Switches avançados com base na história da tecnologia

Switches avançados superam as deficiências tradicionais para fornecer operação rápida, vida útil prolongada e alta potência desempenho e tamanho microscópico da embalagem.
Chaves de estado sólido e relés eletromecânicos ajudam a gerenciar a energia em tudo com uma corrente elétrica. Apesar de sua onipresença, os interruptores e relés tradicionais têm grandes deficiências, incluindo perda de energia, custo, peso, tamanho, desempenho e confiabilidade. Essas limitações inerentes comprometem a capacidade de projetar e implantar redes 5G de próxima geração e a eletrificação de tudo - a rápida transição para veículos elétricos, fontes de energia sustentáveis ​​e uma rede elétrica mais inteligente.

Menlo Micro superou as limitações dos interruptores de estado sólido e relés mecânicos com um design de interruptor micromecânico que aproveita os materiais de vidro de sílica fundida (HPFS) da Corning HPFS e a tecnologia TGV (preenchida com cobre através do vidro). Este estudo de caso apresenta como a Menlo Micro colaborou com a Precision Glass Solutions da Corning para criar produtos de switch baseados no vidro HPFS da Corning. Os produtos Ideal Switch resultantes podem operar até 1000x mais rápido do que os relés mecânicos, podem operar com vida útil mais longa, podem lidar com quilowatts de energia e são construídos em uma microestrutura menor do que um fio de cabelo humano, permitindo a criação de interruptores micromecânicos que podem operar por décadas sob condições de alto estresse.

Um novo tipo de relé

A tecnologia está dando saltos gigantescos à medida que a IoT, a inteligência artificial, a conectividade 5G e a eletrificação de tudo estão mudando a forma como nos conectamos, compartilhamos informações e entendemos e controlamos o mundo ao nosso redor. Para dar esse salto adiante, precisamos projetar e construir microeletrônica de maneiras novas e inovadoras.

Um caso em questão:precisamos de interruptores e relés de última geração que sejam mais rápidos, menores, mais resistentes e eficientes em termos de energia do que os dispositivos eletromecânicos e de estado sólido tradicionais. Os switches de estado sólido são baseados na tecnologia de processo CMOS em que a maioria dos circuitos integrados (ICs) são fabricados em pastilhas de silício. No entanto, como o silício é um material semicondutor (ou seja, um condutor parcial), não é muito eficiente e está sujeito a vazamentos, resultando em considerável perda de energia e dissipação de calor. Embora os engenheiros de microeletrônica possam elevar o desempenho de isolamento no CMOS a níveis mais altos, eles eventualmente se deparam com problemas de física fundamentais. Existem limites para o que pode ser alcançado com wafers de silício para otimizar a eficiência energética e minimizar vazamentos. E com tecnologias e aplicativos mais avançados, como o novo rádio 5G, essas limitações se tornarão ainda mais pronunciadas. O problema com as chaves eletromecânicas se resume à necessidade de reduzir o tamanho, peso, potência e custo (SWaP-C). Essas reduções serão fundamentais para diminuir o consumo de energia e acelerar a transição para a infraestrutura 5G de próxima geração, tecnologia médica e veículos elétricos. Uma chave importante para resolver esses desafios está nas inovações na ciência dos materiais e em um material comumente disponível:o vidro.

O vidro é um isolante; material ideal como substrato dielétrico para troca de pastilhas de silício de alta resistividade (HR-Si). O vidro tem uma resistividade várias ordens de magnitude maior do que HR-Si, o que significa que a eletricidade não pode passar por ele e nenhuma energia é perdida. A colaboração da Corning com a Menlo Micro está expandindo as possibilidades do que pode ser alcançado com wafers de vidro.

Colaboração Corning e Menlo Micro

(Fonte da imagem:Menlo Micro)
A Corning e a Menlo Micro compartilham uma conexão histórica com um dos maiores inventores de todos os tempos, Thomas Edison, o chamado “Wizard of Menlo Park”. Menlo Micro nasceu de um esforço de pesquisa de uma década na General Electric (GE), fundada por Edison. Tanto a Corning quanto a Menlo Micro estão focadas em reinventar algo que Edison foi pioneiro em 1800:o relé mecânico.

Um relé é uma chave operada eletricamente usada para controlar, alimentar e proteger qualquer coisa que opere com corrente elétrica. Os interruptores são componentes essenciais em quase todos os dispositivos elétricos que usamos hoje. Existem dois tipos tradicionais de interruptores e relés - eletromecânicos e de estado sólido - e ambos têm grandes deficiências. Os interruptores eletromecânicos podem lidar com altos níveis de potência, mas são grandes, lentos, desajeitados e notoriamente não confiáveis. Embora os interruptores de estado sólido sejam pequenos, rápidos e confiáveis, eles vazam energia e geram calor porque, como dispositivos semicondutores, eles nunca estão totalmente "desligados".

Os engenheiros vêm tentando superar essas deficiências há décadas, mas o resultado final tem sido uma série de concessões, em vez de uma solução quase perfeita para os desafios fundamentais apresentados por interruptores de estado sólido e relés mecânicos.

Menlo Micro projetou uma tecnologia de chave micromecânica que resolve os principais problemas associados às chaves e relés existentes. Os interruptores Menlo Micro são menores, mais leves, mais rápidos, mais eficientes, mais capazes de lidar com alta potência e têm vida útil operacional mais longa do que os relés eletromecânicos. Eles também são mais compatíveis com RF (fornecendo maior linearidade) do que as chaves de estado sólido. Essa nova tecnologia de switch pode ser aplicada a uma ampla gama de aplicações, de dispositivos médicos e infraestrutura de comunicações a produtos eletrônicos aeroespaciais e de consumo.

A Menlo Micro foi capaz de resolver o desafio da troca, em parte por causa de sua colaboração de tecnologia com a Corning. O switch Menlo Micro é construído em vidro de sílica altamente puro da Corning, o que permite um design de switch menor e mais eficiente em termos de energia. Menlo Micro também adicionou outra camada de vidro no topo do switch contendo minúsculos orifícios cheios de cobre conhecidos como through-glass-vias (TGVs), que são projetados para direcionar a corrente de e para o switch. Transmitir o sinal através do vidro diminui a distância que a eletricidade deve percorrer em 70%, reduzindo o tamanho e o custo do relé e aumentando o desempenho elétrico.

Fundações técnicas

Os fundadores da Menlo Micro começaram seu trabalho de pesquisa e desenvolvimento com a Corning quando ainda eram funcionários da GE. A equipe passou anos desenvolvendo um processo de vidro do zero. Com mais de $ 40 milhões em suporte da GE e mais de 12 anos de P&D, a equipe Menlo Micro desenvolveu uma tecnologia que os levaria a uma solução para a chave eletrônica de hoje. Suas experiências na GE geraram uma nova maneira de pensar, resultando em uma nova categoria de interruptores com a capacidade de dimensionar a fabricação de interruptores micromecânicos de maneira econômica.

A colaboração da Menlo Micro com a Precision Glass Solutions da Corning desempenhou um papel fundamental no novo design do switch; A divisão de Soluções de Vidro de Precisão da Corning é fabricante de wafers de vidro de sílica fundida de alta pureza. As propriedades inerentes do vidro - excelente desempenho elétrico, tolerâncias geométricas estreitas e qualidade de superfície cristalina - o tornam um material adequado para dispositivos microeletrônicos de última geração.

A equipe Corning / Menlo Micro iniciou sua colaboração com Corning HPFS Fused Silica glass , que é 99,999% de sílica pura (dióxido de silício) e fornece desempenho consistente e repetível. Para a camada de base, a Corning processou o vidro HPFS em pastilhas de 8 polegadas com meio milímetro de espessura. Para a camada de TGV, a Corning processou um wafer mais fino e usou lasers para fazer 100.000 orifícios, cada um com a metade da largura de um cabelo humano, e tudo sem quebrar o vidro e, finalmente, preencher esses orifícios com cobre para passar eletricidade através do vidro. O dispositivo de pegada pequena resultante mede 5,6 mm cúbicos de tamanho. Este switch Menlo Micro oferece manuseio de energia e desempenho de RF de um relé eletromecânico com o tamanho, peso, confiabilidade e velocidade de um switch de estado sólido.

A Corning e a Menlo Micro demonstraram a integração da tecnologia de embalagem TGV, que permitiu o desenvolvimento de RF de alto desempenho e produtos de energia para embalagens em escala de wafer ultrapequena. O TGV permite que a Menlo Micro diminua o tamanho de seus produtos de relé em mais de 60% em comparação com as tecnologias tradicionais de empacotamento de ligação por fio, tornando-o adequado para aplicações onde o aumento da densidade do canal e as reduções de SWaP-C são críticas.

Além da redução significativa do tamanho, a tecnologia TGV traz outros benefícios aos produtos de relé. Ao eliminar as ligações dos fios e substituí-las por vias metalizadas curtas e bem controladas, a Menlo Micro foi capaz de reduzir os parasitas do pacote em mais de 75%. Este projeto oferece suporte a frequências mais altas, que estão se tornando cada vez mais importantes em redes 5G, instrumentação de teste e inúmeras aplicações aeroespaciais e de defesa. Além disso, as propriedades exclusivas do vidro em comparação com os materiais de substrato tradicionais, como o silício (CMOS), permitem menores perdas de RF e maior linearidade, o que se traduz em menor consumo de energia e maior eficiência geral.

A implementação da tecnologia TGV em vidro hermeticamente selado elimina as interconexões desnecessárias que limitaram o desempenho do switch e do relé por décadas. Essa abordagem também aprimora o desempenho do switch e reduz o tamanho e o custo geral do dispositivo a níveis que beneficiarão muitos aplicativos.

A Menlo Micro e a Corning estão atualmente trabalhando juntas para aumentar a produção dos interruptores e, ao mesmo tempo, torná-los mais econômicos para a fabricação. A Corning recebeu o interesse de outras empresas que buscam aproveitar as vantagens da tecnologia TGV para aplicações como embalagens de vidro e monitores sofisticados sem moldura. A Corning também desenvolveu um design e processo proprietário para fornecer interconexões herméticas de cobre que permitem alta confiabilidade e tamanho de pacote reduzido, abrindo um caminho para a produção em massa de dispositivos habilitados para TGV.

Usando materiais, designs e técnicas de processamento de nível de wafer patenteados, a tecnologia de switch Menlo Micro demonstrou alta confiabilidade em aplicações que normalmente excedem 10 bilhões de operações de comutação com um roteiro que excede 20 bilhões, ao mesmo tempo em que lida com centenas de volts e dezenas de amperes de corrente. Este desenvolvimento na ciência de materiais avançada resultou em manuseio de energia sem precedentes (quilowatts) em um dispositivo micromecânico com excelente desempenho elétrico, tamanho, custo e confiabilidade em comparação com relés eletromecânicos tradicionais e comutadores de estado sólido.

Aproveitando o pacote de TGV, a Menlo está desenvolvendo produtos de retransmissão de RF que lidam com larguras de banda de DC-26 GHz, com um roteiro para se estender além de 50 GHz. A plataforma de relé micromecânico da Menlo Micro permite aplicações de RF e AC / DC para diversos mercados, como gerenciamento de baterias, automação residencial, veículos elétricos, militares e rádios profissionais, estações base 5G e IoT.

Aumentando a produção

Menlo Micro tem enviado produtos com base em sua tecnologia de switch de sua linha de produção de alto volume de 8 polegadas desde outubro de 2020, entregando a mais de 60 clientes líderes até o momento. Ao contrário dos relés eletromecânicos tradicionais, que são construídos um de cada vez nas linhas de montagem, milhares de dispositivos Menlo Micro Switch podem ser fabricados de uma vez em um processo em lote. Menlo Micro usa a mesma abordagem de fabricação alavancada pela indústria de semicondutores:fabricação baseada em wafer. Esse processo em lote totalmente automatizado permite a fabricação de switch em grande escala.

Conclusão

Ao longo de seus 170 anos de história, a Corning desenvolveu muitos tipos de produtos de vidro que agora têm ampla aplicação em nossas vidas diárias, desde a criação das primeiras lâmpadas até a proliferação de materiais de vidro avançados usados ​​em telas de smartphones e cabos de fibra óptica. A Corning se associou à Menlo Micro para repensar o relé eletromecânico tradicional e a chave de estado sólido. Juntos, eles estão fazendo pequenos interruptores micromecânicos com baixo consumo de energia, fabricados com vidro de alta pureza, uma realidade prática para as tecnologias de próxima geração que permitirão a eletrificação de tudo.

- Chris Giovanniello é o cofundador e vice-presidente sênior de marketing mundial da Menlo Micro.

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Menlo Micro foi apresentado como uma das 100 principais startups emergentes do EE Times para assistir, agora em seu 21º ^st edição.

O Silício 100 é uma lista de startups de eletrônicos e semicondutores que chamaram nossa atenção durante o ano anterior.

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>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, EE Times Europe.

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