Relais revolutioniert: Menlo Micro & Corning's glasbasierte mikromechanische Schalter

Fortgeschrittene Schalter überwinden traditionelle Schwächen und liefern schnellen Betrieb, verlängerte Lebensdauer, Hochleistungs-Performance und mikroskopische Gehäusegröße.

Festkörperschalter und elektromechanische Relais sind allgegenwärtig in Power-Management-Anwendungen, leiden aber unter Energieverlust, hohen Kosten, Gewicht, Volumen, begrenzter Performance und Zuverlässigkeitsproblemen. Diese Einschränkungen behindern den Einsatz next-generation 5G-Netzwerken und der Elektrifizierung von Fahrzeugen, erneuerbaren Energiesystemen und Smart Grids.

Menlo Micro hat diese Herausforderungen adressiert, indem es einen mikromechanischen Schalter schuf, der Corning's HPFS Fused Silica Glas und kupfergefüllte Through-Glass-Vias (TGV) nutzt. In Partnerschaft mit Corning's Precision Glass Solutions produzierte Menlo Micro Schalter, die bis zu 1.000× schneller als mechanische Relais sind, dramatisch längere Lebensdauer bieten, Kilowatt-Klasse-Leistung handhaben und in einen Footprint passen, der kleiner als ein menschliches Haar ist. Diese Schalter versprechen jahrzehntelangen zuverlässigen Betrieb unter Hochstress-Bedingungen.

Eine neue Generation von Relais

Das Internet der Dinge, künstliche Intelligenz, 5G-Konnektivität und die weitreichende Elektrifizierung verändern, wie wir verbinden, Daten teilen und die Welt steuern. Um Schritt zu halten, muss sich die Mikroelektronik in beispielloser Weise weiterentwickeln.

Schalter der nächsten Generation müssen schneller, kleiner, widerstandsfähiger und energieeffizienter sein als heutige Festkörper- oder elektromechanische Geräte. Traditionelle Festkörperschalter basieren auf CMOS-Silizium, das als Halbleiter unvermeidlich Leckstrom aufweist und Wärme dissipiert. Elektromechanische Relais können zwar hohe Leistung handhaben, sind aber groß, langsam und unzuverlässig. Die fundamentale Physik von Silizium und die mechanischen Constraints von Relais limitieren Fortschritt. Die Lösung liegt in fortgeschrittener Materialwissenschaft – besonders Glas.

Glas ist ein exzellentes Dielektrikum: seine Resistivität ist um mehrere Größenordnungen höher als hochwiderständiges Silizium und verhindert Energieverlust. Cornings Partnerschaft mit Menlo Micro erweitert, was mit Glaswafern erreicht werden kann.

Corning & Menlo Micro Kollaboration

Relais revolutioniert: Menlo Micro & Corning s glasbasierte mikromechanische Schalter — (Bildquelle: Menlo Micro)

Die Partnerschaft erinnert an das Erbe von Thomas Edison, Erfinder des mechanischen Relais und Gründer von GE. Beide Unternehmen erfinden das Relais neu – einen elektrisch betätigten Schalter, der für praktisch jedes elektronische Gerät essenziell ist.

Elektromechanische Relais können hohe Leistung handhaben, sind aber voluminös, langsam und unzuverlässig. Festkörperschalter sind klein und schnell, leiden aber unter Leckage und Hitze. Über Jahrzehnte haben Ingenieure eine Schwäche gegen die andere getauscht, ohne je eine perfekte Lösung zu erreichen.

Menlo Micros mikromechanischer Schalter löst diese Kernprobleme. Er ist kleiner, leichter, schneller, effizienter und handhabt hohe Leistung, während er längere Lebensdauern als elektromechanische Relais bietet. Er liefert auch überlegene RF-Performance im Vergleich zu Festkörperschaltern, was ihn ideal für Medizinprodukte, Kommunikationsinfrastruktur, Luftfahrt und Consumer-Elektronik macht.

Der Durchbruch war möglich dank Cornings ultra-reinem verschmolzenem Siliziumglas. Menlo Micro fügte eine zweite Glasschicht mit kupfergefüllten TGVs hinzu, die Strom direkt durch das Glas leiten, die Weglänge um 70 % verkürzen, Größe, Kosten reduzieren und Performance steigern.

Technische Grundlagen

Menlo Micros Gründer begannen ihre F&E bei GE, investierten über 40 Millionen Dollar und 12 Jahre Forschung, um eine glasbasierte Schalterlösung zu entwickeln. Ihre Erfahrung bei GE trieb einen neuen Ansatz an, der in einem Schalter mündete, der kosteneffizient massenproduzierbar ist.

Die Kollaboration mit Cornings Precision Glass Solutions brachte Zugang zu hochreinen (99,999 %) verschmolzenen Siliziumwafern. Die Basisschicht ist ein 8-Zoll-Wafer, einen halben Millimeter dick; die TGV-Schicht ist ein dünnerer Wafer, gebohrt mit 100.000 Mikro-Löchern (halbe Haaresbreite) und mit Kupfer gefüllt. Das resultierende Gerät misst 5,6 mm³ und vereint die Leistungsfähigkeit eines elektromechanischen Relais mit der Geschwindigkeit, dem Gewicht, der Zuverlässigkeit und der Größe eines Festkörperschalters.

Durch Integration von TGV-Verpackung reduziert Menlo Micro Relaisgröße um über 60 % im Vergleich zu Wire-Bonded-Designs und erfüllt kritische SWaP-C-Anforderungen für High-Density-Anwendungen. Das Eliminieren von Wire Bonds schneidet Paket-Parasitics um mehr als 75 %, was höhere Frequenzen ermöglicht – essenziell für 5G, Testinstrumentierung, Luftfahrt und Verteidigung.

Hermetische Glasverpackung entfernt unnötige Interconnects, die Relaisperformance seit Jahrzehnten limitierten, und erhöht Zuverlässigkeit bei gleichzeitiger Reduktion von Gesamtgröße und Kosten.

Menlo Micro und Corning skalieren die Produktion und machen die Schalter erschwinglicher. Cornings proprietäres Via-Design liefert hermetische Kupfer-Interconnects, die Massenproduktion unterstützen, während andere Industrien TGV für Glasverpackung und rahmenlose Displays erkunden.

Menlo Micros Schaltertechnologie hat Zuverlässigkeit von über 10 Milliarden Schaltzyklen demonstriert, mit Roadmap zu 20 Milliarden, während sie Hunderte Volt und Zehner Ampere handhabt. Sie erreicht Kilowatt-Klasse-Leistung in einem mikromechanischen Gerät mit exzellenter elektrischer Performance, kompakter Größe und niedrigen Kosten im Vergleich zu traditionellen Relais und Festkörperschaltern.

Mit TGV-Verpackung entwickelt Menlo RF-Relais mit Bandbreiten von DC bis 26 GHz, mit Ziel über 50 GHz. Die Plattform dient Batteriemanagement, Home Automation, Elektrofahrzeuge, Militär, professionelle Funkgeräte, 5G-Basisstationen und IoT.

Produktionshochlauf

Seit Oktober 2020 hat Menlo Micro Geräte von seiner 8-Zoll-Hochvolumen-Produktionslinie an über 60 führende Kunden geliefert. Im Gegensatz zu Einzelgerät-elektromechanischen Relais werden tausende mikromechanische Schalter simultan in einem Wafer-Level-Batch-Prozess gefertigt – einer automatisierten, skalierbaren Methode aus der Halbleiterindustrie.

Fazit

Cornings 170-jähriges Erbe in Glasinnovation – von der ersten Glühbirne bis zu modernen Smartphone-Displays – unterstützt nun eine neue Generation mikromechanischer Relais. Gemeinsam liefern Corning und Menlo Micro winzige, energieeffiziente Schalter aus hochreinem Glas, die die Elektrifizierung aller Dinge und den Einsatz von 5G, KI und IoT-Netzwerken ermöglichen.

– Chris Giovanniello, Co-Founder & SVP of Worldwide Marketing, Menlo Micro.

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