先进的交换机克服了传统的缺点，提供了快速操作、延长寿命、高功率性能和微小的封装尺寸。

固态开关和机电继电器有助于通过电流管理所有设备的电源。尽管传统的开关和继电器无处不在，但它们仍有主要缺点，包括能量损失、成本、重量、尺寸、性能和可靠性。这些固有的局限性损害了设计和部署下一代5G网络的能力以及一切的电气化——向电动汽车、可持续能源和更智能的电网的快速过渡。


Menlo Micro通过微机械开关设计克服了固态开关和机械继电器的局限性，该设计利用了康宁HPFS熔融硅玻璃（HPFS）材料和铜填充玻璃通孔（TGV）技术。本案例研究介绍了Menlo Micro如何与康宁精密玻璃解决方案合作，在康宁HPFS玻璃的基础上开发开关产品。由此产生的理想开关产品的运行速度比机械继电器快1000倍，运行寿命更长，可以处理千瓦的功率，并且内置在比人头发还小的微观结构中，能够制造出在高应力条件下运行数十年的微机械开关。


一种新型继电器


随着物联网、人工智能、5G连接和万物电气化正在改变我们连接、共享信息、理解和控制周围世界的方式，技术正在取得巨大飞跃。要实现这一飞跃，我们需要以新的颠覆性方式设计和制造微电子。


一个很好的例子是：我们需要比传统固态和机电设备更快、更小、更具弹性和能效的下一代开关和继电器。固态开关基于CMOS工艺技术，大多数集成电路（IC）都是在硅片上制造的。然而，由于硅是一种半导体材料（即部分导体），它的效率不高，容易泄漏，导致相当大的能量损失和散热。虽然微电子工程师可以将CMOS的隔离性能提高到更高的水平，但他们最终会遇到基本的物理问题。使用硅片可以实现的优化能源效率和最大限度地减少泄漏是有限的。随着5G新无线电等更先进的技术和应用，这些限制将变得更加明显。机电开关的问题归结为需要减小尺寸、重量、功率和成本（SWaP-C）。这些减排对于降低能源消耗和加快向下一代5G基础设施、医疗技术和电动汽车的过渡至关重要。解决这些挑战的一个重要关键在于材料科学的创新和一种常见的材料：玻璃。


玻璃是一种绝缘体；作为开关的电介质衬底的理想材料，以取代高电阻率硅（HR-Si）晶片。玻璃的电阻率比HR-Si高几个数量级，这意味着电不能通过它，也不会损失能量。康宁与Menlo Micro的合作正在扩大玻璃晶圆的可能性。


Corning和Menlo Micro的合作


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（图片来源：Menlo微型)

Corning和Menlo Micro与有史以来最伟大的发明家之一托马斯·爱迪生（Thomas Edison）有着历史性的联系，他被称为“Menlo Park的巫师”。Menlo Micro诞生于爱迪生创立的通用电气公司（GE）长达十年的研究工作。Corning和Menlo Micro都专注于重新发明爱迪生在19世纪开创的东西：机械继电器。


继电器是一种电动开关，用于控制、供电和保护任何有电流运行的东西。开关是我们今天使用的几乎每一种电气设备的关键部件。有两种传统类型的开关和继电器——机电式和固态——两者都有很大的缺点。机电开关可以处理高功率，但它们体积大、速度慢、笨重，而且以不可靠著称。虽然固态开关小巧、快速、可靠，但它们会泄漏功率并产生热量，因为作为半导体器件，它们永远不会完全“关闭”


几十年来，工程师们一直在努力克服这些缺点，但最终的结果是一系列妥协，而不是一个近乎完美的解决方案来解决固态开关和机械继电器带来的根本挑战。


Menlo Micro设计了一种微机械开关技术，解决了与现有开关和继电器相关的主要问题。Menlo Micro开关比机电继电器更小、更轻、更快、更高效，能够更好地处理高功率，并且具有更长的工作寿命。它们也比固态开关更适合射频（提供更高的线性度）。这种新的交换机技术可以应用于广泛的应用，从医疗设备和通信基础设施到航空航天和消费电子产品。


Menlo Micro之所以能够解决交换机的挑战，部分原因是其与康宁的技术合作。Menlo Micro开关基于康宁公司的高纯硅玻璃，可实现更小、更节能的开关设计。Menlo Micro还在开关顶部添加了另一层玻璃，其中包含被称为玻璃通孔（TGV）的微小铜填充孔，该通孔旨在将电流路由到开关和从开关引出。通过玻璃传输信号可以将电力传输的距离缩短70%，从而降低继电器的尺寸和成本，提高电气性能。


技术基础


Menlo Micro的创始人在还是通用电气员工时就开始了与康宁的研发工作。该团队花了数年时间从头开始开发玻璃工艺。在通用电气4000多万美元的支持下，经过12年多的研发，Menlo Micro团队开发了一项技术，最终将为他们提供当今电子开关的解决方案。他们在通用电气的经历引发了一种新的思维方式，产生了一种具有成本效益的微型机械开关制造能力的新型开关。


Menlo Micro与康宁精密玻璃解决方案公司的合作在新的开关设计中发挥了关键作用；康宁精密玻璃解决方案部门是一家高纯度熔融二氧化硅玻璃晶圆的制造商。玻璃固有的财产——优异的电气性能、严格的几何公差和原始的表面质量——使其成为下一代微电子器件的合适材料。


Corning/Menlo Micro团队开始与康宁HPFS熔融石英玻璃，是99.999%的纯二氧化硅（二氧化硅），可提供一致、可重复的性能。对于基层，康宁公司将HPFS玻璃加工成半毫米厚的8英寸晶圆。对于TGV层，康宁公司处理了一块更薄的晶片，并使用激光钻了100000个孔，每个孔的宽度是人头发的一半，所有这些都没有打碎玻璃，最后用铜填充这些孔，使电流通过玻璃。由此产生的占地面积小的装置尺寸为5.6立方毫米。这款Menlo Micro开关具有机电继电器的功率处理和RF性能，具有固态开关的尺寸、重量、可靠性和速度。


Corning和Menlo Micro展示了TGV封装技术的集成，这使得高性能射频和功率产品能够开发到超小型晶圆级封装。与传统的引线键合封装技术相比，TGV使Menlo Micro能够将其继电器产品的尺寸缩小60%以上，使其适用于提高通道密度和降低SWaP-C至关重要的应用。


除了显著缩小尺寸外，TGV技术还为继电器产品带来了其他好处。通过消除引线键合并用短的、控制良好的金属化过孔取代它们，Menlo Micro能够将封装寄生降低75%以上。这种设计支持更高的频率，这在5G网络、测试仪器以及众多航空航天和国防应用中变得越来越重要。此外，与硅（CMOS）等传统衬底材料相比，玻璃具有独特的财产，能够降低射频损耗和提高线性度，从而降低功耗和提高整体效率。


在密封玻璃中实施TGV技术消除了几十年来限制开关和继电器性能的不必要的互连。这种方法还增强了交换机性能，并将整体设备大小和成本降低到有利于许多应用程序的水平。


Menlo Micro和Corning目前正在合作提高开关的产量，同时使其制造成本效益更高。康宁受到了其他公司的兴趣，这些公司希望利用TGV技术应用于玻璃封装和无边框高端显示器等应用。康宁还开发了一种专有的通孔设计和工艺，以提供密封的铜互连，从而实现高可靠性和减小封装尺寸，为TGV器件的大规模生产开辟了道路。


Menlo Micro的开关技术使用专有材料、设计和晶圆级处理技术，在通常超过100亿次开关操作的应用中证明了高可靠性，路线图超过200亿次，同时处理数百伏和数十安培的电流。与传统的机电继电器和固态开关相比，先进材料科学的这一发展在微机械设备中产生了前所未有的功率处理（千瓦），具有优异的电气性能、尺寸、成本和可靠性。


利用TGV封装，Menlo正在开发处理DC-26 GHz带宽的RF继电器产品，并制定了扩展到50 GHz以上的路线图。Menlo Micro的微机械继电器平台为电池管理、家庭自动化、电动汽车、军事和专业无线电、5G基站和物联网等不同市场提供了RF和AC/DC应用。


冲压生产


自2020年10月以来，Menlo Micro一直在其8英寸大批量生产线上运送基于其交换机技术的产品，迄今已向60多个主要客户交付。与在装配线上一次制造一个的传统机电继电器不同，数千个Menlo Micro开关设备可以在一个批量过程中一次性制造。Menlo Micro采用了与半导体行业相同的制造方法：基于晶圆的制造。这种完全自动化的批处理过程实现了大规模可扩展的交换机制造。


结论


在170年的历史中，康宁开发了许多类型的玻璃产品，这些产品现在在我们的日常生活中有着广泛的应用，从第一批灯泡的制造到智能手机屏幕和光纤电缆中使用的先进玻璃材料的激增。康宁与Menlo Micro合作，重新思考传统的机电继电器和固态开关。他们共同努力，使用高纯度玻璃制造的微型节能微机械开关成为下一代技术的现实，从而实现一切电气化。


-Chris Giovanniello是Menlo Micro的联合创始人兼全球营销高级副总裁。


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