Die University of Illinois entwickelt einen 3D-Mikrochip-Induktor zur vollständigen Nutzung des 3D-Strukturraums

Die in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlichte Forschung zeigte, dass der neue Induktor durch die Verwendung vollständig integrierter, selbstrollender, mit magnetischen Nanopartikeln gefüllter Röhren eine verdichtete Magnetfeldverteilung sowie Energiespeicherung im 3D-Raum gewährleisten kann – und zwar gleichzeitig Gleichzeitig bleibt die winzige Stellfläche erhalten, die erforderlich ist, um auf einen Chip zu passen.

Das Team hinter der neuen Studie wurde von Xiuling Li geleitet, einem Professor für Elektro- und Computertechnik an der University of Illinois und Interimsdirektor des Holonyak Micro & Nanotechnology Laboratory.

Seit Jahrzehnten arbeiten Ingenieure daran, Mikrochips kleiner zu machen.

Viele der technologischen Fortschritte in der Smartphone-Technologie – und allgemeiner im IoT – wären ohne die Miniaturisierung mehrerer elektronischer Komponenten nicht möglich gewesen. Insbesondere bei der Betrachtung von Mikrochip-Induktoren fällt auf, dass diese Komponenten meist aus 2D-Drahtspiralen bestehen. Jede Windung des Drahtes erzeugt eine stärkere Induktivität.

Dabei handelt es sich um eine komplexe Technologie, die die Elektronik in den letzten Jahren stetig verbessert hat. Allerdings bedeutet eine 2D-Struktur auch, dass es auf der zweidimensionalen Oberfläche von Chips eine Platzbeschränkung gibt.

Forscher haben versucht, mit 3D-Strukturen zu experimentieren, um diese Hindernisse zu umgehen, doch ihre Erfolge werden derzeit durch die vorhandenen Fähigkeiten in der Konstruktion dreidimensionaler Strukturen, der Stromhandhabung und der Integration magnetischer Materialien eingeschränkt. Aufbauend auf einer früheren Studie erstellte das Team von Xiuling Li 3D-Induktoren mithilfe der 2D-Verarbeitung, indem es auf die Nanotechnologie mit selbstaufgerollten Membranen umstieg, die es ermöglicht, dass Drähte spiralförmig aus der Ebene herausgeführt werden und durch einen isolierenden dünnen Film von Windung zu Windung geteilt werden.

Im vollständig ausgerollten Zustand waren die Drahtmembranen 1 Millimeter lang (etwa 100 Mal kleiner als herkömmliche 2D-Induktoren). „Eine längere Membran bedeutet ein unbändigeres Rollen, wenn es nicht kontrolliert wird“, erklärte Li.

„Früher wurde der Selbstrollprozess ausgelöst und fand in einer flüssigen Lösung statt“, fügte sie hinzu. „Wir haben jedoch festgestellt, dass wir bei der Arbeit mit längeren Membranen durch die Durchführung des Prozesses in der Dampfphase eine viel bessere Kontrolle hatten, um dichtere, gleichmäßigere Rollen zu bilden.“ Mit anderen Worten: Durch die Verwendung dieser 3D-Komponenten auf standardisierten 2D-Mikrochips sollten Entwickler in der Lage sein, bis zu 100-mal weniger Chipplatz zu nutzen.

Grundsätzlich ist ein Induktor eine passive elektrische Komponente mit zwei Anschlüssen, die Energie in einem Magnetfeld speichert, wenn elektrischer Strom durch sie fließt.

Dabei entsteht ein Zusammenhang zwischen der Richtung des magnetischen Flusses, der um den Leiter zirkuliert, und der Richtung des Stroms, der durch denselben Leiter fließt. Dieses Phänomen wird „Flemings rechte Handregel“ genannt. Durch die Bewegung des magnetischen Flusses wird in derselben Spule auch eine Sekundärspannung induziert, da diese jeglichen Änderungen im elektrischen Strom, die seinen Fluss erleichtern, Widerstand leistet oder ihnen entgegenwirkt.

Induktoren bestehen normalerweise aus Draht, der stark um einen zentralen Kern gewickelt ist, der häufig die Form eines geraden zylindrischen Stabs oder eines kontinuierlichen Rings oder einer Schleife hat, um den magnetischen Fluss zu konzentrieren. Im Fall von Mikrochip-Induktoren bestehen sie typischerweise aus Eisen oder Ferrit und werden mit Lotpaste auf der Oberseite einer Leiterplatte (PCB) platziert und dann verlötet.

„Die effizientesten Induktoren sind typischerweise ein mit Metalldraht umwickelter Eisenkern, der gut in elektronischen Schaltkreisen funktioniert, bei denen die Größe keine so wichtige Rolle spielt“, kommentierte Li die neuen Erkenntnisse. „Aber das funktioniert auf Mikrochip-Ebene nicht und ist auch nicht förderlich für den Selbstrollprozess, also mussten wir einen anderen Weg finden“, fügte sie hinzu.

Um dieses Problem zu lösen, füllten die Forscher die bereits gerollten Membranen mit einer winzigen Pipette mit einer Eisenoxid-Nanopartikellösung. „Wir machen uns den Kapillardruck zunutze, der Tröpfchen der Lösung in die Kerne saugt“, erklärte Li. „Die Lösung trocknet und hinterlässt Eisenablagerungen im Inneren der Röhre. Dies führt zu vorteilhaften Eigenschaften im Vergleich zu Industriestandard-Massivkernen, sodass diese Geräte mit höherer Frequenz und weniger Leistungsverlust arbeiten können.“

Chip-Induktivitäten werden hauptsächlich in elektrischen und elektronischen Geräten verwendet, die für die Übertragung und den Empfang von Hochfrequenzsignalen an und von anderen Geräten konzipiert sind. Aufgrund dieser Fähigkeiten und kompakten Größe werden sie häufig in Stromleitungen, HF-Transceivern, Computern und sogar in Mikrochips eingesetzt, die Tieren implantiert werden.

Während die neuen Erkenntnisse ein interessantes Potenzial für zukünftige Mikrochip-Leistungen darstellen, sagte Li, dass die neuen Mikrochip-Induktoren noch eine Reihe von Problemen mit sich bringen, die angegangen werden müssen. „Wie bei jedem miniaturisierten elektronischen Gerät besteht die große Herausforderung in der Wärmeableitung“, sagte sie.

Li erklärte, wie das Team derzeit mit Mitarbeitern der Stanford University, der Hefei University of Technology (China) und der University of Twente (Niederlande) zusammenarbeitet, um Materialien zu finden, die die bei der Induktion entstehende Wärme besser ableiten können.

„Bei richtiger Handhabung könnte die magnetische Induktion dieser Geräte Hunderte bis Tausende von Millitesla betragen“, schätzte Li, „was sie für ein breites Anwendungsspektrum einschließlich Leistungselektronik, Magnetresonanztomographie und Kommunikation nützlich macht.“