高度なスイッチは技術の歴史に基づいて構築されています
高度なスイッチは、従来の欠点を克服して、高速動作、長寿命、高電力性能、および微細なパッケージサイズを実現します。
ソリッドステートスイッチと電気機械式リレーは、電流ですべての電力を管理するのに役立ちます。どこにでもあるにもかかわらず、従来のスイッチとリレーには、エネルギー損失、コスト、重量、サイズ、パフォーマンス、信頼性などの大きな欠点があります。これらの固有の制限により、次世代5Gネットワークを設計および展開する能力と、電気自動車、持続可能なエネルギー源、よりスマートな電力網への急速な移行など、あらゆるものの電化が損なわれます。
Menlo Microは、Corning HPFSフューズドシリカガラス（HPFS）材料と銅充填スルーガラスビア（TGV）テクノロジーを活用したマイクロメカニカルスイッチ設計により、ソリッドステートスイッチとメカニカルリレーの制限を克服しました。このケーススタディでは、MenloMicroがコーニングのPrecisionGlass Solutionsと協力して、コーニングのHPFSガラスをベースにしたスイッチ製品を作成した方法を紹介します。結果として得られるIdealSwitch製品は、機械式リレーよりも最大1000倍高速に動作し、長寿命で動作し、キロワットの電力を処理でき、人間の髪の毛よりも小さい微細構造に組み込まれているため、数十年にわたって動作できるマイクロメカニカルスイッチを作成できます。高ストレス状態。
新しいタイプのリレー
IoT、人工知能、5G接続、そしてすべての電化が、私たちの接続、情報の共有、周囲の世界の理解と制御の方法を変えているため、テクノロジーは大きな飛躍を遂げています。この飛躍を遂げるには、マイクロエレクトロニクスを新しく破壊的な方法で設計および構築する必要があります。
好例：従来のソリッドステートおよび電気機械デバイスよりも高速で、小型で、弾力性があり、エネルギー効率の高い次世代のスイッチとリレーが必要です。ソリッドステートスイッチは、ほとんどの集積回路（IC）がシリコンウェーハ上に製造されているCMOSプロセス技術に基づいています。ただし、シリコンは半導体材料（つまり、部分導体）であるため、効率が低く、漏れが発生しやすく、エネルギー損失と熱放散がかなり発生します。マイクロエレクトロニクスのエンジニアは、CMOSの分離性能をより高いレベルに押し上げることができますが、最終的には基本的な物理学の問題に直面します。エネルギー効率を最適化し、漏れを最小限に抑えるためにシリコンウェーハで達成できることには限界があります。また、5G New Radioなどのより高度なテクノロジーやアプリケーションでは、これらの制限がさらに顕著になります。電気機械式スイッチの問題は、サイズ、重量、電力、およびコストを削減する必要性にあります（SWaP-C）。これらの削減は、エネルギー消費量を削減し、次世代5Gインフラストラクチャ、医療技術、および電気自動車への移行を加速するための基本となります。これらの課題を解決するための重要な鍵は、材料科学の革新と一般的に入手可能な材料であるガラスにあります。
ガラスは絶縁体です。高抵抗シリコン（HR-Si）ウェーハに代わるスイッチの誘電体基板として理想的な材料。ガラスの抵抗率はHR-Siよりも数桁高く、電気が通過できず、エネルギーが失われることはありません。コーニングとMenloMicroのコラボレーションにより、ガラスウェーハで達成できる可能性が広がります。
CorningとMenloMicroのコラボレーション
（画像ソース：Menlo Micro）
コーニングとメンロマイクロは、史上最高の発明家の1人、いわゆる「メンロパークの魔法使い」であるトーマスエジソンと歴史的なつながりを共有しています。 Menlo Microは、エジソンが設立したGeneral Electric（GE）での10年にわたる研究努力から生まれました。 CorningとMenloMicroはどちらも、1800年代にエジソンが開拓した機械式リレーの再発明に焦点を当てています。
リレーは、電流で動作するものを制御、電力供給、および保護するために使用される電動スイッチです。スイッチは、今日使用しているほぼすべての電気機器の重要なコンポーネントです。スイッチとリレーには、電気機械式とソリッドステートの2つの従来のタイプがあり、どちらにも大きな欠点があります。電気機械式スイッチは高レベルの電力を処理できますが、大きく、遅く、不格好で、信頼性が低いことで有名です。ソリッドステートスイッチは小型、高速、信頼性がありますが、半導体デバイスとして完全に「オフ」になることはないため、電力が漏れて熱が発生します。
エンジニアは何十年にもわたってこれらの欠点を克服しようとしてきましたが、最終的な結果は、ソリッドステートスイッチとメカニカルリレーによってもたらされる基本的な課題に対するほぼ完全な解決策ではなく、一連の妥協でした。
Menlo Microは、既存のスイッチとリレーに関連する主要な問題を解決するマイクロメカニカルスイッチテクノロジーを設計しました。 Menlo Microスイッチは、電気機械式リレーよりも小型、軽量、高速、効率的で、高電力をより適切に処理でき、動作寿命が長くなっています。また、ソリッドステートスイッチよりもRFに適しています（より高い直線性を提供します）。この新しいスイッチテクノロジーは、医療機器や通信インフラストラクチャから航空宇宙や家庭用電化製品まで、幅広いアプリケーションに適用できます。
Menlo Microは、コーニングとの技術コラボレーションのおかげで、スイッチの課題を解決することができました。 Menlo Microスイッチは、コーニングの高純度シリカガラス上に構築されているため、より小型でエネルギー効率の高いスイッチ設計が可能です。 Menlo Microはまた、スイッチとの間で電流を流すように設計されたガラス貫通ビア（TGV）と呼ばれる、銅で満たされた小さな穴を含むガラスの別の層をスイッチの上に追加しました。ガラスを通して信号を送信すると、電気が移動しなければならない距離が70％短縮され、リレーのサイズとコストが削減され、電気的性能が向上します。
技術的基盤
Menlo Microの創設者は、まだGEの従業員であったときに、コーニングで研究開発作業を開始しました。チームは、ガラスプロセスをゼロから開発するのに何年も費やしました。 GEからの4,000万ドル以上のサポートと、12年以上の研究開発により、Menlo Microチームは、最終的に今日の電子スイッチのソリューションにつながるテクノロジーを開発しました。 GEでの彼らの経験は、新しい考え方を生み出し、マイクロメカニカルスイッチの製造を費用効果の高い方法で拡張できる新しいカテゴリのスイッチを生み出しました。
MenloMicroとCorningのPrecisionGlass Solutionsとのコラボレーションは、新しいスイッチの設計において重要な役割を果たしました。 CorningのPrecisionGlass Solutions部門は、高純度の溶融石英ガラスウェーハのメーカーです。ガラスの固有の特性（優れた電気的性能、厳密な幾何公差、および手付かずの表面品質）により、ガラスは次世代のマイクロエレクトロニクスデバイスに適した材料になっています。
Corning / Menlo Microチームは、 Corning HPFS Fused Silica glass とのコラボレーションを開始しました。 、99.999％純粋なシリカ（二酸化ケイ素）であり、一貫した再現性のある性能を提供します。ベース層については、コーニングはHPFSガラスを0.5ミリメートルの厚さの8インチウェーハに加工しました。 TGV層の場合、コーニングはより薄いウェーハを処理し、レーザーを使用して、それぞれが人間の髪の毛の半分の幅の100,000の穴を開け、すべてガラスにひびを入れず、最後にこれらの穴に銅を埋めて電気を通しました。結果として得られる小さなフットプリントのデバイスは、サイズが5.6立方mmです。このMenloMicroスイッチは、ソリッドステートスイッチのサイズ、重量、信頼性、速度を備えた電気機械式リレーの電力処理とRF性能を提供します。
CorningとMenloMicroは、TGVパッケージング技術の統合を実証しました。これにより、高性能RFおよび電力製品の超小型ウェーハスケールパッケージングへの開発が可能になりました。 TGVにより、Menlo Microはリレー製品のサイズを従来のワイヤーボンドパッケージングテクノロジーと比較して60％以上縮小できるため、チャネル密度の向上とSWaP-Cの削減が重要なアプリケーションに適しています。
大幅なサイズ縮小に加えて、TGVテクノロジーはリレー製品に他の利点をもたらします。 Menlo Microは、ワイヤボンドを排除し、それらを短く、適切に制御された金属化ビアに置き換えることで、パッケージの寄生を75％以上削減することができました。この設計は、5Gネットワーク、テスト計装、および多数の航空宇宙および防衛アプリケーションでますます重要になっているより高い周波数をサポートします。さらに、ガラスとシリコン（CMOS）などの従来の基板材料の独自の特性により、RF損失を低減し、直線性を高めることができます。これにより、消費電力が削減され、全体的な効率が向上します。
密閉されたガラスにTGVテクノロジーを実装すると、スイッチとリレーのパフォーマンスが数十年にわたって制限されていた不要な相互接続が排除されます。このアプローチはまた、スイッチのパフォーマンスを向上させ、デバイス全体のサイズとコストを多くのアプリケーションに役立つレベルまで削減します。
Menlo MicroとCorningは現在、スイッチの製造をより費用効果の高いものにしながら、スイッチの生産を増やすために協力しています。コーニングは、ガラスパッケージやベゼルレスのハイエンドディスプレイなどのアプリケーションにTGVテクノロジーを利用しようとしている他の企業から関心を集めています。 Corningはまた、独自のビア設計とプロセスを開発して、高い信頼性とパッケージサイズの縮小を可能にする気密銅配線を提供し、TGV対応デバイスの大量生産への道を開きました。
Menlo Microのスイッチ技術は、独自の材料、設計、ウェーハレベルの処理技術を使用して、数百ボルトと数十アンペアの電流を処理しながら、通常100億を超えるスイッチング操作と200億を超えるロードマップで高い信頼性を実証しています。高度な材料科学におけるこの開発により、従来の電気機械式リレーやソリッドステートスイッチと比較して、優れた電気的性能、サイズ、コスト、および信頼性を備えたマイクロメカニカルデバイスで前例のない電力処理（キロワット）が実現しました。
Menloは、TGVパッケージを活用して、DC〜26 GHzの帯域幅を処理するRFリレー製品を開発しており、50GHzを超えるロードマップを備えています。 Menlo Microのマイクロメカニカルリレープラットフォームは、バッテリー管理、ホームオートメーション、電気自動車、軍用および業務用ラジオ、5G基地局、IoTなどのさまざまな市場向けのRFおよびAC / DCアプリケーションを可能にします。
ランピングプロダクション
Menlo Microは、2020年10月以来、8インチの大量生産ラインからスイッチ技術に基づいた製品を出荷しており、これまでに60を超える主要顧客に提供しています。組立ラインで一度に1つずつ構築される従来の電気機械式リレーとは異なり、何千ものMenloMicroスイッチデバイスをバッチプロセスで一度に製造できます。 Menlo Microは、半導体業界で活用されているのと同じ製造アプローチであるウェーハベースの製造を使用しています。この完全に自動化されたバッチプロセスにより、非常にスケーラブルなスイッチ製造が可能になります。
結論
コーニングは170年の歴史の中で、最初の電球の作成からスマートフォンの画面や光ファイバーケーブルに使用される高度なガラス材料の普及まで、現在私たちの日常生活に幅広く適用されている多くの種類のガラス製品を開発してきました。コーニングはMenloMicroと協力して、従来の電気機械式リレーとソリッドステートスイッチを再考しました。彼らは協力して、高純度ガラスで製造された小型でエネルギー効率の高いマイクロメカニカルスイッチを、すべての電化を可能にする次世代技術の実用的な現実にしています。
— Chris Giovannielloは、MenloMicroのワールドワイドマーケティングの共同創設者兼SVPです。
メンロマイクロ EETimesの注目すべき新興スタートアップトップ100の1つとして取り上げられ、現在21 st エディション。
シリコン100 は、前年に注目を集めた電子機器と半導体の新興企業のリストです。
EE TimesStoreからデジタルで入手できる新しくリリースされたSilicon100をお読みください。
>>この記事は、もともと姉妹サイトであるEE TimesEuropeで公開されました。
>
関連コンテンツ：
- アプリケーションに最適なスイッチを見つけるための10の要素
- 小さな触覚スイッチはコンパクトなIoT設計をサポートします
- 産業用自動化用に構築されたインテリジェント電源スイッチ
- AC-AC自動電圧レギュレータを開発するためのより効果的なアプローチ
- デバイスの待機電力を最小限に抑える
Embeddedの詳細については、Embeddedの週刊メールニュースレターを購読してください。
埋め込み