Революция в реле: микромеханические коммутаторы Menlo Micro и Corning на стекле

Продвинутые коммутаторы преодолевают традиционные недостатки, обеспечивая быструю работу, расширенный срок службы, высокую мощность и микроскопические размеры корпуса.

Твердотельные коммутаторы и электромеханические реле повсеместны в приложениях управления питанием, но они страдают от потерь энергии, высокой стоимости, веса, объема, ограниченной производительности и проблем с надежностью. Эти ограничения препятствуют развертыванию сетей 5G следующего поколения и электрификации транспортных средств, систем возобновляемой энергии и умных сетей.

Menlo Micro решила эти проблемы, создав микромеханический коммутатор, использующий стекло HPFS Fused Silica от Corning и медиальные сквозные стеклянные виа (TGV). В партнерстве с Corning Precision Glass Solutions, Menlo Micro произвели коммутаторы, которые до 1000 раз быстрее механических реле, предлагают драматически более долгий срок службы, справляются с киловатт-классной мощностью и помещаются в площадь меньше человеческого волоса. Эти коммутаторы обещают десятилетия надежной работы в условиях высокого напряжения.

Новое поколение реле

Интернет вещей, искусственный интеллект, 5G-связь и повсеместная электрификация всего меняют то, как мы соединяемся, делимся данными и контролируем мир. Чтобы держать темп, микроэлектроника должна эволюционировать беспрецедентными способами.

Коммутаторы следующего поколения должны быть быстрее, меньше, более устойчивы и энергоэффективнее, чем современные твердотельные или электромеханические устройства. Традиционные твердотельные коммутаторы полагаются на кремний CMOS, который, как полупроводник, неизбежно пропускает утеточный ток и рассеивает тепло. Электромеханические реле, хотя способны обрабатывать высокую мощность, велики, медленны и ненадежны. Фундаментальная физика кремния и механические ограничения реле ограничивают прогресс. Решение лежит в передовых материалах — особенно в стекле.

Стекло — отличный диэлектрик: его удельное сопротивление на несколько порядков выше, чем у высокоомного кремния, предотвращая потери энергии. Партнерство Corning с Menlo Micro расширяет то, что можно достичь с стеклянными пластинами.

Сотрудничество Corning и Menlo Micro

(Источник изображения: Menlo Micro)

Партнерство отзывается наследием Томаса Эдисона, изобретателя механического реле и основателя GE. Обе компании переизобретают реле — электрически управляемый коммутатор, необходимый практически в каждом электронном устройстве.

Электромеханические реле могут обрабатывать высокую мощность, но громоздки, медленны и ненадежны. Твердотельные коммутаторы малы и быстры, но страдают от утечки и тепла. Десятилетиями инженеры обменивали одну слабость на другую, никогда не достигая идеального решения.

Микромеханический коммутатор Menlo Micro решает эти основные проблемы. Он меньше, легче, быстрее, эффективнее и способен обрабатывать высокую мощность, предлагая более долгий срок службы, чем электромеханические реле. Он также обеспечивает превосходную RF-производительность по сравнению с твердотельными коммутаторами, что делает его идеальным для медицинских устройств, коммуникационной инфраструктуры, авиакосмической отрасли и потребительской электроники.

Прорыв стал возможен благодаря ультрачистому сплавленному кварцу Corning. Menlo Micro добавили второй стеклянный слой, содержащий медные TGV, которые проводят ток непосредственно через стекло, сокращая путь прохождения на 70%, уменьшая размер, стоимость и повышая производительность.

Технические основы

Основатели Menlo Micro начали НИОКР в GE, инвестируя более 40 млн долларов и 12 лет исследований для разработки стеклянного коммутатора. Их опыт в GE стимулировал новый подход, кульминировавший в коммутаторе, который может быть массово произведен стоимоэффективно.

Сотрудничество с Corning Precision Glass Solutions предоставило доступ к пластинам из ультрачистого (99,999%) сплавленного кварца. Базовый слой — 8-дюймовая пластина толщиной полмиллиметра; слой TGV — более тонкая пластина, просверленная 100 000 микро-отверстиями (половина ширины человеческого волоса) и заполненная медью. Полученное устройство измеряет 5,6 мм³ и сочетает обработку мощности электромеханического реле со скоростью, весом, надежностью и размером твердотельного коммутатора.

Интегрируя TGV-упаковку, Menlo Micro уменьшают размер реле более чем на 60% по сравнению с проводяными конструкциями, удовлетворяя критическим требованиям SWaP-C для высокоплотных приложений. Устранение проводных соединений также сокращает паразитные параметры корпуса более чем на 75%, обеспечивая более высокие частоты, необходимые для 5G, тестовой инструментарии, авиакосмики и обороны.

Герметичная стеклянная упаковка устраняет ненужные межсоединения, ограничивавшие производительность реле десятилетиями, повышая надежность при одновременном уменьшении общего размера и стоимости.

Menlo Micro и Corning масштабируют производство и делают коммутаторы более доступными. Проприетарный дизайн виа Corning обеспечивает герметичные медные межсоединения, поддерживающие массовое производство, в то время как другие отрасли исследуют TGV для стеклянной упаковки и безрамочных дисплеев.

Технология коммутаторов Menlo Micro продемонстрировала надежность, превышающую 10 миллиардов циклов переключения, с дорожной картой до 20 миллиардов, при обработке сотен вольт и десятков ампер. Она достигает киловатт-классной обработки мощности в микромеханическом устройстве с отличной электрической производительностью, компактным размером и низкой стоимостью по сравнению с традиционными реле и твердотельными коммутаторами.

Используя TGV-упаковку, Menlo разрабатывает RF-реле с полосами пропускания от DC до 26 ГГц, стремясь превзойти 50 ГГц. Платформа служит управлению батареями, домашней автоматизации, электромобилям, военным, профессиональным радиостанциям, базовым станциям 5G и IoT.

Разгон производства

С октября 2020 года Menlo Micro отгрузили устройства со своей 8-дюймовой высокообъемной производственной линии более чем 60 ведущим клиентам. В отличие от одноустройственных электромеханических реле, тысячи микромеханических коммутаторов производятся одновременно в партионном вейферном процессе — автоматизированном, масштабируемом методе, используемом в полупроводниковой отрасли.

Заключение

170-летнее наследие Corning в инновациях со стекла — от первой лампочки до современных дисплеев смартфонов — теперь поддерживает новое поколение микромеханических реле. Вместе Corning и Menlo Micro поставляют крошечные, энергоэффективные коммутаторы из высокочистого стекла, обеспечивая электрификацию всего и развертывание сетей 5G, ИИ и IoT.

— Крис Джованьелло, Сооснователь и SVP по всемирному маркетингу, Menlo Micro.

---

Menlo Micro был представлен среди 100 лучших الناشющих стартапов EE Times в 21-м издании.

Silicon 100 перечисляет самые перспективные стартапы в электронике и полупроводниках за прошлый год.

Прочитайте новый Silicon 100, доступный цифрово в магазине EE Times.

>> Эта статья была первоначально опубликована на нашем партнерском сайте, EE Times Europe.

---

Связанные материалы:

• 10 факторов для поиска идеального коммутатора для вашего приложения
• Крошечные тактильные коммутаторы поддерживают компактные IoT-дизайны
• Интеллектуальный силовой коммутатор, созданный для промышленной автоматизации
• Более эффективный подход к разработке автоматических регуляторов напряжения AC-AC
• Минимизация потребления энергии в режиме ожидания устройства

Для получения дополнительного контента Embedded подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded.