Relays revolutioneren: Menlo Micro & Corning's glas-gebaseerde micromechanische schakelaars

Geavanceerde schakelaars overwinnen traditionele tekortkomingen om snelle operatie, uitgebreide levensduur, high-power prestaties en microscopische package-grootte te leveren.

Solid-state schakelaars en electromechanische relays zijn alomtegenwoordig in power-management toepassingen, doch ze lijden onder energieverlies, hoge kosten, gewicht, bulk, beperkte prestaties en betrouwbaarheidsissues. Deze beperkingen hinderen de implementatie van next-generation 5G-netwerken en de elektrificatie van voertuigen, hernieuwbare energiestystemen en slimme grids.

Menlo Micro heeft deze uitdagingen aangepakt door een micromechanische schakelaar te creëren die Corning's HPFS Fused Silica glas en koper-gevulde through-glass-vias (TGV) gebruikt. In samenwerking met Corning's Precision Glass Solutions produceerde Menlo Micro schakelaars die tot 1.000x sneller zijn dan mechanische relays, dramatisch langere levensduren bieden, kilowatt-klasse vermogen aan, en passen in een footprint kleiner dan een menselijk haar. Deze schakelaars beloven decennialang betrouwbare operatie onder high-stress omstandigheden.

Een nieuwe generatie relays

Het Internet of Things, kunstmatige intelligentie, 5G-connectiviteit en de wijdverspreide elektrificatie van alles veranderen hoe we verbinden, data delen en de wereld besturen. Om tempo te houden, moet microelektronica op ongekende manieren evolueren.

Next-generation schakelaars moeten sneller, kleiner, meer veerkrachtig en energie-efficiënter zijn dan de huidige solid-state of electromechanische apparaten. Traditionele solid-state schakelaars vertrouwen op CMOS silicium, dat als halfgeleider onvermijdelijk stroom lekt en warmte dissipeert. Electromechanische relays, hoewel in staat om high-power aan te kunnen, zijn groot, langzaam en onbetrouwbaar. De fundamentele fysica van silicium en de mechanische beperkingen van relays beperken vooruitgang. De oplossing ligt in geavanceerde materialenwetenschap - met name glas.

Glas is een uitstekende diëlectrica: de resistiviteit is diverse ordes van grootte hoger dan high-resistiviteit silicium, wat energieverlies voorkomt. Corning's samenwerking met Menlo Micro vergroot wat met glaswafers bereikt kan worden.

Corning & Menlo Micro Samenwerking

(Afbeeldingsbron: Menlo Micro)

De samenwerking herinnert aan het erfgoed van Thomas Edison, de uitvinder van de mechanische relay en oprichter van GE. Beide bedrijven heruitvinden de relay, een elektrisch bediende schakelaar essentieel voor praktisch elk elektronisch apparaat.

Electromechanische relays kunnen high-power aan maar zijn bulky, langzaam en onbetrouwbaar. Solid-state schakelaars zijn klein en snel maar lijden onder lekkage en warmte. Over decennia hebben ingenieurs de ene zwakte voor de andere ingeruild, zonder ooit een perfecte oplossing te bereiken.

Menlo Micro's micromechanische schakelaar lost deze kernproblemen op. Het is kleiner, lichter, sneller, efficiënter, en in staat om high-power aan te bieden terwijl het langere levensduur biedt dan electromechanische relays. Het levert ook superieure RF-prestaties vergeleken met solid-state schakelaars, wat het ideaal maakt voor medische apparaten, communicatie-infrastructuur, luchtvaart en consumentenelektronica.

De doorbraak was mogelijk dankzij Corning's ultra-zuiwer fused silica glas. Menlo Micro voegde een tweede glaslaag toe met koper-gevulde TGV's die stroom direct door het glas leiden, wat de reisafstand met 70% vermindert, grootte, kosten verlaagt en prestaties boost.

Technische Fundamenten

Menlo Micro's founders begonnen hun R&D bij GE, met een investering van meer dan $40 miljoen en 12 jaar onderzoek om een glas-gebaseerde schakelaaroplossing te ontwikkelen. Hun ervaring bij GE spurte een nieuwe benadering aan, wat uitmondde in een schakelaar die kosteneffectief massaproduceerbaar is.

Samenwerking met Corning's Precision Glass Solutions bracht toegang tot high-purity (99,999%) fused silica wafers. De basislayer is een 8-inch wafer half millimeter dik; de TGV-laag is een dunner wafer geboord met 100.000 micro-gaten (half een menselijk haar in breedte) en gevuld met koper. Het resulterende apparaat meet 5,6 mm³ en combineert het power handling van een electromechanische relay met de snelheid, gewicht, betrouwbaarheid en grootte van een solid-state schakelaar.

Door TGV-packaging te integreren, reduceert Menlo Micro relay-grootte met meer dan 60% ten opzichte van wire-bonded ontwerpen, wat kritieke SWaP-C eisen voor high-density toepassingen vervult. Het elimineren van wire bonds vermindert ook package-parasieten met meer dan 75%, wat hogere frequenties mogelijk maakt die essentieel zijn voor 5G, test-instrumentatie, luchtvaart en defensie.

Hermetische glas-packaging verwijdert onnodige interconnects die relay-prestaties decennialang hebben beperkt, wat betrouwbaarheid verhoogt terwijl totale grootte en kosten worden verminderd.

Menlo Micro en Corning schalen productie op en maken de schakelaars betaalbaarder. Corning's proprietaire via-ontwerp levert hermetische, koper-interconnects die massaproductie ondersteunen, terwijl andere industrieën TGV verkennen voor glas-packaging en bezel-less displays.

Menlo Micro's schakelaartechnologie heeft betrouwbaarheid aangetoond van meer dan 10 miljard schakelcycli, met een roadmap naar 20 miljard, terwijl honderden volts en tientallen amps worden aangeboden. Het bereikt kilowatt-klasse power handling in een micromechanisch apparaat met uitstekende elektrische prestaties, compacte grootte en lage kosten vergeleken met traditionele relays en solid-state schakelaars.

Met TGV-packaging ontwikkelt Menlo RF-relays met bandbreedtes van DC tot 26 GHz, met de ambitie 50 GHz te overschrijden. Het platform dient batterijbeheer, huisautomatisering, elektrische voertuigen, militair, professionele radios, 5G-basisstations en IoT.

Productie opschalen

Sinds oktober 2020 heeft Menlo Micro apparaten verzonden van zijn 8-inch, high-volume productielijn naar meer dan 60 toonaangevende klanten. In tegenstelling tot single-device electromechanische relays, worden duizenden micromechanische schakelaars gelijktijdig geproduceerd in een wafer-level batch-proces - een geautomatiseerde, schaalbare methode die in de halfgeleiderindustrie wordt gebruikt.

Conclusie

Corning's 170-jarig erfgoed in glas-innovatie - van de eerste gloeilamp tot moderne smartphone-displays - ondersteunt nu een nieuwe generatie micromechanische relays. Samen leveren Corning en Menlo Micro kleine, energie-efficiënte schakelaars gebouwd van high-purity glas, wat de elektrificatie van alles en de implementatie van 5G, AI en IoT-netwerken mogelijk maakt.

— Chris Giovanniello, Co-Founder & SVP of Worldwide Marketing, Menlo Micro.

Menlo Micro stond onder EE Times' top 100 opkomende startups om te volgen in de 21e editie.

The Silicon 100 lijst de veelbelovendste elektronica en halfgeleider startups van het afgelopen jaar.

Lees de nieuwe Silicon 100, digitaal beschikbaar via EE Times Store.

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

Gerelateerde inhoud:

• 10 factoren voor het vinden van de perfecte schakelaar voor uw toepassing
• Miniscule tactile switches ondersteunen compacte IoT-ontwerpen
• Intelligente power switch gebouwd voor industriële automatisering
• Een effectievere benadering voor het ontwikkelen van AC-AC automatische spanningsregelaars
• Apparaat standby-vermogen minimaliseren

Voor meer Embedded, abonneer u op de wekelijkse e-nieuwsbrief van Embedded.