기술 역사를 기반으로 하는 고급 스위치

고급 스위치는 기존의 단점을 극복하여 빠른 작동, 연장된 수명, 높은 전력을 제공합니다. 성능 및 미세한 패키지 크기.

무접점 스위치와 전자 기계 릴레이는 전류로 모든 것의 전원을 관리하는 데 도움이 됩니다. 편재성에도 불구하고 기존 스위치 및 계전기는 에너지 손실, 비용, 무게, 크기, 성능 및 안정성을 비롯한 주요 단점이 있습니다. 이러한 고유한 한계는 차세대 5G 네트워크를 설계 및 배포하는 능력과 모든 것을 전기화하는 능력, 즉 전기 자동차, 지속 가능한 에너지원 및 더 스마트한 전기 그리드로의 신속한 전환을 저해합니다.

Menlo Micro는 Corning HPFS 용융 실리카 유리(HPFS) 재료와 구리 충전 TGV(Through-Glass-via) 기술을 활용하는 미세 기계식 스위치 설계로 무접점 스위치 및 기계식 계전기의 한계를 극복했습니다. 이 사례 연구에서는 Menlo Micro가 Corning의 Precision Glass Solutions와 협력하여 Corning의 HPFS 유리를 기반으로 한 스위치 제품을 만든 방법을 보여줍니다. 결과적으로 나온 Ideal Switch 제품은 기계식 계전기보다 최대 1000배 더 빠르게 작동할 수 있고 더 긴 수명을 작동할 수 있으며 킬로와트의 전력을 처리할 수 있으며 머리카락보다 작은 미세 구조로 제작되어 수십 년 동안 작동할 수 있는 미세 기계식 스위치를 만들 수 있습니다. 높은 스트레스 조건.

새로운 유형의 릴레이

IoT, 인공 지능, 5G 연결 및 모든 것의 전기화가 우리가 연결하고 정보를 공유하며 주변 세계를 이해하고 제어하는 ​​방식을 변화시킴에 따라 기술은 거대한 도약을 하고 있습니다. 이러한 도약을 위해 우리는 새롭고 파괴적인 방식으로 마이크로일렉트로닉스를 설계하고 구축해야 합니다.

적절한 사례:우리는 기존의 솔리드 스테이트 및 전기 기계 장치보다 더 빠르고 더 작고 더 탄력 있고 에너지 효율적인 차세대 스위치와 릴레이가 필요합니다. 반도체 스위치는 대부분의 집적 회로(IC)가 실리콘 웨이퍼에서 제조되는 CMOS 공정 기술을 기반으로 합니다. 그러나 실리콘은 반도체 물질(즉, 부분 전도체)이기 때문에 효율이 좋지 않고 누출되기 쉬우므로 상당한 에너지 손실과 방열이 발생합니다. 마이크로일렉트로닉스 엔지니어는 CMOS의 절연 성능을 더 높은 수준으로 끌어올릴 수 있지만 결국 근본적인 물리학 문제에 봉착하게 됩니다. 에너지 효율을 최적화하고 누출을 최소화하기 위해 실리콘 웨이퍼로 달성할 수 있는 것에는 한계가 있습니다. 그리고 5G New Radio와 같은 고급 기술과 애플리케이션으로 이러한 한계는 더욱 뚜렷해질 것입니다. 전자기계식 스위치의 문제는 크기, 무게, 전력 및 비용(SWaP-C)을 줄여야 하는 필요성으로 귀결됩니다. 이러한 감소는 에너지 소비를 줄이고 차세대 5G 인프라, 의료 기술 및 전기 자동차로의 전환을 가속화하는 데 기본이 될 것입니다. 이러한 문제를 해결하기 위한 중요한 열쇠는 재료 과학의 혁신과 일반적으로 사용 가능한 재료인 유리에 있습니다.

유리는 절연체입니다. 고저항 실리콘(HR-Si) 웨이퍼를 대체하기 위한 스위치용 유전체 기판으로 이상적인 재료입니다. 유리는 HR-Si보다 몇 배나 높은 저항률을 가지므로 전기가 유리를 통과할 수 없고 에너지 손실이 없습니다. Menlo Micro와 Corning의 협력은 유리 웨이퍼로 달성할 수 있는 가능성을 확대하고 있습니다.

코닝과 Menlo Micro의 협력

(이미지 출처:Menlo Micro)

Corning과 Menlo Micro는 역사상 가장 위대한 발명가 중 한 명인 소위 "멘로 파크의 마법사"인 Thomas Edison과 역사적인 유대를 공유하고 있습니다. Menlo Micro는 Edison이 설립한 General Electric(GE)에서 10년 간의 연구 노력을 통해 탄생했습니다. Corning과 Menlo Micro는 모두 Edison이 1800년대에 개척한 것인 기계식 계전기를 재발명하는 데 주력하고 있습니다.

계전기는 전류로 작동하는 모든 것을 제어, 전원 공급 및 보호하는 데 사용되는 전기적으로 작동되는 스위치입니다. 스위치는 오늘날 우리가 사용하는 거의 모든 전기 장치의 중요한 구성 요소입니다. 두 가지 전통적인 유형의 스위치와 계전기(전자기계식 및 무접점)가 있으며 둘 다 큰 단점이 있습니다. 전기 기계 스위치는 높은 수준의 전력을 처리할 수 있지만 크고 느리고 투박하고 신뢰할 수 없는 것으로 유명합니다. 솔리드 스테이트 스위치는 작고 빠르며 신뢰할 수 있지만 반도체 장치처럼 완전히 "꺼진" 상태가 아니기 때문에 전력이 누출되고 열이 발생합니다.

엔지니어들은 수십 년 동안 이러한 단점을 극복하기 위해 노력해 왔지만 최종 결과는 무접점 스위치 및 기계식 릴레이가 제기하는 근본적인 문제에 대한 거의 완벽한 솔루션이 아니라 일련의 절충안이었습니다.

Menlo Micro는 기존 스위치 및 릴레이와 관련된 주요 문제를 해결하는 미세 기계식 스위치 기술을 설계했습니다. Menlo Micro 스위치는 전기 기계 계전기보다 더 작고, 가벼우며, 빠르고, 더 효율적이고, 고전력을 더 잘 처리할 수 있으며, 작동 수명이 더 깁니다. 또한 솔리드 스테이트 스위치보다 RF 친화적입니다(높은 선형성 제공). 이 새로운 스위치 기술은 의료 기기 및 통신 인프라에서 항공 우주 및 소비자 전자 제품에 이르기까지 광범위한 애플리케이션에 적용될 수 있습니다.

Menlo Micro는 부분적으로 Corning과의 기술 협력 덕분에 스위치 문제를 해결할 수 있었습니다. Menlo Micro 스위치는 더 작고 에너지 효율적인 스위치 설계를 가능하게 하는 Corning의 고순도 석영 유리를 기반으로 합니다. Menlo Micro는 또한 TGV(유리 관통 비아)로 알려진 작은 구리로 채워진 구멍을 포함하는 스위치 상단에 또 다른 유리 층을 추가했는데, 이 구멍은 스위치로 또는 스위치에서 전류를 라우팅하도록 설계되었습니다. 유리를 통해 신호를 전송하면 전기가 이동해야 하는 거리가 70% 줄어들고 릴레이의 크기와 비용이 줄어들고 전기 성능이 향상됩니다.

기술적 기반

Menlo Micro의 창립자는 GE 직원이었을 때 Corning과 함께 연구 개발 작업을 시작했습니다. 팀은 처음부터 유리 공정을 개발하는 데 수년을 보냈습니다. GE의 4천만 달러 이상의 지원과 12년 이상의 R&D를 통해 Menlo Micro 팀은 궁극적으로 오늘날의 전자 스위치에 대한 솔루션으로 이끄는 기술을 개발했습니다. GE에서의 경험은 새로운 사고 방식을 촉발시켰고, 그 결과 초소형 기계식 스위치 제조를 비용 효율적으로 확장할 수 있는 능력을 갖춘 새로운 범주의 스위치가 탄생했습니다.

Menlo Micro와 Corning의 Precision Glass Solutions와의 협력은 새로운 스위치 설계에서 핵심적인 역할을 했습니다. 코닝의 정밀 유리 솔루션 사업부는 고순도 용융 석영 유리 웨이퍼 제조업체입니다. 유리의 고유한 특성(우수한 전기적 성능, 엄격한 기하학적 허용 오차, 깨끗한 표면 품질)은 차세대 마이크로 전자 장치에 적합한 재료입니다.

Corning/Menlo Micro 팀은 Corning HPFS 용융 실리카 유리와 공동 작업을 시작했습니다. , 99.999% 순수 실리카(이산화규소)이며 일관되고 반복 가능한 성능을 제공합니다. 베이스 레이어의 경우 Corning은 HPFS 유리를 두께가 0.5밀리미터인 8인치 웨이퍼로 가공했습니다. TGV 층의 경우 Corning은 더 얇은 웨이퍼를 처리하고 레이저를 사용하여 각각 사람 ​​머리카락 너비의 절반인 100,000개의 구멍을 뚫었습니다. 모두 유리를 깨고 최종적으로 이 구멍에 구리를 채워 유리를 통해 전기를 전달하지 않았습니다. 결과적으로 작은 설치 공간을 차지하는 장치의 크기는 5.6입방 mm입니다. 이 Menlo Micro 스위치는 무접점 스위치의 크기, 무게, 안정성 및 속도와 함께 전자 기계 계전기의 전력 처리 및 RF 성능을 제공합니다.

Corning과 Menlo Micro는 고성능 RF 및 전력 제품을 초소형 웨이퍼 스케일 패키징으로 개발할 수 있는 TGV 패키징 기술의 통합을 시연했습니다. TGV를 통해 Menlo Micro는 기존 와이어 본드 패키징 기술에 비해 릴레이 제품의 크기를 60% 이상 줄일 수 있어 채널 밀도 증가와 SWaP-C 감소가 중요한 애플리케이션에 적합합니다.

상당한 크기 감소 외에도 TGV 기술은 릴레이 제품에 다른 이점을 제공합니다. 와이어 본드를 제거하고 짧고 잘 제어된 금속화 비아로 교체함으로써 Menlo Micro는 패키지 기생을 75% 이상 줄일 수 있었습니다. 이 설계는 5G 네트워크, 테스트 계측, 수많은 항공우주 및 방위 애플리케이션에서 점점 더 중요해지고 있는 더 높은 주파수를 지원합니다. 또한 실리콘(CMOS)과 같은 기존 기판 재료와 비교하여 유리의 고유한 특성은 RF 손실을 낮추고 선형성을 높여 전력 소비를 낮추고 전반적인 효율성을 높입니다.

밀폐된 유리에 TGV 기술을 구현하면 수십 년 동안 스위치 및 릴레이 성능이 제한되었던 불필요한 상호 연결이 제거됩니다. 또한 이 접근 방식은 스위치 성능을 향상시키고 전체 장치 크기와 비용을 많은 애플리케이션에 도움이 되는 수준으로 줄입니다.

Menlo Micro와 Corning은 현재 함께 협력하여 스위치 생산을 더욱 비용 효율적으로 만드는 동시에 스위치 생산을 늘리고 있습니다. 코닝은 유리 포장 및 베젤이 없는 고급 디스플레이와 같은 응용 분야에 TGV 기술을 활용하려는 다른 회사의 관심을 받았습니다. 또한 코닝은 높은 신뢰성과 감소된 패키지 크기를 가능하게 하는 밀폐형 구리 인터커넥트를 제공하는 독점 비아 설계 및 프로세스를 개발하여 TGV 지원 장치의 대량 생산을 위한 길을 열었습니다.

독점적인 재료, 디자인 및 웨이퍼 수준 처리 기술을 사용하여 Menlo Micro의 스위치 기술은 수백 볼트 및 수십 암페어의 전류를 처리하면서 로드맵이 200억을 초과하는 로드맵과 함께 일반적으로 100억 스위칭 작업을 초과하는 애플리케이션에서 높은 신뢰성을 입증했습니다. 고급 재료 과학의 이러한 발전으로 인해 기존의 전자 기계 릴레이 및 무접점 스위치에 비해 우수한 전기적 성능, 크기, 비용 및 신뢰성을 갖춘 마이크로 기계 장치에서 전례 없는 전력 처리(킬로와트)가 발생했습니다.

Menlo는 TGV 패키징을 활용하여 50GHz 이상으로 확장하는 로드맵과 함께 DC-26GHz의 대역폭을 처리하는 RF 릴레이 제품을 개발하고 있습니다. Menlo Micro의 마이크로 기계식 릴레이 플랫폼은 배터리 관리, 홈 오토메이션, 전기 자동차, 군사 및 전문 라디오, 5G 기지국 및 IoT와 같은 다양한 시장을 위한 RF 및 AC/DC 애플리케이션을 가능하게 합니다.

생산 증가

Menlo Micro는 2020년 10월부터 8인치 대용량 생산 라인에서 스위치 기술을 기반으로 제품을 출하하여 현재까지 60명 이상의 주요 고객에게 납품하고 있습니다. 조립 라인에서 한 번에 하나씩 제작되는 기존의 전기 기계 릴레이와 달리 수천 개의 Menlo Micro 스위치 장치는 일괄 프로세스에서 한 번에 제조할 수 있습니다. Menlo Micro는 반도체 산업에서 활용하는 것과 동일한 제조 접근 방식인 웨이퍼 기반 제조를 사용합니다. 이 완전히 자동화된 배치 프로세스는 대규모로 확장 가능한 스위치 제조를 가능하게 합니다.

결론

170년의 역사 동안 코닝은 최초의 전구 제작부터 스마트폰 화면 및 광섬유 케이블에 사용되는 고급 유리 재료의 확산에 이르기까지 오늘날 우리의 일상 생활에 광범위하게 적용되는 다양한 유형의 유리 제품을 개발해 왔습니다. Corning은 Menlo Micro와 협력하여 기존의 전자 기계 계전기 및 무접점 스위치를 재고했습니다. 그들은 함께 모든 것을 전기화할 수 있는 차세대 기술을 위해 고순도 유리로 제조된 에너지 효율적인 소형 초소형 기계식 스위치를 만들고 있습니다.

— Chris Giovanniello는 Menlo Micro의 공동 창립자이자 전세계 마케팅 SVP입니다.

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멘로 마이크로 EE Times에서 주목해야 할 100대 신흥 신생 기업 중 하나로 선정되었으며 현재 21번째 에디션.

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>> 이 기사는 원래 자매 사이트인 EE Times Europe에 게시되었습니다.

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