Forskere udvider mikrochip-kapaciteten med ny 3-D-induktorteknologi

Mindre er bedre, når det kommer til mikrochips, forskere sagde, og ved at bruge 3-D komponenter på en standardiseret 2-D mikrochip fremstillingsplatform, udviklere kan bruge op til 100 gange mindre chipplads. Et team af ingeniører har øget ydeevnen af ​​deres tidligere udviklede 3-D-induktorteknologi ved at tilføje så meget som tre størrelsesordener mere induktion for at opfylde ydeevnekravene til moderne elektroniske enheder.

I en undersøgelse ledet af Xiuling Li, en elektrisk og computeringeniør professor ved University of Illinois og midlertidig direktør for Holonyak Micro and Nanotechnology Laboratory, ingeniører introducerer en mikrochipinduktor, der er i stand til magnetisk induktion i titusinder af millitesla-niveau. Ved at bruge fuldt integreret, selvrullende magnetiske nanopartikelfyldte rør, teknologien sikrer en fortættet magnetfeltfordeling og energilagring i 3D-rum – alt imens den bevarer det lille fodaftryk, der er nødvendigt for at passe på en chip. Resultaterne af undersøgelsen er offentliggjort i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Traditionelle mikrochipinduktorer er relativt store 2D-spiraler af tråd, med hver drejning af ledningen producerer stærkere induktans. I en tidligere undersøgelse, Lis forskergruppe udviklede 3-D-induktorer ved hjælp af 2-D-behandling ved at skifte til et rullet membranparadigme, som giver mulighed for at wire spiraler ud af planet og er adskilt af en isolerende tynd film fra tur til sving. Når den er rullet ud, de tidligere trådmembraner var 1 millimeter lange, men optog 100 gange mindre plads end de traditionelle 2-D induktorer. Trådmembranerne rapporteret i dette arbejde er 10 gange længden ved 1 centimeter, giver mulighed for endnu flere drejninger – og højere induktans – samtidig med at den fylder omtrent den samme mængde chipplads.

"En længere membran betyder mere uregerlig rulning, hvis den ikke kontrolleres, " sagde Li. "Tidligere, selvrulningsprocessen blev udløst og foregik i en flydende opløsning. Imidlertid, vi fandt ud af, at mens vi arbejdede med længere membraner, at lade processen foregå i en dampfase gav os meget bedre kontrol til at danne tættere, mere jævne ruller."

En anden vigtig udvikling i de nye mikrochipspoler er tilføjelsen af ​​en solid jernkerne. "De mest effektive induktorer er typisk en jernkerne omviklet med metaltråd, som fungerer godt i elektroniske kredsløb, hvor størrelsen ikke er så vigtig i betragtning, " sagde Li. "Men det virker ikke på mikrochipniveau, det er heller ikke befordrende for selvrullende processen, så vi var nødt til at finde en anden måde."

At gøre dette, forskerne fyldte de allerede rullede membraner med en opløsning af nanopartikler af jernoxid ved hjælp af en lille dråbe.

"Vi udnytter kapillartrykket, som suger dråber af opløsningen ind i kernerne, " sagde Li. "Opløsningen tørrer, efterlader jern aflejret inde i røret. Dette tilføjer egenskaber, der er gunstige sammenlignet med industristandard solide kerner, giver disse enheder mulighed for at fungere ved højere frekvens med mindre ydeevnetab."

Selvom et betydeligt fremskridt i forhold til tidligere teknologi, de nye mikrochipspoler har stadig en række problemer, som teamet tager fat på, sagde Li.

"Som med enhver miniaturiseret elektronisk enhed, den store udfordring er varmeafledning, " sagde hun. "Vi løser dette ved at arbejde med samarbejdspartnere for at finde materialer, der er bedre til at sprede den varme, der genereres under induktion. Hvis det rettes korrekt, den magnetiske induktion af disse enheder kan være så stor som hundreder til tusinder af millitesla, gør dem nyttige i en lang række applikationer, herunder kraftelektronik, magnetisk resonansbilleddannelse og kommunikation."