以技术历史为基础的高级开关

高级开关克服了传统缺点，可提供快速操作、延长使用寿命和高功率性能和微观封装尺寸。

固态开关和机电继电器有助于通过电流管理所有事物的电源。尽管它们无处不在，但传统的开关和继电器具有主要的缺点，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事物的电气化——快速过渡到电动汽车、可持续能源和更智能的电网。

Menlo Micro 利用康宁 HPFS 熔融石英玻璃 (HPFS) 材料和铜填充玻璃通孔 (TGV) 技术的微机械开关设计克服了固态开关和机械继电器的局限性。本案例研究展示了 Menlo Micro 如何与康宁的精密玻璃解决方案合作开发基于康宁 HPFS 玻璃的开关产品。由此产生的 Ideal Switch 产品的运行速度比机械继电器快 1000 倍，可以运行更长的寿命，可以处理千瓦级的功率，并且内置在比人的头发还小的微观结构中，从而能够创建可以在以下情况下运行数十年的微机械开关高压力条件。

一种新型中继

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、共享信息以及理解和控制周围世界的方式，技术正在取得巨大的飞跃。为了实现这一飞跃，我们需要以全新的颠覆性方式设计和制造微电子产品。

一个恰当的例子：我们需要比传统的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），它的效率不是很高，而且容易泄漏，从而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 中的隔离性能提升到更高水平，但他们最终会遇到基本的物理问题。使用硅晶片可以实现的优化能源效率和最小化泄漏是有限的。随着更先进的技术和应用，如 5G 新无线电，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)。这些减少将是降低能源消耗和加速向下一代 5G 基础设施、医疗技术和电动汽车过渡的基础。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用材料：玻璃。

玻璃是绝缘体；作为开关介质基板的理想材料，可替代高电阻硅 (HR-Si) 晶片。玻璃的电阻率比 HR-Si 高几个数量级，这意味着电流不能通过它，也不会损失能量。康宁与 Menlo Micro 的合作正在扩大玻璃晶圆实现的可能性。

Corning 和 Menlo Micro 合作

康宁和 Menlo Micro 与有史以来最伟大的发明家之一、被称为“门洛帕克奇才”的托马斯爱迪生有着历史渊源。 Menlo Micro 诞生于爱迪生创立的通用电气 (GE) 长达十年的研究工作。康宁和 Menlo Micro 都专注于重新发明爱迪生在 1800 年代开创的东西：机械继电器。

继电器是一种电动开关，用于控制、供电和保护任何以电流运行的设备。开关是我们今天使用的几乎所有电气设备中的关键组件。有两种传统类型的开关和继电器——机电式和固态式——两者都有很大的缺点。机电开关可以处理高水平的功率，但它们体积大、速度慢、笨重，而且出了名的不可靠。虽然固态开关体积小、速度快且可靠，但它们会泄漏电力并产生热量，因为作为半导体设备，它们永远不会完全“关闭”。

几十年来，工程师一直试图克服这些缺点，但最终结果是一系列妥协，而不是针对固态开关和机械继电器带来的基本挑战的近乎完美的解决方案。

Menlo Micro 设计了一种微机械开关技术，可以解决与现有开关和继电器相关的主要问题。与机电继电器相比，Menlo 微型开关更小、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。它们也比固态开关对 RF 更友好（提供更高的线性度）。这种新的开关技术可应用于广泛的应用，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 能够解决开关难题，部分原因在于它与康宁的技术合作。 Menlo 微动开关采用康宁的高纯度石英玻璃制成，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，其中包含称为玻璃通孔 (TGV) 的微小填充铜孔，旨在将电流传入和传出开关。通过玻璃传输信号使电力必须传输的距离缩短了 70%，从而减小了继电器的尺寸和成本，并提高了电气性能。

技术基础

Menlo Micro 的创始人在还是 GE 员工时就开始与康宁进行研发工作。该团队花了数年时间从头开始开发玻璃工艺。凭借 GE 超过 4000 万美元的支持和超过 12 年的研发，Menlo Micro 团队开发了一项技术，最终将引导他们找到当今电子开关的解决方案。他们在 GE 的经历激发了一种新的思维方式，产生了一种新型开关，能够经济高效地扩展微机械开关制造。

Menlo Micro 与康宁精密玻璃解决方案的合作在新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石英玻璃晶圆制造商。玻璃的固有特性——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设备的合适材料。

康宁/Menlo Micro 团队开始与康宁 HPFS 熔融石英玻璃合作 ，它是 99.999% 纯二氧化硅（二氧化硅），可提供一致、可重复的性能。对于基层，康宁将 HPFS 玻璃加工成半毫米厚的 8 英寸晶圆。对于 TGV 层，康宁加工了一个更薄的晶片，并使用激光钻了 100,000 个孔，每个孔的宽度是人类头发的一半，而且所有孔都没有使玻璃破裂，最后用铜填充这些孔，使电流通过玻璃。由此产生的小尺寸设备尺寸为 5.6 立方毫米。这款 Menlo 微型开关具有机电继电器的功率处理能力和射频性能，同时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，使高性能 RF 和电源产品的开发能够发展到超小晶圆级封装。与传统的焊线封装技术相比，TGV 使 Menlo Micro 能够将其继电器产品的尺寸缩小 60% 以上，使其适用于增加通道密度和降低 SWaP-C 至关重要的应用。

除了显着减小尺寸外，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控制良好的短金属化过孔代替它们，Menlo Micro 能够将封装寄生效应降低 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) 等传统基板材料相比，玻璃的独特特性可实现更低的射频损耗和更高的线性度，从而转化为更低的功耗和更高的整体效率。

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。这种方法还提高了交换机性能，并将整体设备尺寸和成本降低到有利于许多应用程序的水平。

Menlo Micro 和康宁目前正在共同努力提高开关的产量，同时使它们的制造更具成本效益。康宁已经收到了其他公司的兴趣，这些公司寻求将 TGV 技术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，以提供可实现高可靠性和减小封装尺寸的密封铜互连，为批量生产支持 TGV 的设备开辟了道路。

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展示了高可靠性，路线图将超过 200 亿次，同时处理数百伏特和数十安培的电流。与传统机电继电器和固态开关相比，先进材料科学的这一发展使微机械设备具有前所未有的功率处理能力（千瓦），具有出色的电气性能、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，其路线图扩展到 50 GHz 以上。 Menlo Micro 的微机械继电器平台支持各种市场的射频和交流/直流应用，例如电池管理、家庭自动化、电动汽车、军事和专业无线电、5G 基站和物联网。

斜坡生产

自 2020 年 10 月以来，Menlo Micro 一直在其 8 英寸大批量生产线上交付基于其开关技术的产品，迄今为止已交付给 60 多个主要客户。与在装配线上一次制造一个的传统机电继电器不同，Menlo 微动开关器件可以在批量过程中一次制造。 Menlo Micro 使用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支持大规模可扩展的开关制造。

结论

在其 170 年的历史中，康宁开发了多种类型的玻璃产品，这些产品现在广泛应用于我们的日常生活，从第一个灯泡的创造到用于智能手机屏幕和光纤电缆的先进玻璃材料的普及。康宁与 Menlo Micro 合作，重新思考传统的机电继电器和固态开关。他们携手合作，使由高纯度玻璃制成的微型、节能的微机械开关成为下一代技术的实用现实，使一切事物都实现电气化。

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

Menlo Micro 被评为 EE Times 前 100 名值得关注的新兴初创公司之一，目前排名第 21 ^st 版。

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>> 本文最初发表在我们的姊妹网站 EE Times Europe。

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