Integrierte Induktivitäten mit weichmagnetischem Kern basierend auf der Powder-MEMS-Technologie
Die am Fraunhofer ISIT entwickelte Powder-MEMS-Technologie bietet eine Vielzahl an Möglichkeiten bei der Herstellung von Induktivitäten und Transformatoren mit magnetischem Kern auf einem Substrat (z.B. Silizium, FR4) für Hochfrequenzanwendungen.
Das weichmagnetische Pulver wird durch Atomlagenabscheidung (ALD) in den Kavitäten agglomeriert. Dadurch werden die weichmagnetischen Partikel (Durchmesser 1-20µm) mittels einer dünnen dielektrischen Schicht (50nm) verfestigt, so dass die Partikel untereinander nur an den Kontaktflächen elektrisch miteinander verbunden sind und folglich kaum Wirbelströme zulassen. Somit bieten diese Bauteile große Vorteile in hochfrequenten Anwendungen (Schaltnetzteile mit 1-100MHz). Durch das Herstellungsverfahren sind Betriebstemperaturen der Induktivitäten bis 400°C möglich, so dass eine neue Stufe der Integration und das Erreichen höherer Leistungsdichten in Produkten wie einer Stromversorgung in einem Chip oder Gehäuse erreicht werden können.
Aufgrund dieser back-end-of-line kompatiblen Methode bieten sich großartige Möglichkeiten für Integrations-Lösungen. Speziell für hochfrequente Schaltnetzteile (SMPS, POL Konvertern) lassen sich aus elektrischer und thermischer Sicht viele Vorteile durch die Integration erzielen, um somit höhere Leistungsdichten in den Spannungsversorgungen typischer Anwendungen, wie smart homes, IoT, multimedia consumer market usw. zu erreichen.
Pulver-MEMS-Technologie meets Leistungselektronik
PowderMEMS Use case: Mikrospulen in einem DC/DC-Wandler
Entwicklung und Untersuchung von Mikrospulen (80-200nH) für hochfrequente Anwendungen (1-80MHz)
Entwicklung von Simulationstools und Erzeugung von Materialparametern für zukünftige Spulen-Designs
Inbetriebnahme eines DC/DC-Wandlers (20MHz) mit Mikrospule
Passive Bauelemente für Schaltnetzteile (Mikrospulen)
Durch die Anwendung der Pulvertechnologie für weichmagnetische Kerne einer Spule und dem Einsatz einer Mikrospule in einem DC/DC-Wandler
Ziel: Integrationslösung von Spule und weiteren Bauelementen
Leistungsdichte
Reduzierung parasitärer Größen
Optimierte Kühlung
„Power supply on-a-chip“
Optimierte Spulen/Trafo-Designs
Aufbau der Spulen-Samples
Befüllung der Kavitäten mit weichmagnetischem Pulver
REM-Untersuchungen
Wicklung mit 8 Windungen aus Kupferdraht (50µm – 220µm)
Charakterisierung der Spulen-Samples
Weichmagnetischer Fe-Spulenkern
Handgewickelte Spulen mit 100µm Kupferdraht auf einem Impedanzanalyser (Agilent 4294A) von 100kHz bis 100MHz
Untersuchungen mittels FEM-Simulationen
Software: Comsol Multiphysics
Elektromagnetische Untersuchungen
Thermische Untersuchungen
Prototyp – Effizienter Hochsetzsteller als proof-of-concept
Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie
