Geavanceerde switches bouwen voort op technische geschiedenis

Geavanceerde switches overwinnen traditionele tekortkomingen om snelle werking, langere levensduur en hoog vermogen te leveren prestaties en microscopisch kleine pakketgrootte.

Solid-state schakelaars en elektromechanische relais helpen bij het beheren van stroom in alles met een elektrische stroom. Ondanks hun alomtegenwoordigheid hebben traditionele schakelaars en relais grote tekortkomingen, waaronder energieverlies, kosten, gewicht, grootte, prestaties en betrouwbaarheid. Deze inherente beperkingen brengen het vermogen in gevaar om de volgende generatie 5G-netwerken te ontwerpen en in te zetten en de elektrificatie van alles - de snelle overgang naar elektrische voertuigen, duurzame energiebronnen en een slimmer elektrisch netwerk.

Menlo Micro heeft de beperkingen van solid-state schakelaars en mechanische relais overwonnen met een micromechanisch schakelaarontwerp dat gebruikmaakt van Corning HPFS Fused Silica glass (HPFS) materialen en met koper gevulde through-glass-via (TGV) technologie. Deze casestudy laat zien hoe Menlo Micro samenwerkte met Corning's Precision Glass Solutions om switchproducten te maken op basis van Corning's HPFS-glas. De resulterende Ideal Switch-producten kunnen tot 1000x sneller werken dan mechanische relais, kunnen een langere levensduur hebben, kunnen kilowatt aan vermogen aan en zijn gebouwd in een microstructuur die kleiner is dan een mensenhaar, waardoor micromechanische schakelaars kunnen worden gemaakt die tientallen jaren kunnen werken. omstandigheden met hoge stress.

Een nieuw type relais

Technologie maakt enorme sprongen voorwaarts, aangezien het internet der dingen, kunstmatige intelligentie, 5G-connectiviteit en de elektrificatie van alles de manier veranderen waarop we verbinding maken, informatie delen en de wereld om ons heen begrijpen en beheersen. Om deze sprong voorwaarts te maken, moeten we micro-elektronica op nieuwe en ontwrichtende manieren ontwerpen en bouwen.

Een voorbeeld:we hebben schakelaars en relais van de volgende generatie nodig die sneller, kleiner, veerkrachtiger en energiezuiniger zijn dan traditionele solid-state en elektromechanische apparaten. Solid-state switches zijn gebaseerd op CMOS-procestechnologie die de meeste geïntegreerde schakelingen (IC's) op siliciumwafels laat vervaardigen. Omdat silicium echter een halfgeleidermateriaal is (d.w.z. een gedeeltelijke geleider), is het niet erg efficiënt en onderhevig aan lekkage, wat resulteert in aanzienlijk energieverlies en warmteafvoer. Hoewel micro-elektronica-ingenieurs de isolatieprestaties in CMOS naar een hoger niveau kunnen tillen, stuiten ze uiteindelijk op fundamentele natuurkundige problemen. Er zijn grenzen aan wat kan worden bereikt met siliciumwafels om de energie-efficiëntie te optimaliseren en lekkage te minimaliseren. En met meer geavanceerde technologieën en toepassingen, zoals 5G New Radio, zullen deze beperkingen nog duidelijker worden. Het probleem met elektromechanische schakelaars komt neer op de noodzaak om de grootte, het gewicht, het vermogen en de kosten (SWaP-C) te verminderen. Deze reducties zullen van fundamenteel belang zijn om het energieverbruik te verminderen en de overgang naar de volgende generatie 5G-infrastructuur, medische technologie en elektrische voertuigen te versnellen. Een belangrijke sleutel tot het oplossen van deze uitdagingen ligt bij innovaties in de materiaalwetenschap en een algemeen verkrijgbaar materiaal:glas.

Glas is een isolator; ideaal materiaal als diëlektrisch substraat voor schakelaars om siliciumwafels met hoge weerstand (HR-Si) te vervangen. Glas heeft een soortelijke weerstand die meerdere orden van grootte hoger is dan HR-Si, wat betekent dat er geen elektriciteit doorheen kan en er geen energie verloren gaat. De samenwerking van Corning met Menlo Micro vergroot de mogelijkheden van wat kan worden bereikt met glaswafels.

Corning en Menlo Micro-samenwerking

(Bron afbeelding:Menlo Micro)

Corning en Menlo Micro delen een historische band met een van de grootste uitvinders aller tijden, Thomas Edison, de zogenaamde 'Wizard of Menlo Park'. Menlo Micro is ontstaan ​​uit een decenniumlange onderzoeksinspanning bij het door Edison opgerichte General Electric (GE). Zowel Corning als Menlo Micro zijn gericht op het opnieuw uitvinden van iets dat Edison in de jaren 1800 pionierde:het mechanische relais.

Een relais is een elektrisch bediende schakelaar die wordt gebruikt om alles wat met elektrische stroom werkt te regelen, van stroom te voorzien en te beschermen. Schakelaars zijn cruciale componenten in bijna elk elektrisch apparaat dat we tegenwoordig gebruiken. Er zijn twee traditionele soorten schakelaars en relais - elektromechanisch en solid-state - en beide hebben grote tekortkomingen. Elektromechanische schakelaars kunnen een hoog vermogen aan, maar ze zijn groot, traag, onhandig en notoir onbetrouwbaar. Hoewel solid-state schakelaars klein, snel en betrouwbaar zijn, lekken ze stroom en genereren ze warmte omdat ze, als halfgeleiderapparaten, nooit volledig "uit" zijn.

Ingenieurs proberen deze tekortkomingen al tientallen jaren te verhelpen, maar het eindresultaat is een reeks compromissen geweest in plaats van een bijna perfecte oplossing voor de fundamentele uitdagingen van solid-state schakelaars en mechanische relais.

Menlo Micro heeft een micromechanische schakeltechnologie ontwikkeld die de belangrijkste problemen met bestaande schakelaars en relais oplost. Menlo Micro-schakelaars zijn kleiner, lichter, sneller, efficiënter, beter in staat om een ​​hoog vermogen aan te kunnen en hebben een langere levensduur dan elektromechanische relais. Ze zijn ook RF-vriendelijker (voor een hogere lineariteit) dan halfgeleiderschakelaars. Deze nieuwe schakeltechnologie kan worden toegepast op een breed scala aan toepassingen, van medische apparaten en communicatie-infrastructuur tot ruimtevaart en consumentenelektronica.

Menlo Micro was in staat om de switch-uitdaging op te lossen, mede dankzij de technologische samenwerking met Corning. De Menlo Micro-schakelaar is gebouwd op zeer zuiver silicaglas van Corning, wat een kleiner, energiezuiniger schakelaarontwerp mogelijk maakt. Menlo Micro heeft ook nog een glaslaag bovenop de schakelaar toegevoegd met kleine met koper gevulde gaten die bekend staan ​​​​als doorgaande glazen via's (TGV's), die zijn ontworpen om stroom van en naar de schakelaar te leiden. Door het signaal door glas te verzenden, wordt de afstand die elektriciteit moet afleggen met 70% kleiner, waardoor de grootte en de kosten van het relais worden verminderd en de elektrische prestaties worden verbeterd.

Technische basis

De oprichters van Menlo Micro begonnen hun onderzoeks- en ontwikkelingswerk met Corning toen ze nog GE-medewerkers waren. Het team heeft jarenlang een glasproces van de grond af aan ontwikkeld. Met meer dan $ 40 miljoen aan steun van GE en meer dan 12 jaar R&D, ontwikkelde het Menlo Micro-team een ​​technologie die hen uiteindelijk zou leiden naar een oplossing voor de elektronische schakelaar van vandaag. Hun ervaringen bij GE leidden tot een nieuwe manier van denken, wat resulteerde in een nieuwe categorie schakelaars met de capaciteit om de productie van micromechanische schakelaars kosteneffectief op te schalen.

De samenwerking van Menlo Micro met Corning's Precision Glass Solutions speelde een sleutelrol in het nieuwe schakelaarontwerp; Corning's Precision Glass Solutions-divisie is een fabrikant van wafels van gesmolten silicaglas met een hoge zuiverheid. De inherente eigenschappen van glas - uitstekende elektrische prestaties, strakke geometrische toleranties en onberispelijke oppervlaktekwaliteit - maken het een geschikt materiaal voor micro-elektronica van de volgende generatie.

Het Corning/Menlo Micro-team begon hun samenwerking met Corning HPFS Fused Silica glass , dat voor 99,999% zuiver silica (siliciumdioxide) is en consistente, herhaalbare prestaties biedt. Voor de basislaag verwerkte Corning het HPFS-glas tot 8-inch wafers van een halve millimeter dik. Voor de TGV-laag verwerkte Corning een dunnere wafel en gebruikte lasers om 100.000 gaten te boren, elk de helft van de breedte van een mensenhaar, en dat allemaal zonder het glas te kraken en deze gaten uiteindelijk te vullen met koper om elektriciteit door het glas te laten gaan. Het resulterende apparaat met een kleine voetafdruk is 5,6 kubieke mm groot. Deze Menlo Micro-schakelaar biedt het vermogen en de RF-prestaties van een elektromechanisch relais met de grootte, het gewicht, de betrouwbaarheid en de snelheid van een halfgeleiderschakelaar.

Corning en Menlo Micro demonstreerden de integratie van TGV-verpakkingstechnologie, die de ontwikkeling van hoogwaardige RF- en stroomproducten tot ultrakleine wafelverpakkingen mogelijk maakte. TGV stelt Menlo Micro in staat om de omvang van zijn relaisproducten met meer dan 60% te verkleinen in vergelijking met traditionele draadgebonden verpakkingstechnologieën, waardoor het geschikt is voor toepassingen waar een verhoogde kanaaldichtheid en SWaP-C-reducties van cruciaal belang zijn.

Naast een aanzienlijke verkleining van de afmetingen, biedt de TGV-technologie nog andere voordelen voor relaisproducten. Door draadverbindingen te elimineren en ze te vervangen door korte, goed gecontroleerde gemetalliseerde via's, was Menlo Micro in staat om pakketparasitaire stoffen met meer dan 75% te verminderen. Dit ontwerp ondersteunt hogere frequenties, die steeds belangrijker worden in 5G-netwerken, testinstrumentatie en tal van ruimtevaart- en defensietoepassingen. Bovendien zorgen de unieke eigenschappen van glas in vergelijking met traditionele substraatmaterialen zoals silicium (CMOS) voor lagere RF-verliezen en hogere lineariteit, wat zich vertaalt in een lager stroomverbruik en een hogere algehele efficiëntie.

De implementatie van TGV-technologie in hermetisch afgesloten glas elimineert de onnodige onderlinge verbindingen die al tientallen jaren een beperkte schakel- en relaisprestaties hebben. Deze aanpak verbetert ook de prestaties van de switch en reduceert de totale apparaatgrootte en -kosten tot niveaus waar veel toepassingen baat bij hebben.

Menlo Micro en Corning werken momenteel samen om de productie van de schakelaars op te voeren en ze tegelijkertijd kosteneffectiever te maken. Corning heeft interesse gekregen van andere bedrijven die willen profiteren van TGV-technologie voor toepassingen zoals glazen verpakkingen en randloze high-end displays. Corning heeft ook een eigen via ontwerp en proces ontwikkeld om hermetische, koperen verbindingen te leveren die een hoge betrouwbaarheid en kleinere pakketgrootte mogelijk maken, wat een pad opent voor massaproductie van TGV-compatibele apparaten.

Door gebruik te maken van gepatenteerde materialen, ontwerpen en verwerkingstechnieken op waferniveau, heeft de schakeltechnologie van Menlo Micro een hoge betrouwbaarheid aangetoond in toepassingen die doorgaans meer dan 10 miljard schakelhandelingen overschrijden met een routekaart van meer dan 20 miljard, en dit alles terwijl honderden volt en tientallen ampère stroom wordt verwerkt. Deze ontwikkeling in geavanceerde materiaalkunde heeft geresulteerd in een ongekend vermogen (kilowatt) in een micromechanisch apparaat met uitstekende elektrische prestaties, afmetingen, kosten en betrouwbaarheid in vergelijking met traditionele elektromechanische relais en solid-state schakelaars.

Door gebruik te maken van TGV-verpakkingen, ontwikkelt Menlo RF-relayproducten die bandbreedtes van DC-26 GHz verwerken, met een routekaart om verder te gaan dan 50 GHz. Het micromechanische relaisplatform van Menlo Micro maakt RF- en AC/DC-toepassingen mogelijk voor diverse markten, zoals batterijbeheer, domotica, elektrische voertuigen, militaire en professionele radio's, 5G-basisstations en het IoT.

Oplopende productie

Menlo Micro verzendt sinds oktober 2020 producten op basis van zijn switchtechnologie vanuit zijn 8-inch productielijn met hoog volume, en levert tot nu toe aan meer dan 60 leidende klanten. In tegenstelling tot traditionele elektromechanische relais, die één voor één op assemblagelijnen worden gebouwd, kunnen duizenden Menlo Micro-schakelaars tegelijkertijd in een batchproces worden vervaardigd. Menlo Micro gebruikt dezelfde fabricagebenadering als gebruikt door de halfgeleiderindustrie:fabricage op basis van wafels. Dit volledig geautomatiseerde batchproces maakt een enorm schaalbare switchproductie mogelijk.

Conclusie

In zijn 170-jarige geschiedenis heeft Corning vele soorten glasproducten ontwikkeld die nu een brede toepassing hebben in ons dagelijks leven, van de creatie van de eerste gloeilampen tot de verspreiding van geavanceerde glasmaterialen die worden gebruikt in smartphoneschermen en glasvezelkabels. Corning werkt samen met Menlo Micro om het traditionele elektromechanische relais en de solid-state schakelaar te heroverwegen. Samen maken ze kleine, energiezuinige micromechanische schakelaars vervaardigd met zeer zuiver glas een praktische realiteit voor de volgende generatie technologieën die de elektrificatie van alles mogelijk zullen maken.

— Chris Giovanniello is de mede-oprichter en SVP van Worldwide Marketing bij Menlo Micro.

---

Menlo Micro werd gekenmerkt als een van de EE Times top 100 opkomende startups om naar te kijken, nu in zijn 21 ^st editie.

De Silicon 100 is een lijst met startups op het gebied van elektronica en halfgeleiders die het afgelopen jaar onze aandacht hebben getrokken.

Lees de nieuw uitgebrachte Silicon 100 die digitaal beschikbaar is in de EE Times Store.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EE Times Europe.

---

Verwante inhoud:

• 10 factoren om de perfecte schakelaar voor uw toepassing te vinden
• Kleine tactiele schakelaars ondersteunen compacte IoT-ontwerpen
• Intelligente aan/uit-schakelaar gebouwd voor industriële automatisering
• Een effectievere aanpak voor het ontwikkelen van AC-AC automatische spanningsregelaars
• Het standby-vermogen van het apparaat minimaliseren

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.