopartículas magnéticas autoenrollantes totalmente integrados, el nuevo inductor puede garantizar una distribución de campo magnético condensado, así como el almacenamiento de energía en el espacio 3D, mientras al mismo tiempo, mantiene la pequeña huella requerida para caber en un chip.

El equipo detrás del nuevo estudio fue dirigido por Xiuling Li, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Illinois y director interino del Laboratorio de Micro y Nanotecnología de Holonyak.

Los ingenieros han estado trabajando en la fabricación de microchips más pequeños durante décadas.

Muchos de los avances tecnológicos en la tecnología de teléfonos inteligentes y, en general, el IoT, no habrían sido posibles sin la miniaturización de varios componentes electrónicos. Al observar los inductores de microchips, en particular, se nota que estos componentes generalmente están hechos de espirales de alambre 2D. Cada vuelta del cable crea una inductancia más fuerte.

Esta es una tecnología compleja que ha mejorado la electrónica consistentemente en los últimos años. No obstante, una estructura 2D también significa que hay un límite de espacio en la superficie bidimensional de los chips.

Los investigadores han tratado de experimentar con estructuras 3D para eludir estos obstáculos, pero sus éxitos actualmente se ven limitados por las capacidades existentes en la construcción de estructuras tridimensionales, el manejo de corriente y la integración de materiales magnéticos. Sobre la base de un estudio anterior, el equipo de Xiuling Li creó inductores 3D utilizando procesamiento 2D al cambiar a nanotecnología de membrana autoenrollable, que permite que el cable salga del plano en espiral y se divida por una película delgada aislante de vuelta a vuelta.

Cuando se desenrollaron por completo, las membranas de alambre tenían 1 milímetro de largo (alrededor de 100 veces más pequeñas que los inductores 2D tradicionales). "Una membrana más larga significa un balanceo más rebelde si no se controla", explicó Li.

“Anteriormente, el proceso de autolaminación se activaba y se realizaba en una solución líquida”, agregó. "Sin embargo, descubrimos que mientras trabajábamos con membranas más largas, permitir que el proceso ocurriera en una fase de vapor nos dio un control mucho mejor para formar rollos más apretados y uniformes". En otras palabras, al usar estos componentes 3D en microchips 2D estandarizados, los desarrolladores deberían poder usar hasta 100 veces menos espacio en el chip.

En un nivel básico, un inductor es un componente eléctrico pasivo de dos terminales que almacena energía en un campo magnético cuando la corriente eléctrica fluye a través de él.

Mientras esto sucede, se crea una relación entre la dirección del flujo magnético que circula alrededor del conductor y la dirección de la corriente que fluye a través del mismo conductor. Este fenómeno se llama "regla de la mano derecha de Fleming". También se induce un voltaje secundario en la misma bobina por el movimiento del flujo magnético a medida que resiste o se opone a cualquier cambio en la corriente eléctrica que facilita su flujo.

Los inductores generalmente se forman con alambre fuertemente envuelto alrededor de un núcleo central, que a menudo tiene la forma de una varilla cilíndrica recta o un anillo o bucle continuo para concentrar su flujo magnético. En el caso de los inductores de microchip, generalmente están hechos de hierro o ferrita y se colocan en la parte superior de una placa de circuito impreso (PCB) con pasta de soldadura y luego se sueldan.

"Los inductores más eficientes suelen ser un núcleo de hierro envuelto con alambre de metal, que funciona bien en circuitos electrónicos donde el tamaño no es una consideración tan importante", dijo Li, al comentar sobre los nuevos hallazgos. "Pero eso no funciona a nivel de microchip, ni es propicio para el proceso de autodesplazamiento, por lo que necesitábamos encontrar una forma diferente", agregó.

Para resolver este problema, los investigadores llenaron las membranas ya enrolladas con una solución de nanopartículas de óxido de hierro usando un pequeño gotero. "Aprovechamos la presión capilar, que succiona gotas de la solución hacia los núcleos", explicó Li. "La solución se seca, dejando el hierro depositado dentro del tubo. Esto agrega propiedades que son favorables en comparación con los núcleos sólidos estándar de la industria, lo que permite que estos dispositivos funcionen a una frecuencia más alta con menos pérdida de rendimiento".

Los inductores de chip se utilizan principalmente en dispositivos electrónicos y de energía eléctrica diseñados para transmitir y recibir señales de radiofrecuencia hacia y desde otros dispositivos. De estas capacidades y tamaño compacto, a menudo se usan en líneas eléctricas, transceptores de RF, computadoras e incluso en microchips implantados en animales.

Si bien los nuevos hallazgos presentan un potencial interesante para el rendimiento futuro de los microchips, Li dijo que los nuevos inductores de microchips todavía tienen una variedad de problemas que deben abordarse. "Al igual que con cualquier dispositivo electrónico miniaturizado, el gran desafío es la disipación de calor", dijo.

Li explicó cómo el equipo está trabajando actualmente con colaboradores de la Universidad de Stanford, la Universidad Tecnológica de Hefei, China, y la Universidad de Twente, Países Bajos, para encontrar materiales que disipen mejor el calor generado durante la inducción.

"Si se aborda adecuadamente, la inducción magnética de estos dispositivos podría ser tan grande como cientos o miles de militesla", estimó Li, "haciéndolos útiles en una amplia gama de aplicaciones que incluyen electrónica de potencia, imágenes de resonancia magnética y comunicaciones".