Microinduttori 3D per miniaturizzare i circuiti a radio frequenza

Gli induttori sono componenti essenziali dei circuiti integrati a radiofrequenza, utilizzati per esempio nei sistemi di comunicazione wireless, nei sensori, nei radar e in numerosi dispositivi elettronici ad alta frequenza. A differenza di altri componenti elettronici, tuttavia, gli induttori richiedono ancora una superficie considerevole sul chip e rappresentano quindi uno dei principali ostacoli alla miniaturizzazione dei circuiti. Aumentare il numero di componenti mantenendo dimensioni ridotte è quindi una sfida tecnologica ed economica.
Uno studio dell’Università di Pisa propone un metodo innovativo per superare questo limite: realizzare microinduttori metallici tridimensionali stampati direttamente sopra i contatti e le interconnesioni già presenti sul chip, sfruttando la terza dimensione anziché occupare ulteriore superficie. Questo metodo apre la strada alla realizzazione di circuiti integrati a radiofrequenza più compatti, scalabili e potenzialmente meno costosi. Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications e ha visto la collaborazione del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione e del CISUP (Centro per l’Integrazione della Strumentazione Scientifica) dell’Università di Pisa.
“Nei moderni circuiti a radiofrequenza – spiega Alessandro Paghi, post-doc presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione al tempo dello studio e ora ricercatore alla Scuola Normale Superiore – gli induttori possono occupare tra il 20 e il 50% della superficie di un chip. Riuscire a ridurne l’ingombro è quindi fondamentale per contenere le dimensioni e i costi dei chip e aumentare in numero di componenti integrabili a parità di area. Nel lavoro pubblicato proponiamo un approccio diverso: invece di realizzare gli induttori sul piano del chip, li stampiamo direttamente sopra i contatti elettrici, sviluppandoli nella terza dimensione.”
Per farlo, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica di microstampa 3D del metallo che si basa sull’elettrodeposizione ad alta precisione, un processo che consente di far crescere microstrutture in metallo in posizioni definite e con geometrie controllate.
“Il punto chiave – aggiunge Giuseppe Barillaro, docente di Elettronica all’Università di Pisa e coordinatore dello studio –  è disaccoppiare il valore dell’induttanza dalla superficie occupata sul chip. Stampando la microbobina nella terza dimensione, si possono ottenere le proprietà elettriche desiderate senza richiedere ulteriore superficie rispetto a quella già utilizzata dai contatti. In altre parole, l’induttore non compete più necessariamente con gli altri componenti per lo spazio disponibile sul chip.”
I microinduttori realizzati hanno mostrato prestazioni competitive con quelle delle principali tecnologie attualmente disponibili, pur eliminando l’area aggiuntiva normalmente necessaria per integrare l’induttore sul chip.
Uno degli aspetti più interessanti della tecnica proposta è la possibilità realizzare le microbobine su chip di fabbricazione standard, senza dover introdurre cambiamenti sostanziali nel processo di produzione. La stampa tridimensionale dei microinduttori può infatti intervenire in una fase successiva, aprendo anche alla possibilità di aggiungere componenti passivi e personalizzare le prestazioni di un chip dopo la sua fabbricazione.
“Questa tecnologia – conclude Farbod Abazar, post-doc presso l’Università di Pisa e co-autore dello studio – potrebbe trovare applicazione in numerosi ambiti, dai moduli per comunicazioni wireless alle reti 5G e oltre il 5G, dai sistemi radar all’Internet of Things e ai circuiti a microonde. In prospettiva, questo approccio può contribuire ad aumentare la densità di integrazione e a ridurre dimensioni e costi dei circuiti a radiofrequenza”.
Nel complesso, gli induttori tridimensionali realizzati direttamente sui contatti del chip rappresentano una possibile evoluzione dei componenti a radiofrequenza. Portando la microbobina “fuori dal piano”, questa soluzione affronta uno dei limiti più significativi della miniaturizzazione dei circuiti a radio frequenza e apre la strada a circuiti più piccoli, scalabili e potenzialmente meno costosi.