Révolutionner les relais : les commutateurs micromécaniques à base de verre de Menlo Micro et Corning

Des commutateurs avancés surmontent les lacunes traditionnelles pour offrir un fonctionnement rapide, une durée de vie prolongée, une performance de puissance élevée et une taille de boîtier microscopique.

Les commutateurs à semi-conducteurs et relais électromécaniques sont omniprésents dans les applications de gestion de puissance, mais ils souffrent de pertes d'énergie, coût élevé, poids, encombrement, performance limitée et problèmes de fiabilité. Ces contraintes entravent le déploiement des réseaux 5G de nouvelle génération et l'électrification des véhicules, systèmes d'énergie renouvelable et réseaux intelligents.

Menlo Micro a relevé ces défis en créant un commutateur micromécanique utilisant le verre de silice fondue HPFS de Corning et des vias traversants en verre remplis de cuivre (TGV). En partenariat avec Corning Precision Glass Solutions, Menlo Micro a produit des commutateurs jusqu'à 1 000× plus rapides que les relais mécaniques, offrant une durée de vie dramatiquement plus longue, gérant une puissance de classe kilowatt, et tenant dans une empreinte plus petite qu'un cheveu humain. Ces commutateurs promettent des décennies de fonctionnement fiable sous conditions de haute contrainte.

Une nouvelle génération de relais

L'Internet des objets, l'intelligence artificielle, la connectivité 5G et l'électrification généralisée redéfinissent notre façon de connecter, partager des données et contrôler le monde. Pour suivre le rythme, la microélectronique doit évoluer de manière sans précédent.

Les commutateurs de nouvelle génération doivent être plus rapides, plus petits, plus résilients et plus économes en énergie que les dispositifs à semi-conducteurs ou électromécaniques d'aujourd'hui. Les commutateurs à semi-conducteurs traditionnels reposent sur le silicium CMOS, qui, en tant que semi-conducteur, fuit inévitablement du courant et dissipe de la chaleur. Les relais électromécaniques, bien que capables de gérer de haute puissance, sont grands, lents et peu fiables. La physique fondamentale du silicium et les contraintes mécaniques des relais limitent le progrès. La solution réside dans la science des matériaux avancée — particulièrement le verre.

Le verre est un excellent diélectrique : sa résistivité est plusieurs ordres de grandeur supérieure au silicium à haute résistivité, empêchant les pertes d'énergie. Le partenariat de Corning avec Menlo Micro étend ce qui peut être réalisé avec des wafers de verre.

Collaboration Corning & Menlo Micro

(Source de l'image : Menlo Micro)

Le partenariat fait écho à l'héritage de Thomas Edison, inventeur du relais mécanique et fondateur de GE. Les deux entreprises réinventent le relais, un commutateur actionné électriquement essentiel à pratiquement tout dispositif électronique.

Les relais électromécaniques peuvent gérer de haute puissance mais sont encombrants, lents et peu fiables. Les commutateurs à semi-conducteurs sont petits et rapides mais souffrent de fuites et de chaleur. Depuis des décennies, les ingénieurs ont échangé une faiblesse contre une autre, n'atteignant jamais une solution parfaite.

Le commutateur micromécanique de Menlo Micro résout ces problèmes fondamentaux. Il est plus petit, plus léger, plus rapide, plus efficace, capable de gérer de haute puissance tout en offrant une durée de vie plus longue que les relais électromécaniques. Il offre également une performance RF supérieure aux commutateurs à semi-conducteurs, le rendant idéal pour dispositifs médicaux, infrastructure de communications, aérospatiale et électronique grand public.

La percée a été rendue possible grâce au verre de silice fondue ultra-pur de Corning. Menlo Micro a ajouté une seconde couche de verre contenant des TGV remplis de cuivre qui acheminent le courant directement à travers le verre, raccourcissant la distance de parcours de 70 %, réduisant taille, coût et boostant la performance.

Fondations techniques

Les fondateurs de Menlo Micro ont commencé leur R&D chez GE, investissant plus de 40 millions $ et 12 ans de recherche pour développer une solution de commutateur à base de verre. Leur expérience chez GE a stimulé une nouvelle approche, aboutissant à un commutateur producible en masse de façon rentable.

La collaboration avec Corning Precision Glass Solutions a apporté l'accès à des wafers de silice fondue de haute pureté (99,999 %). La couche de base est un wafer 8 pouces d'un demi-millimètre d'épaisseur ; la couche TGV est un wafer plus fin percé de 100 000 micro-trous (largeur d'un demi-cheveu) et remplis de cuivre. Le dispositif résultant mesure 5,6 mm³ et combine la gestion de puissance d'un relais électromécanique avec la vitesse, le poids, la fiabilité et la taille d'un commutateur à semi-conducteurs.

En intégrant l'empaquetage TGV, Menlo Micro réduit la taille du relais de plus de 60 % par rapport aux designs à wire-bonding, répondant aux exigences critiques SWaP-C pour les applications à haute densité. L'élimination des wire bonds réduit aussi les parasitiques d'empaquetage de plus de 75 %, permettant des fréquences plus élevées essentielles pour la 5G, l'instrumentation de test, l'aérospatiale et la défense.

L'empaquetage en verre hermétique élimine les interconnects inutiles qui ont limité la performance des relais pendant des décennies, améliorant la fiabilité tout en réduisant taille et coût globaux.

Menlo Micro et Corning augmentent la production et rendent les commutateurs plus abordables. Le design de via propriétaire de Corning fournit des interconnects cuivre hermétiques supportant la production de masse, tandis que d'autres industries explorent le TGV pour l'empaquetage verre et les affichages sans bords.

La technologie de commutateur de Menlo Micro a démontré une fiabilité dépassant 10 milliards de cycles de commutation, avec une feuille de route vers 20 milliards, tout en gérant des centaines de volts et dizaines d'ampères. Elle atteint une gestion de puissance de classe kilowatt dans un dispositif micromécanique avec une excellente performance électrique, taille compacte et faible coût comparé aux relais traditionnels et commutateurs à semi-conducteurs.

En utilisant l'empaquetage TGV, Menlo développe des relais RF avec des bandes passantes de DC à 26 GHz, visant à dépasser 50 GHz. La plateforme sert la gestion de batterie, domotique, véhicules électriques, militaire, radios professionnelles, stations de base 5G et l'IdO.

Montée en production

Depuis octobre 2020, Menlo Micro a expédié des dispositifs depuis sa ligne de production 8 pouces à haut volume vers plus de 60 clients majeurs. Contrairement aux relais électromécaniques à dispositif unique, des milliers de commutateurs micromécaniques sont fabriqués simultanément dans un processus par lots au niveau wafer — une méthode automatisée et scalable utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs.

Conclusion

L'héritage de 170 ans de Corning dans l'innovation verrière — de la première ampoule aux écrans de smartphones modernes — soutient maintenant une nouvelle génération de relais micromécaniques. Ensemble, Corning et Menlo Micro livrent de minuscules commutateurs économes en énergie construits en verre haute pureté, permettant l'électrification de tout et le déploiement des réseaux 5G, IA et IdO.

— Chris Giovanniello, Co-fondateur & SVP Marketing Mondial, Menlo Micro.

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Menlo Micro figurait parmi les 100 startups émergentes à surveiller d'EE Times dans sa 21e édition.

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>> Cet article a été publié à l'origine sur notre site frère, EE Times Europe.

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