Los interruptores avanzados se basan en la historia de la tecnología

Los interruptores avanzados superan las deficiencias tradicionales para ofrecer un funcionamiento rápido, vida útil prolongada y alta potencia rendimiento y tamaño microscópico del paquete.

Los interruptores de estado sólido y los relés electromecánicos ayudan a administrar la energía en todo con corriente eléctrica. A pesar de su ubicuidad, los interruptores y relés tradicionales tienen importantes deficiencias, incluida la pérdida de energía, el costo, el peso, el tamaño, el rendimiento y la confiabilidad. Estas limitaciones inherentes comprometen la capacidad de diseñar e implementar redes 5G de próxima generación y la electrificación de todo:la transición rápida a vehículos eléctricos, fuentes de energía sostenibles y una red eléctrica más inteligente.

Menlo Micro ha superado las limitaciones de los interruptores de estado sólido y los relés mecánicos con un diseño de interruptor micromecánico que aprovecha los materiales de vidrio de sílice fundida (HPFS) de Corning HPFS y la tecnología a través del vidrio (TGV) con relleno de cobre. Este caso de estudio presenta cómo Menlo Micro colaboró ​​con Precision Glass Solutions de Corning para crear productos de conmutación basados ​​en el vidrio HPFS de Corning. Los productos Ideal Switch resultantes pueden operar hasta 1000 veces más rápido que los relés mecánicos, pueden operar durante más tiempo, pueden manejar kilovatios de potencia y están construidos en una microestructura más pequeña que un cabello humano, lo que permite la creación de interruptores micromecánicos que pueden operar durante décadas. condiciones de mucho estrés.

Un nuevo tipo de relevo

La tecnología está dando pasos de gigante a medida que el IoT, la inteligencia artificial, la conectividad 5G y la electrificación de todo están cambiando la forma en que nos conectamos, compartimos información y entendemos y controlamos el mundo que nos rodea. Para dar este salto adelante, necesitamos diseñar y construir microelectrónica de formas nuevas y disruptivas.

Un ejemplo:necesitamos interruptores y relés de próxima generación que sean más rápidos, más pequeños, más resistentes y energéticamente eficientes que los dispositivos tradicionales de estado sólido y electromecánicos. Los interruptores de estado sólido se basan en la tecnología de proceso CMOS que la mayoría de los circuitos integrados (CI) se fabrican en obleas de silicio. Sin embargo, debido a que el silicio es un material semiconductor (es decir, un conductor parcial), no es muy eficiente y está sujeto a fugas, lo que resulta en una considerable pérdida de energía y disipación de calor. Si bien los ingenieros de microelectrónica pueden impulsar el rendimiento del aislamiento en CMOS a niveles más altos, eventualmente se encuentran con problemas fundamentales de física. Existen límites a lo que se puede lograr con las obleas de silicio para optimizar la eficiencia energética y minimizar las fugas. Y con tecnologías y aplicaciones más avanzadas, como 5G New Radio, estas limitaciones serán aún más pronunciadas. El problema con los interruptores electromecánicos se reduce a la necesidad de reducir el tamaño, el peso, la potencia y el costo (SWaP-C). Estas reducciones serán fundamentales para disminuir el consumo de energía y acelerar la transición a la infraestructura 5G, la tecnología médica y los vehículos eléctricos de próxima generación. Una clave importante para resolver estos desafíos radica en las innovaciones en la ciencia de los materiales y un material comúnmente disponible:el vidrio.

El vidrio es un aislante; material ideal como sustrato dieléctrico para conmutadores que sustituyen a las obleas de silicio de alta resistividad (HR-Si). El vidrio tiene una resistividad varios órdenes de magnitud más alta que el HR-Si, lo que significa que la electricidad no puede pasar a través de él y no se pierde energía. La colaboración de Corning con Menlo Micro está ampliando las posibilidades de lo que se puede lograr con las obleas de vidrio.

Colaboración entre Corning y Menlo Micro

(Fuente de la imagen:Menlo Micro)

Corning y Menlo Micro comparten una conexión histórica con uno de los mayores inventores de todos los tiempos, Thomas Edison, el llamado "Mago de Menlo Park". Menlo Micro nació de un esfuerzo de investigación de una década en General Electric (GE), fundada por Edison. Tanto Corning como Menlo Micro están enfocados en reinventar algo en lo que Edison fue pionero en el siglo XIX:el relé mecánico.

Un relé es un interruptor operado eléctricamente que se usa para controlar, alimentar y proteger cualquier cosa que funcione con corriente eléctrica. Los interruptores son componentes críticos en casi todos los dispositivos eléctricos que usamos hoy. Hay dos tipos tradicionales de interruptores y relés:electromecánicos y de estado sólido, y ambos tienen importantes deficiencias. Los interruptores electromecánicos pueden manejar altos niveles de potencia, pero son grandes, lentos, torpes y notoriamente poco confiables. Si bien los interruptores de estado sólido son pequeños, rápidos y confiables, pierden energía y generan calor porque, como dispositivos semiconductores, nunca están completamente "apagados".

Los ingenieros han estado tratando de superar estas deficiencias durante décadas, pero el resultado final ha sido una serie de compromisos en lugar de una solución casi perfecta a los desafíos fundamentales que plantean los interruptores de estado sólido y los relés mecánicos.

Menlo Micro ha diseñado una tecnología de interruptores micromecánicos que resuelve los principales problemas asociados con los interruptores y relés existentes. Los microinterruptores Menlo son más pequeños, más ligeros, más rápidos, más eficientes, más capaces de manejar alta potencia y tienen una vida útil más larga que los relés electromecánicos. También son más compatibles con RF (proporcionando una mayor linealidad) que los interruptores de estado sólido. Esta nueva tecnología de interruptores se puede aplicar a una amplia gama de aplicaciones, desde dispositivos médicos e infraestructura de comunicaciones hasta electrónica aeroespacial y de consumo.

Menlo Micro pudo resolver el desafío del cambio, en parte, debido a su colaboración tecnológica con Corning. El interruptor Menlo Micro está construido con vidrio de sílice de alta pureza de Corning, lo que permite un diseño de interruptor más pequeño y con mayor eficiencia energética. Menlo Micro también agregó otra capa de vidrio en la parte superior del interruptor que contiene pequeños orificios llenos de cobre conocidos como vías a través del vidrio (TGV), que están diseñadas para enrutar la corriente hacia y desde el interruptor. La transmisión de la señal a través del vidrio reduce la distancia que la electricidad debe recorrer en un 70%, lo que reduce el tamaño y el costo del relé y aumenta el rendimiento eléctrico.

Fundamentos técnicos

Los fundadores de Menlo Micro comenzaron su trabajo de investigación y desarrollo con Corning cuando aún eran empleados de GE. El equipo pasó años desarrollando un proceso de vidrio desde cero. Con más de $ 40 millones en apoyo de GE y más de 12 años de I + D, el equipo de Menlo Micro desarrolló una tecnología que finalmente los llevaría a una solución para el interruptor electrónico actual. Sus experiencias en GE provocaron una nueva forma de pensar, lo que resultó en una nueva categoría de interruptores con la capacidad de escalar de manera rentable la fabricación de interruptores micromecánicos.

La colaboración de Menlo Micro con Precision Glass Solutions de Corning jugó un papel clave en el nuevo diseño del interruptor; La división Precision Glass Solutions de Corning es un fabricante de obleas de vidrio de sílice fundida de alta pureza. Las propiedades inherentes del vidrio (excelente rendimiento eléctrico, tolerancias geométricas estrictas y una calidad de superficie impecable) lo convierten en un material adecuado para dispositivos microelectrónicos de próxima generación.

El equipo de Corning / Menlo Micro comenzó su colaboración con Vidrio de sílice fundido HPFS de Corning , que es 99,999% de sílice pura (dióxido de silicio) y proporciona un rendimiento constante y repetible. Para la capa base, Corning procesó el vidrio HPFS en obleas de 8 pulgadas de medio milímetro de espesor. Para la capa de TGV, Corning procesó una oblea más delgada y usó láseres para perforar 100,000 agujeros, cada uno de la mitad del ancho de un cabello humano, y todo sin romper el vidrio y finalmente llenar estos agujeros con cobre para hacer pasar electricidad a través del vidrio. El dispositivo resultante de tamaño reducido mide 5,6 mm cúbicos de tamaño. Este microinterruptor Menlo ofrece el manejo de potencia y el rendimiento de RF de un relé electromecánico con el tamaño, peso, confiabilidad y velocidad de un interruptor de estado sólido.

Corning y Menlo Micro demostraron la integración de la tecnología de envasado TGV, que permitió el desarrollo de productos de potencia y RF de alto rendimiento en envases a escala de obleas ultrapequeños. TGV permite a Menlo Micro reducir el tamaño de sus productos de relé en más de un 60% en comparación con las tecnologías tradicionales de empaquetamiento de unión por cable, lo que lo hace adecuado para aplicaciones donde el aumento de la densidad del canal y las reducciones de SWaP-C son críticas.

Además de la reducción significativa de tamaño, la tecnología TGV aporta otros beneficios a los productos de relés. Al eliminar las uniones por cable y reemplazarlas por vías metalizadas cortas y bien controladas, Menlo Micro pudo reducir los parásitos del paquete en más de un 75%. Este diseño admite frecuencias más altas, que son cada vez más importantes en redes 5G, instrumentación de prueba y numerosas aplicaciones aeroespaciales y de defensa. Además, las propiedades únicas del vidrio frente a los materiales de sustrato tradicionales como el silicio (CMOS) permiten menores pérdidas de RF y mayor linealidad, lo que se traduce en un menor consumo de energía y una mayor eficiencia general.

La implementación de la tecnología TGV en vidrio herméticamente sellado elimina las interconexiones innecesarias que han limitado el rendimiento de los interruptores y relés durante décadas. Este enfoque también mejora el rendimiento del conmutador y reduce el tamaño y el costo general del dispositivo a niveles que beneficiarán a muchas aplicaciones.

Menlo Micro y Corning están trabajando actualmente juntos para aumentar la producción de los interruptores y hacerlos más rentables de fabricar. Corning ha recibido el interés de otras empresas que buscan aprovechar la tecnología TGV para aplicaciones como envases de vidrio y pantallas de alta gama sin bisel. Corning también ha desarrollado un diseño y un proceso patentados para proporcionar interconexiones de cobre herméticas que permiten una alta confiabilidad y un tamaño de paquete reducido, lo que abre un camino para la producción en masa de dispositivos habilitados para TGV.

Usando materiales patentados, diseños y técnicas de procesamiento a nivel de oblea, la tecnología de interruptores de Menlo Micro ha demostrado una alta confiabilidad en aplicaciones que generalmente superan los 10 mil millones de operaciones de conmutación con una hoja de ruta para superar los 20 mil millones, todo mientras maneja cientos de voltios y decenas de amperios de corriente. Este desarrollo en la ciencia de materiales avanzada ha dado como resultado un manejo de energía (kilovatios) sin precedentes en un dispositivo micromecánico con excelente rendimiento eléctrico, tamaño, costo y confiabilidad en comparación con los relés electromecánicos e interruptores de estado sólido tradicionales.

Aprovechando el empaquetado de TGV, Menlo está desarrollando productos de relé de RF que manejan anchos de banda de DC-26 GHz, con una hoja de ruta para extenderse más allá de 50 GHz. La plataforma de relés micromecánicos de Menlo Micro permite aplicaciones de RF y CA / CC para diversos mercados, como la gestión de baterías, la automatización del hogar, vehículos eléctricos, radios militares y profesionales, estaciones base 5G e IoT.

Incremento de la producción

Menlo Micro ha estado enviando productos basados ​​en su tecnología de interruptores desde su línea de producción de alto volumen de 8 pulgadas desde octubre de 2020, entregándolos a más de 60 clientes principales hasta la fecha. A diferencia de los relés electromecánicos tradicionales, que se construyen uno a la vez en las líneas de montaje, se pueden fabricar miles de dispositivos de conmutación Menlo Micro al mismo tiempo en un proceso por lotes. Menlo Micro utiliza el mismo enfoque de fabricación que aprovecha la industria de los semiconductores:fabricación basada en obleas. Este proceso por lotes completamente automatizado permite la fabricación de conmutadores escalable de forma masiva.

Conclusión

A lo largo de sus 170 años de historia, Corning ha desarrollado muchos tipos de productos de vidrio que ahora tienen una amplia aplicación en nuestra vida diaria, desde la creación de las primeras bombillas hasta la proliferación de materiales de vidrio avanzados utilizados en pantallas de teléfonos inteligentes y cables de fibra óptica. Corning se ha asociado con Menlo Micro para repensar el relé electromecánico tradicional y el interruptor de estado sólido. Juntos, están haciendo que los interruptores micromecánicos minúsculos y energéticamente eficientes fabricados con vidrio de alta pureza sean una realidad práctica para las tecnologías de próxima generación que permitirán la electrificación de todo.

- Chris Giovanniello es cofundador y vicepresidente senior de marketing mundial de Menlo Micro.

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Menlo Micro fue presentada como una de las 100 empresas emergentes más importantes de EE Times para observar, ahora en su 21 ^st edición.

El Silicon 100 es una lista de empresas emergentes de electrónica y semiconductores que llamaron nuestra atención durante el año anterior.

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>> Este artículo se publicó originalmente en nuestro sitio hermano, EE Times Europe.

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