Les commutateurs avancés s'appuient sur l'histoire de la technologie

Les commutateurs avancés surmontent les défauts traditionnels pour offrir un fonctionnement rapide, des durées de vie prolongées et une puissance élevée performances et taille de l'emballage microscopique.

Les commutateurs à semi-conducteurs et les relais électromécaniques aident à gérer l'alimentation dans tout ce qui a un courant électrique. Malgré leur omniprésence, les commutateurs et relais traditionnels présentent des lacunes majeures, notamment la perte d'énergie, le coût, le poids, la taille, les performances et la fiabilité. Ces limitations inhérentes compromettent la capacité de concevoir et de déployer des réseaux 5G de nouvelle génération et l'électrification de tout :la transition rapide vers les véhicules électriques, les sources d'énergie durables et un réseau électrique plus intelligent.

Menlo Micro a surmonté les limites des commutateurs à semi-conducteurs et des relais mécaniques avec une conception de commutateur micromécanique qui exploite les matériaux en verre de silice fondue Corning HPFS (HPFS) et la technologie à travers le verre (TGV) remplie de cuivre. Cette étude de cas présente comment Menlo Micro a collaboré avec Precision Glass Solutions de Corning pour créer des produits de commutation basés sur le verre HPFS de Corning. Les produits Ideal Switch qui en résultent peuvent fonctionner jusqu'à 1000 fois plus vite que les relais mécaniques, peuvent fonctionner plus longtemps, peuvent gérer des kilowatts de puissance et sont construits dans une microstructure plus petite qu'un cheveu humain, permettant la création de commutateurs micromécaniques qui peuvent fonctionner pendant des décennies sous conditions de stress élevé.

Un nouveau type de relais

La technologie fait des pas de géant alors que l'IoT, l'intelligence artificielle, la connectivité 5G et l'électrification de tout changent la façon dont nous nous connectons, partageons des informations, comprenons et contrôlons le monde qui nous entoure. Pour faire ce bond en avant, nous devons concevoir et construire la microélectronique de manière nouvelle et perturbatrice.

Un exemple concret :nous avons besoin de commutateurs et de relais de nouvelle génération qui sont plus rapides, plus petits, plus résistants et plus économes en énergie que les dispositifs à semi-conducteurs et électromécaniques traditionnels. Les commutateurs à semi-conducteurs sont basés sur la technologie de processus CMOS que la plupart des circuits intégrés (CI) sont fabriqués sur des plaquettes de silicium. Cependant, comme le silicium est un matériau semi-conducteur (c'est-à-dire un conducteur partiel), il n'est pas très efficace et sujet aux fuites, ce qui entraîne une perte d'énergie et une dissipation thermique considérables. Alors que les ingénieurs en microélectronique peuvent pousser les performances d'isolation dans le CMOS à des niveaux plus élevés, ils finissent par se heurter à des problèmes de physique fondamentale. Il y a des limites à ce qui peut être réalisé avec des plaquettes de silicium pour optimiser l'efficacité énergétique et minimiser les fuites. Et avec des technologies et des applications plus avancées, comme la nouvelle radio 5G, ces limitations deviendront encore plus prononcées. Le problème avec les commutateurs électromécaniques se résume à la nécessité de réduire la taille, le poids, la puissance et le coût (SWaP-C). Ces réductions seront fondamentales pour réduire la consommation d'énergie et accélérer la transition vers l'infrastructure 5G de nouvelle génération, la technologie médicale et les véhicules électriques. Une clé importante pour résoudre ces défis réside dans les innovations en science des matériaux et dans un matériau couramment disponible :le verre.

Le verre est un isolant; matériau idéal comme substrat diélectrique pour commutateur afin de remplacer les plaquettes de silicium à haute résistivité (HR-Si). Le verre a une résistivité de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle du HR-Si, ce qui signifie que l'électricité ne peut pas le traverser et qu'aucune énergie n'est perdue. La collaboration de Corning avec Menlo Micro élargit les possibilités de ce qui peut être réalisé avec des plaquettes de verre.

Collaboration Corning et Menlo Micro

(Source de l'image :Menlo Micro)

Corning et Menlo Micro partagent un lien historique avec l'un des plus grands inventeurs de tous les temps, Thomas Edison, le soi-disant « Magicien de Menlo Park ». Menlo Micro est né d'un effort de recherche d'une décennie chez General Electric (GE), fondé par Edison. Corning et Menlo Micro se concentrent sur la réinvention de quelque chose qu'Edison a lancé dans les années 1800 :le relais mécanique.

Un relais est un interrupteur électrique utilisé pour contrôler, alimenter et protéger tout ce qui fonctionne avec un courant électrique. Les interrupteurs sont des composants essentiels dans presque tous les appareils électriques que nous utilisons aujourd'hui. Il existe deux types traditionnels de commutateurs et de relais - électromécaniques et à semi-conducteurs - et tous deux présentent des inconvénients majeurs. Les commutateurs électromécaniques peuvent gérer des niveaux de puissance élevés, mais ils sont gros, lents, maladroits et notoirement peu fiables. Bien que les commutateurs à semi-conducteurs soient petits, rapides et fiables, ils fuient de l'énergie et génèrent de la chaleur car, en tant que dispositifs à semi-conducteurs, ils ne sont jamais complètement « éteints ».

Les ingénieurs tentent de surmonter ces lacunes depuis des décennies, mais le résultat final a été une série de compromis plutôt qu'une solution presque parfaite aux défis fondamentaux posés par les commutateurs à semi-conducteurs et les relais mécaniques.

Menlo Micro a conçu une technologie de commutateur micromécanique qui résout les principaux problèmes associés aux commutateurs et relais existants. Les micro-interrupteurs Menlo sont plus petits, plus légers, plus rapides, plus efficaces, mieux à même de gérer une puissance élevée et ont une durée de vie plus longue que les relais électromécaniques. Ils sont également plus adaptés aux RF (fournissant une plus grande linéarité) que les commutateurs à semi-conducteurs. Cette nouvelle technologie de commutation peut être appliquée à un large éventail d'applications, des dispositifs médicaux et des infrastructures de communication à l'aérospatiale et à l'électronique grand public.

Menlo Micro a pu résoudre le défi du commutateur, en partie grâce à sa collaboration technologique avec Corning. L'interrupteur Menlo Micro est construit sur du verre de silice hautement pur de Corning, ce qui permet une conception d'interrupteur plus petite et plus économe en énergie. Menlo Micro a également ajouté une autre couche de verre au-dessus du commutateur contenant de minuscules trous remplis de cuivre appelés traversées de verre (TGV), qui sont conçus pour acheminer le courant vers et depuis le commutateur. La transmission du signal à travers le verre réduit la distance que l'électricité doit parcourir de 70 %, ce qui réduit la taille et le coût du relais et améliore les performances électriques.

Bases techniques

Les fondateurs de Menlo Micro ont commencé leur travail de recherche et développement avec Corning alors qu'ils étaient encore employés de GE. L'équipe a passé des années à développer un processus de verre à partir de zéro. Avec plus de 40 millions de dollars de soutien de GE et plus de 12 ans de R&D, l'équipe de Menlo Micro a développé une technologie qui les conduirait finalement à une solution au commutateur électronique d'aujourd'hui. Leurs expériences chez GE ont suscité une nouvelle façon de penser, résultant en une nouvelle catégorie de commutateurs avec la capacité de faire évoluer de manière rentable la fabrication de commutateurs micromécaniques.

La collaboration de Menlo Micro avec Precision Glass Solutions de Corning a joué un rôle clé dans la nouvelle conception de l'interrupteur ; La division Precision Glass Solutions de Corning est un fabricant de plaquettes de verre de silice fondue de haute pureté. Les propriétés inhérentes du verre - excellentes performances électriques, tolérances géométriques serrées et qualité de surface irréprochable - en font un matériau approprié pour les dispositifs microélectroniques de nouvelle génération.

L'équipe Corning/Menlo Micro a commencé sa collaboration avec le Verre de silice fondue Corning HPFS , qui est de la silice pure à 99,999 % (dioxyde de silicium) et offre des performances constantes et reproductibles. Pour la couche de base, Corning a transformé le verre HPFS en plaquettes de 8 pouces d'un demi-millimètre d'épaisseur. Pour la couche TGV, Corning a traité une plaquette plus fine et a utilisé des lasers pour percer 100 000 trous, chacun faisant la moitié de la largeur d'un cheveu humain, et le tout sans fissurer le verre et enfin remplir ces trous avec du cuivre pour faire passer l'électricité à travers le verre. Le dispositif à faible encombrement résultant mesure 5,6 mm cubes. Ce micro-interrupteur Menlo offre la puissance et les performances RF d'un relais électromécanique avec la taille, le poids, la fiabilité et la vitesse d'un interrupteur à semi-conducteurs.

Corning et Menlo Micro ont démontré l'intégration de la technologie d'emballage TGV, qui a permis le développement de produits RF et d'alimentation hautes performances pour un emballage à l'échelle ultra-petite. TGV permet à Menlo Micro de réduire la taille de ses produits de relais de plus de 60 % par rapport aux technologies d'emballage traditionnelles à liaison filaire, ce qui le rend adapté aux applications où une densité de canaux accrue et des réductions SWaP-C sont essentielles.

En plus d'une réduction de taille significative, la technologie TGV apporte d'autres avantages aux produits relais. En éliminant les fils de liaison et en les remplaçant par des vias métallisés courts et bien contrôlés, Menlo Micro a pu réduire les parasites du boîtier de plus de 75 %. Cette conception prend en charge des fréquences plus élevées, qui deviennent de plus en plus importantes dans les réseaux 5G, l'instrumentation de test et de nombreuses applications aérospatiales et de défense. De plus, les propriétés uniques du verre par rapport aux matériaux de substrat traditionnels comme le silicium (CMOS) permettent des pertes RF plus faibles et une linéarité plus élevée, ce qui se traduit par une consommation d'énergie plus faible et une efficacité globale plus élevée.

La mise en œuvre de la technologie TGV dans du verre hermétiquement scellé élimine les interconnexions inutiles qui ont limité les performances des commutateurs et des relais pendant des décennies. Cette approche améliore également les performances du commutateur et réduit la taille globale de l'appareil et le coût à des niveaux qui profiteront à de nombreuses applications.

Menlo Micro et Corning travaillent actuellement ensemble pour accélérer la production des commutateurs tout en les rendant plus rentables à fabriquer. Corning a suscité l'intérêt d'autres sociétés cherchant à tirer parti de la technologie TGV pour des applications telles que les emballages en verre et les écrans haut de gamme sans lunette. Corning a également développé une conception et un processus de via propriétaires pour fournir des interconnexions hermétiques en cuivre qui permettent une fiabilité élevée et une taille de boîtier réduite, ouvrant la voie à la production en série d'appareils compatibles TGV.

Utilisant des matériaux exclusifs, des conceptions et des techniques de traitement au niveau des tranches, la technologie de commutation de Menlo Micro a démontré une fiabilité élevée dans des applications dépassant généralement 10 milliards d'opérations de commutation avec une feuille de route dépassant les 20 milliards, tout en gérant des centaines de volts et des dizaines d'ampères de courant. Ce développement de la science des matériaux de pointe a abouti à une puissance admissible (kilowatts) sans précédent dans un dispositif micromécanique avec d'excellentes performances électriques, taille, coût et fiabilité par rapport aux relais électromécaniques traditionnels et aux commutateurs à semi-conducteurs.

En s'appuyant sur l'emballage TGV, Menlo développe des produits de relais RF gérant des bandes passantes de DC-26 GHz, avec une feuille de route pour s'étendre au-delà de 50 GHz. La plate-forme de relais micromécanique de Menlo Micro permet des applications RF et AC/DC pour divers marchés tels que la gestion des batteries, la domotique, les véhicules électriques, les radios militaires et professionnelles, les stations de base 5G et l'IoT.

Rampe de production

Menlo Micro expédie des produits basés sur sa technologie de commutation depuis sa ligne de production à haut volume de 8 pouces depuis octobre 2020, livrant à ce jour à plus de 60 clients principaux. Contrairement aux relais électromécaniques traditionnels, qui sont construits un à la fois sur des chaînes de montage, des milliers de dispositifs de commutation Menlo Micro peuvent être fabriqués en même temps dans un processus par lots. Menlo Micro utilise la même approche de fabrication que celle utilisée par l'industrie des semi-conducteurs :la fabrication à base de plaquettes. Ce processus par lots entièrement automatisé permet une fabrication de commutateurs massivement évolutive.

Conclusion

Au cours de ses 170 ans d'histoire, Corning a développé de nombreux types de produits en verre qui ont désormais une large application dans notre vie quotidienne, de la création des premières ampoules à la prolifération de matériaux de verre avancés utilisés dans les écrans de smartphone et les câbles à fibre optique. Corning s'est associé à Menlo Micro pour repenser le relais électromécanique traditionnel et le commutateur à semi-conducteurs. Ensemble, ils font de minuscules commutateurs micromécaniques écoénergétiques fabriqués avec du verre de haute pureté une réalité pratique pour les technologies de nouvelle génération qui permettront l'électrification de tout.

— Chris Giovanniello est le co-fondateur et vice-président directeur du marketing mondial chez Menlo Micro.

---

Menlo Micro figurait parmi les 100 meilleures startups émergentes du EE Times à surveiller, maintenant dans sa 21 ^ère édition.

Le Silicon 100 est une liste des startups de l'électronique et des semi-conducteurs qui ont attiré notre attention au cours de l'année précédente.

Lisez le nouveau Silicon 100 qui est disponible en numérique sur EE Times Store.

>> Cet article a été initialement publié sur notre site frère, EE Times Europe.

---

Contenus associés :

• 10 facteurs pour trouver le commutateur parfait pour votre application
• Les minuscules commutateurs tactiles prennent en charge les conceptions IoT compactes
• Interrupteur d'alimentation intelligent conçu pour l'automatisation industrielle
• Une approche plus efficace pour développer des régulateurs de tension automatiques AC-AC
• Réduction de l'alimentation en veille de l'appareil

Pour plus d'informations sur Embedded, abonnez-vous à la newsletter hebdomadaire d'Embedded.