L'Université de l'Illinois développe un inducteur de micropuce 3D pour utiliser pleinement l'espace de structure 3D

La recherche, qui a été publiée dans la revue Science Advances, a montré qu'en utilisant des tubes remplis de nanoparticules magnétiques entièrement intégrés et auto-roulants, le nouvel inducteur peut assurer une distribution de champ magnétique condensé ainsi qu'un stockage d'énergie dans l'espace 3D, tout en tout en conservant la petite empreinte nécessaire pour tenir sur une puce.

L'équipe à l'origine de la nouvelle étude était dirigée par Xiuling Li, professeur de génie électrique et informatique à l'Université de l'Illinois et directeur par intérim du Holonyak Micro & Nanotechnology Laboratory.

Les ingénieurs travaillent depuis des décennies à rendre les micropuces plus petites.

De nombreuses avancées technologiques dans la technologie des smartphones - et plus généralement, l'IoT - n'auraient pas été possibles sans la miniaturisation de plusieurs composants électroniques. Lorsque l'on regarde les inductances des micropuces, en particulier, on remarque que ces composants sont généralement constitués de spirales de fil 2D. Chaque tour de fil crée une inductance plus forte.

Il s'agit d'une technologie complexe qui a constamment amélioré l'électronique au cours des dernières années. Néanmoins, une structure 2D signifie également qu'il y a une limite d'espace sur la surface bidimensionnelle des puces.

Les chercheurs ont tenté d'expérimenter des structures 3D pour contourner ces obstacles, mais leurs succès sont actuellement limités par les capacités existantes en matière de construction de structures tridimensionnelles, de gestion du courant et d'intégration de matériaux magnétiques. S'appuyant sur une étude précédente, l'équipe de Xiuling Li a créé des inducteurs 3D utilisant le traitement 2D en passant à la nanotechnologie à membrane auto-enroulée, qui permet au fil de sortir en spirale du plan et est divisé par un film mince isolant d'une spire à l'autre.

Lorsqu'elles étaient entièrement déroulées, les membranes métalliques mesuraient 1 millimètre de long (environ 100 fois plus petites que les inducteurs 2D traditionnels). "Une membrane plus longue signifie un roulement plus indiscipliné s'il n'est pas contrôlé", a expliqué Li.

"Auparavant, le processus d'auto-roulage était déclenché et se déroulait dans une solution liquide", a-t-elle ajouté. "Cependant, nous avons constaté que tout en travaillant avec des membranes plus longues, le fait de permettre au processus de se produire en phase vapeur nous donnait un bien meilleur contrôle pour former des rouleaux plus serrés et plus réguliers." En d'autres termes, en utilisant ces composants 3D sur des puces 2D standardisées, les développeurs devraient pouvoir utiliser jusqu'à 100 fois moins d'espace sur la puce.

À la base, un inducteur est un composant électrique passif à deux bornes stockant de l'énergie dans un champ magnétique lorsqu'un courant électrique le traverse.

Lorsque cela se produit, une relation se crée entre la direction du flux magnétique, qui circule autour du conducteur, et la direction du courant circulant dans ce même conducteur. Ce phénomène est appelé "règle de la main droite de Fleming". Une tension secondaire est également induite dans la même bobine par le mouvement du flux magnétique car il résiste ou s'oppose à tout changement du courant électrique qui facilite son écoulement.

Les inducteurs sont généralement formés avec un fil fortement enroulé autour d'un noyau central, qui a souvent la forme d'une tige cylindrique droite ou d'un anneau ou d'une boucle continue pour concentrer leur flux magnétique. Dans le cas des inductances à micropuce, elles sont généralement constituées de fer ou de ferrite et sont placées sur le dessus d'une carte de circuit imprimé (PCB) avec de la pâte à souder, puis soudées.

"Les inducteurs les plus efficaces sont généralement un noyau de fer enveloppé de fil métallique, qui fonctionne bien dans les circuits électroniques où la taille n'est pas une considération aussi importante", a déclaré Li, commentant les nouvelles découvertes. "Mais cela ne fonctionne pas au niveau de la micropuce, et cela ne favorise pas non plus le processus d'auto-roulage, nous devions donc trouver un moyen différent", a-t-elle ajouté.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont rempli les membranes déjà enroulées avec une solution de nanoparticules d'oxyde de fer à l'aide d'un minuscule compte-gouttes. "Nous profitons de la pression capillaire, qui aspire les gouttelettes de la solution dans les noyaux", a expliqué Li. "La solution sèche, laissant le fer se déposer à l'intérieur du tube. Cela ajoute des propriétés favorables par rapport aux noyaux solides standard de l'industrie, permettant à ces appareils de fonctionner à une fréquence plus élevée avec moins de perte de performances."

Les inductances à puce sont principalement utilisées dans les appareils électriques et électroniques conçus pour transmettre et recevoir des signaux de radiofréquences vers et depuis d'autres appareils. Grâce à ces capacités et à leur taille compacte, ils sont souvent utilisés dans les lignes électriques, les émetteurs-récepteurs RF, les ordinateurs et même dans les micropuces implantées chez les animaux.

Alors que les nouvelles découvertes présentent un potentiel intéressant pour les performances futures des micropuces, Li a déclaré que les nouveaux inducteurs de micropuces ont encore une variété de problèmes qui doivent être résolus. "Comme pour tout appareil électronique miniaturisé, le grand défi est la dissipation de la chaleur", a-t-elle déclaré.

Li a expliqué comment l'équipe travaille actuellement avec des collaborateurs de l'Université de Stanford, de l'Université de technologie de Hefei, en Chine, et de l'Université de Twente, aux Pays-Bas, pour trouver des matériaux qui dissipent mieux la chaleur générée lors de l'induction.

"Si elle est correctement traitée, l'induction magnétique de ces appareils pourrait atteindre des centaines, voire des milliers de millitesla", a estimé Li, "ce qui les rend utiles dans un large éventail d'applications, notamment l'électronique de puissance, l'imagerie par résonance magnétique et les communications".