Design and Fabrication of Bond Wire Micro-Magnetics

This thesis presents a new approach for the design and fabrication of bond wire magnetics for power converter applications by using standard IC gold bonding wires and micro-machined magnetic cores. It shows a systematic design and characterization study for bond wire transformers with toroidal and race-track cores for both PCB and silicon substrates. Measurement results show that the use of ferrite cores increases the secondary self-inductance up to 315 µH with a Q-factor up to 24.5 at 100 kHz. Measurement results on LTCC core report an enhancement of the secondary self-inductance up to 23 µH with a Q-factor up to 10.5 at 1.4 MHz. A resonant DC-DC converter is designed in 0.32 µm BCD6s technology at STMicroelectronics with a depletion nmosfet and a bond wire micro-transformer for EH applications. Measures report that the circuit begins to oscillate from a TEG voltage of 280 mV while starts to convert from an input down to 330 mV to a rectified output of 0.8 V at an input of 400 mV. Bond wire magnetics is a cost-effective approach that enables a flexible design of inductors and transformers with high inductance and high turns ratio. Additionally, it supports the development of magnetics on top of the IC active circuitry for package and wafer level integrations, thus enabling the design of high density power components. This makes possible the evolution of PwrSiP and PwrSoC with reliable highly efficient magnetics.

Caratterizzazione e simulazione di processi di colata in sabbia di ghise sferoidali

L’oggetto principale delle attività di tesi è la caratterizzazione numerico-sperimentale di processi di colata in sabbia di ghisa sferoidale. Inizialmente è stata effettuata un’approfondita indagine bibliografica per comprendere appieno le problematiche relative all’influenza dei parametri del processo fusorio (composizione chimica, trattamento del bagno, velocità di raffreddamento) sulle proprietà microstrutturali e meccaniche di getti ottenuti e per valutare lo stato dell’arte degli strumenti numerici di simulazione delle dinamiche di solidificazione e di previsione delle microstrutture. Sono state definite, realizzate ed impiegate attrezzature sperimentali di colata per la caratterizzazione di leghe rivolte alla misura ed alla differenziazione delle condizioni di processo, in particolare le velocità di raffreddamento, ed atte a validare strumenti di simulazione numerica e modelli previsionali. Inoltre sono stati progettati ed impiegati diversi sistemi per l’acquisizione ed analisi delle temperature all’interno di getti anche di grandi dimensioni. Lo studio, mediante analisi metallografica, di campioni di materiale ottenuto in condizioni differenziate ha confermato l’effetto dei parametri di processo considerati sulle proprietà microstrutturali quali dimensioni dei noduli di grafite e contenuto di ferrite e perlite. In getti di grandi dimensioni si è riscontrata anche una forte influenza dei fenomeni di macrosegregazione e convezione della lega su microstrutture e difettologie dei getti. Le attività si sono concentrate principalmente nella simulazione numerica FEM dei processi fusori studiati e nell’impiego di modelli empirico-analitici per la previsione delle microstrutture. I dati misurati di temperature di processo e di microstrutture sono stati impiegati per la validazione ed ottimizzazione degli strumenti numerici previsionali impiegati su un ampio intervallo di condizioni di processo. L’impiego di strumenti affidabili di simulazione del processo fusorio, attraverso l’implementazione di correlazioni sperimentali microstrutture-proprietà meccaniche, permette la valutazione di proprietà e difettologie dei getti, fornendo un valido aiuto nell’ottimizzazione del prodotto finito e del relativo processo produttivo.