Усовершенствованные переключатели, основанные на истории технологий

Усовершенствованные переключатели преодолевают традиционные недостатки, обеспечивая быструю работу, увеличенный срок службы, высокую мощность производительность и микроскопический размер упаковки.

Полупроводниковые переключатели и электромеханические реле помогают управлять мощностью всего с помощью электрического тока. Несмотря на повсеместное распространение, традиционные переключатели и реле имеют серьезные недостатки, включая потери энергии, стоимость, вес, размер, производительность и надежность. Эти врожденные ограничения ставят под угрозу возможность проектирования и развертывания сетей 5G следующего поколения и электрификации всего - быстрый переход к электромобилям, устойчивым источникам энергии и более разумным электросетям.

Menlo Micro преодолела ограничения твердотельных переключателей и механических реле с помощью микромеханической конструкции переключателя, в которой используются материалы Corning HPFS из плавленого кварцевого стекла (HPFS) и технология сквозных отверстий, заполненных медью (TGV). В этом тематическом исследовании показано, как Menlo Micro сотрудничал с Corning's Precision Glass Solutions для создания коммутаторов на основе стекла HPFS Corning. Полученные в результате продукты Ideal Switch могут работать до 1000 раз быстрее, чем механические реле, могут работать дольше, могут выдерживать киловатты энергии и имеют микроструктуру меньше человеческого волоса, что позволяет создавать микромеханические переключатели, которые могут работать десятилетиями ниже в условиях повышенного стресса.

Новый тип реле

Технологии делают гигантский скачок вперед, поскольку Интернет вещей, искусственный интеллект, подключение к 5G и электрификация всего меняют то, как мы подключаемся, обмениваемся информацией, понимаем и контролируем мир вокруг нас. Чтобы сделать этот скачок вперед, нам нужно разрабатывать и создавать микроэлектронику новыми и революционными способами.

Показательный пример:нам нужны переключатели и реле следующего поколения, которые будут более быстрыми, компактными, более отказоустойчивыми и энергоэффективными, чем традиционные твердотельные и электромеханические устройства. Твердотельные переключатели основаны на техпроцессе CMOS, по которому большинство интегральных схем (ИС) изготавливаются на кремниевых пластинах. Однако, поскольку кремний является полупроводниковым материалом (то есть частичным проводником), он не очень эффективен и подвержен утечкам, что приводит к значительным потерям энергии и рассеиванию тепла. Хотя инженеры по микроэлектронике могут поднять эффективность изоляции в CMOS на более высокий уровень, они в конечном итоге сталкиваются с проблемами фундаментальной физики. Существуют пределы того, что может быть достигнуто с помощью кремниевых пластин для оптимизации энергоэффективности и минимизации утечек. А с более продвинутыми технологиями и приложениями, такими как 5G New Radio, эти ограничения станут еще более явными. Проблема электромеханических переключателей сводится к необходимости уменьшить размер, вес, мощность и стоимость (SWaP-C). Эти сокращения будут иметь фундаментальное значение для снижения энергопотребления и ускорения перехода к инфраструктуре 5G следующего поколения, медицинским технологиям и электромобилям. Важным ключом к решению этих проблем являются инновации в области материаловедения и широко доступный материал:стекло.

Стекло - изолятор; идеальный материал в качестве диэлектрической подложки для переключателя для замены пластин кремния с высоким сопротивлением (HR-Si). Стекло имеет удельное сопротивление на несколько порядков выше, чем HR-Si, что означает, что электричество не может проходить через него и энергия не теряется. Сотрудничество Corning с Menlo Micro расширяет возможности использования стеклянных пластин.

Сотрудничество Corning и Menlo Micro

(Источник изображения:Menlo Micro)

Corning и Menlo Micro исторически связаны с одним из величайших изобретателей всех времен Томасом Эдисоном, так называемым «волшебником из Менло-Парка». Menlo Micro была создана в результате десятилетних исследований General Electric (GE), основанной Эдисоном. И Corning, и Menlo Micro сосредоточены на изобретении того, что Эдисон впервые применил в 1800-х годах:механического реле.

Реле - это переключатель с электрическим приводом, используемый для управления, питания и защиты всего, что работает с электрическим током. Переключатели являются критически важными компонентами почти каждого электрического устройства, которое мы используем сегодня. Существует два традиционных типа переключателей и реле - электромеханические и твердотельные, и оба имеют серьезные недостатки. Электромеханические переключатели могут работать с высокими уровнями мощности, но они большие, медленные, неуклюжие и, как известно, ненадежные. Хотя твердотельные переключатели небольшие, быстрые и надежные, они пропускают энергию и выделяют тепло, потому что, как полупроводниковые устройства, они никогда не выключаются полностью.

Инженеры десятилетиями пытались преодолеть эти недостатки, но конечным результатом стала серия компромиссов, а не почти идеальное решение фундаментальных проблем, связанных с твердотельными переключателями и механическими реле.

Menlo Micro разработала технологию микромеханических переключателей, которая решает основные проблемы, связанные с существующими переключателями и реле. Переключатели Menlo Micro меньше, легче, быстрее, эффективнее, лучше выдерживают большую мощность и имеют более длительный срок службы, чем электромеханические реле. Они также более дружелюбны к радиочастотам (обеспечивают более высокую линейность), чем твердотельные переключатели. Эта новая технология переключения может применяться в широком спектре приложений, от медицинских устройств и инфраструктуры связи до аэрокосмической и бытовой электроники.

Menlo Micro смогла решить проблему переключения отчасти благодаря технологическому сотрудничеству с Corning. Переключатель Menlo Micro изготовлен на основе кварцевого стекла высокой степени чистоты от Corning, что обеспечивает более компактную и энергоэффективную конструкцию переключателя. Menlo Micro также добавила еще один слой стекла поверх коммутатора, содержащий крошечные заполненные медью отверстия, известные как сквозные стеклянные переходные отверстия (TGV), которые предназначены для подачи тока к коммутатору и от него. Передача сигнала через стекло сокращает расстояние, которое должно пройти электричество, на 70%, уменьшая размер и стоимость реле и повышая электрические характеристики.

Технические основы

Основатели Menlo Micro начали свои исследования и разработки с Corning, когда они еще были сотрудниками GE. Команда потратила годы на разработку стекольного процесса с нуля. Имея более 40 миллионов долларов поддержки со стороны GE и более 12 лет исследований и разработок, команда Menlo Micro разработала технологию, которая в конечном итоге приведет их к решению сегодняшнего электронного коммутатора. Их опыт в GE породил новый образ мышления, результатом которого стала новая категория переключателей, способных экономично масштабировать производство микромеханических переключателей.

Сотрудничество Menlo Micro с Corning's Precision Glass Solutions сыграло ключевую роль в разработке нового переключателя; Подразделение Corning Precision Glass Solutions является производителем пластин из плавленого кварцевого стекла высокой чистоты. Присущие стеклу свойства - отличные электрические характеристики, жесткие геометрические допуски и безупречное качество поверхности - делают его подходящим материалом для устройств микроэлектроники следующего поколения.

Команда Corning / Menlo Micro начала сотрудничество с стеклом Corning HPFS Fused Silica , который состоит из диоксида кремния (диоксид кремния) с чистотой 99,999% и обеспечивает стабильную и воспроизводимую производительность. Для основного слоя Corning переработала стекло HPFS на 8-дюймовые пластины толщиной полмиллиметра. Для слоя TGV компания Corning обработала более тонкую пластину и использовала лазеры, чтобы просверлить 100 000 отверстий, каждая половина ширины человеческого волоса, и все это без растрескивания стекла и, наконец, заполнения этих отверстий медью для прохождения электричества через стекло. В результате получилось компактное устройство размером 5,6 кубических мм. Этот микровыключатель Menlo обеспечивает управление мощностью и ВЧ-характеристики электромеханического реле с размером, весом, надежностью и скоростью полупроводникового переключателя.

Corning и Menlo Micro продемонстрировали интеграцию технологии упаковки TGV, которая позволила разрабатывать высокопроизводительные ВЧ и силовые продукты для сверхмалых корпусов полупроводниковых пластин. TGV позволяет Menlo Micro уменьшить размер своей релейной продукции более чем на 60% по сравнению с традиционными технологиями упаковки проводов, что делает ее пригодной для приложений, где критически важны повышенная плотность каналов и уменьшение SWaP-C.

Помимо значительного уменьшения размеров, технология TGV дает релейным изделиям и другие преимущества. Устраняя проволочные связи и заменяя их короткими, хорошо контролируемыми металлизированными переходными отверстиями, Menlo Micro смогла уменьшить паразитные помехи в корпусе более чем на 75%. Эта конструкция поддерживает более высокие частоты, которые становятся все более важными в сетях 5G, испытательном оборудовании и многочисленных аэрокосмических и оборонных приложениях. Кроме того, уникальные свойства стекла по сравнению с традиционными материалами подложки, такими как кремний (КМОП), обеспечивают более низкие радиочастотные потери и более высокую линейность, что приводит к более низкому энергопотреблению и повышению общей эффективности.

Внедрение технологии TGV в герметичное стекло устраняет ненужные межсоединения, которые на протяжении десятилетий ограничивали характеристики переключателей и реле. Этот подход также повышает производительность коммутатора и снижает общий размер устройства и стоимость до уровней, которые будут полезны для многих приложений.

Menlo Micro и Corning в настоящее время работают вместе над наращиванием производства переключателей, делая их производство более рентабельным. Corning вызвала интерес со стороны других компаний, стремящихся использовать преимущества технологии TGV для таких приложений, как стеклянная упаковка и безрамочные дисплеи высокого класса. Corning также разработала запатентованную конструкцию и процесс для создания герметичных медных межсоединений, которые обеспечивают высокую надежность и уменьшенный размер корпуса, открывая путь для массового производства устройств с поддержкой TGV.

Используя запатентованные материалы, конструкции и методы обработки на уровне пластин, технология переключателей Menlo Micro продемонстрировала высокую надежность в приложениях, которые обычно превышают 10 миллиардов переключений, а план действий может превысить 20 миллиардов, и все это при работе с сотнями вольт и десятками ампер тока. Это развитие в области передового материаловедения привело к беспрецедентной мощности (киловатт) в микромеханическом устройстве с превосходными электрическими характеристиками, размерами, стоимостью и надежностью по сравнению с традиционными электромеханическими реле и твердотельными переключателями.

Используя упаковку TGV, Menlo разрабатывает радиорелейные продукты, работающие в полосе пропускания от постоянного тока до 26 ГГц, с планом выхода за пределы 50 ГГц. Платформа микромеханических реле Menlo Micro поддерживает приложения RF и AC / DC для различных рынков, таких как управление батареями, домашняя автоматизация, электромобили, военные и профессиональные радиостанции, базовые станции 5G и Интернет вещей.

Увеличение производства

Menlo Micro с октября 2020 года поставляет продукцию на основе своей технологии переключателей со своей 8-дюймовой крупносерийной производственной линии, доставив ее более чем 60 ведущим клиентам. В отличие от традиционных электромеханических реле, которые собираются по одному на сборочных линиях, тысячи коммутационных устройств Menlo Micro могут быть изготовлены одновременно в периодическом процессе. Menlo Micro использует тот же производственный подход, что и в полупроводниковой промышленности:изготовление пластин. Этот полностью автоматизированный пакетный процесс позволяет производить масштабируемые коммутаторы.

Заключение

За свою 170-летнюю историю компания Corning разработала множество типов изделий из стекла, которые теперь находят широкое применение в нашей повседневной жизни, от создания первых лампочек до распространения современных стеклянных материалов, используемых в экранах смартфонов и оптоволоконных кабелях. Corning объединилась с Menlo Micro, чтобы переосмыслить традиционное электромеханическое реле и твердотельный переключатель. Вместе они делают крошечные, энергоэффективные микромеханические переключатели, изготовленные из стекла высокой чистоты, практической реальностью для технологий следующего поколения, которые позволят электрифицировать все.

- Крис Джованниелло - соучредитель и старший вице-президент по международному маркетингу Menlo Micro.

---

Menlo Micro был включен в список 100 лучших новых стартапов EE Times, за которыми стоит наблюдать, теперь на его 21 ^st выпуск.

Кремний 100 это список стартапов в области электроники и полупроводников, которые привлекли наше внимание в прошлом году.

Прочтите недавно выпущенный Silicon 100, который доступен в цифровом виде в EE Times Store.

>> Эта статья изначально была опубликована на нашем дочернем сайте EE Times Europe.

---

Связанное содержание:

• 10 факторов для выбора идеального переключателя для вашего приложения.
• Крошечные тактильные переключатели поддерживают компактный дизайн Интернета вещей.
• Интеллектуальный выключатель питания для промышленной автоматизации.
• Более эффективный подход к разработке автоматических регуляторов напряжения переменного и переменного тока.
• Сведение к минимуму энергопотребления устройства в режиме ожидания.

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.