自晶体管问世以来电子行业最具突破性的革新：MEMS开关Ideal Switch
2022-08-04 14:30:52 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
Menlo Micro首席执行官（CEO）Russ Garcia先生详细解读了自晶体管问世以来电子行业最具突破性的技术革新——MEMS开关Ideal Switch。
微访谈：Menlo Micro首席执行官Russ Garcia
Menlo Microsystems（简称：Menlo Micro）以其Ideal Switch™技术平台重新发明了电子开关而闻名于世。Menlo Micro总部位于美国加利福尼亚州尔湾（Irvine）市，凭借其Ideal Switch技术平台创造了全新的MEMS开关类别。迄今，Menlo Micro累计融资总额已超过2.25亿美元。Ideal Switch通过将机电开关和固态开关的优点结合在一起，从而消除了妥协和权衡。Menlo Micro为医疗、航空航天、国防、电信、消费电子、工业物联网以及测试和测量等数十个行业带来了新的突破。近日，Microwave Journal采访了Menlo Micro首席执行官（CEO）Russ Garcia先生，详细解读了自晶体管问世以来电子行业最具突破性的技术革新——Ideal Switch。麦姆斯咨询对访谈内容进行了编译。
Q：请您介绍一下Menlo Micro的历史，以及如何推动RF MEMS开关技术的商业化。
Russ Garcia：对于老旧的开关技术的重新思考，催生了Menlo Micro及其“Ideal Switch”创新技术，以满足21世纪万物电气化的需求。这一切都始于通用电气全球研究中心的一支具有前瞻性思维的工程团队，他们开拓了商业可扩展的MEMS开关基础技术，这便是如今Ideal Switch的前身。
Ideal Switch
通用电气MEMS开关的开发源起2004年，当时通用电气设定了一个开发开关的目标，以显著改善可扩展制造技术中的能量传输。这推动了材料科学的发展，开发出了一种非常可靠且电性高效的金属合金，这成为Ideal Switch的基础。最终的解决方案将能够处理高功率，同时可靠地执行数十年、数十亿次操作，不会因泄漏和热量而造成功率损失，而这些问题影响了固态器件和机电器件在功率开关应用中的实用性。
经过12年的研发，通用电气及其合作伙伴于2016年决定将Menlo Micro分拆为一家独立运营的公司，以加快MEMS开关技术的研发，并将Ideal Switch技术商业化。最初的投资方包括通用电气的GE Ventures，以及Future Shape、Microsemi、康宁（Corning）和Paladin Capital，后来Standard Investments、Vertical Venture Partners、DBL Partners、Fidelity and Adage Capital也加入了投资者行列，使Menlo Micro累计融资总额超过了2.25亿美元。Menlo Micro利用通用电气的MEMS和材料科学专业积累开发了突破性的开关技术，该技术正在多个关键垂直领域变革电子开关，例如：半导体测试和测量、医疗设备、航空航天和国防、通信基础设施和智慧电力/能源分配等。Ideal Switch是自晶体管以来最具革命性的电子元件发明，对比其他具有成本效益的可扩展技术，Ideal Switch在尺寸、重量、功耗和性能方面提高了两到三个数量级。
Q：尽管业界对射频MEMS开关的优势早有认识，甚至还有一些初创公司投身其中，但技术挑战似乎压倒了它们中的大多数。通用电气做对了什么，从而完善了这项创新技术？
Russ Garcia：当通用电气团队于2004年开始MEMS开关研发时，考量了其他供应商提供的现有欧姆MEMS开关，但由于它们在恶劣环境条件下的不可靠性而遭到摒弃。我们发现，MEMS元件由于尺寸小，可以扩展用于开关，但面临的挑战是可靠性问题。因此，我们开始着手这个项目，从头打造我们自己的欧姆MEMS开关。我们开始为MEMS器件开发可靠的高温金属合金，这些合金可以在极端温度下工作，而不会影响性能。这些静电驱动的梁/接触结构结合了硅的机械性能和金属的导电性。挑战在于大规模制造这些微型器件，并使其能够承受数千伏、数十安培和千瓦级射频功率，同时运行数年或数十年而不出现故障。
欧姆MEMS开关主要有两个故障点：金属疲劳和接触磨损。通用电气的研究人员发现，虽然金属是很好的导体，但它们不是理想的弹簧材料，因为它们会随着时间和温度而发生变形。通用电气的研究人员开发了专有的制造工艺和电沉积合金，实现了具有类硅机械特性和金属导电性的MEMS执行器。Menlo Micro利用这些特殊合金制造了基于MEMS的射频开关，这些开关可以在数十年的使用寿命内处理千瓦级的功率。
Menlo Micro联手康宁打造的晶圆级键合TGV 8英寸射频MEMS开关晶圆
制造具有高可靠性的欧姆MEMS开关的另一个挑战，需要能够实现大规模低成本制造的封装。Menlo Micro与康宁合作，为通用电气的MEMS开关开发了一种创新的玻璃通孔（TGV）封装技术。TGV使我们的Ideal Switch器件能够封装在极小的晶圆级封装中，以实现大批量制造。
Menlo Micro的MEMS开关剖面示意图
经常有人问我：“为什么以前没有其他公司开发出这项技术？”事实是，有很多比Menlo Micro规模大得多的公司花了数年时间尝试发明这种开关，但我们是第一家成功的公司。通用电气在材料科学、冶金和失效分析方面投入了4,000万美元和12年的研发，最终开发出了这种解决可靠性问题的合金。实现了高可靠的MEMS开关，并具有显著降低的功耗和增强的电气性能。
Q：您说是MEMS技术实现了“Ideal Switch”，请解释一下是什么使其如此Ideal（理想）。
Russ Garcia：我们的MEMS开关技术之所以“理想”，是因为它消除了机电继电器（EMR）和固态开关所要求的折衷，针对数十种产业应用在尺寸、重量、功耗、效率和成本等关键参数方面降低了99%以上。
Ideal Switch是电子行业的“圣杯”，也是自晶体管发明以来最重要的创新之一。它是一种拥有所有机械式继电器和半导体开关的优点，却规避了它们缺陷的MEMS器件。Ideal Switch体积小、速度快、性能可靠、耐极端温度、超低损耗、并可处理高达1,000瓦功率。最重要的是，它可以利用常规的半导体设备进行大批量制造。
从电网到5G基础设施，再到先进的航空航天系统，下一代技术需要能够处理高功率水平的开关，并且，对于毫米波应用，其线性度非常高，比晶体管的线性度高出10,000倍。Ideal Switch实现了这些惊人特性，因为它的尺寸和我们合金的电气性能，使接触电阻非常低。Ideal Switch可以在不降低性能的情况下运行超过30亿个周期。Ideal Switch的工作寿命比机械继电器长1,000倍，是最可靠的开关技术之一。与传统开关技术相比，Ideal Switch将降低终端系统的总体成本，包括能耗和成本的降低。
Q：那它有什么短板吗？
Russ Garcia：尽管没有任何技术是完美的，但与体积大且可靠性不佳广为人知的EMR以及存在泄漏和能源浪费的固态开关相比，很难指出Ideal Switch有什么重大短板。与传统开关技术相比，使用Ideal Switch的好处是巨大的，行业术语SWaP-C最能体现：与传统技术相比，Ideal Switch的尺寸、重量、功耗和成本降低了99%以上。SWaP-C的降低，对于减少能源使用，以及加速向下一代电网、电动汽车、5G无线基础设施、智慧城市、航空航天、国防和医疗等技术的电气化过渡至关重要。
Ideal Switch与EMR、固态继电器的重量和尺寸对比
Q：请您介绍一下Menlo Micro的发展路线图，我们会在智能手机上看到Ideal Switch吗？
Russ Garcia：Menlo Micro提出了积极的路线图以开发寿命更长的射频MEMS开关，能够执行超过250亿到500亿次操作。这将使Ideal Switch在广泛的射频应用领域取代EMR，并在对功耗敏感的智能手机和其他需要长电池寿命的移动设备等消费类应用中取代固态开关。与固态开关相比，对于智能手机中使用的更高频段，Ideal Switch还可以实现高达10,000倍的线性度和无与伦比的射频性能。这些性能提升可转化为数据可用性的提高、传输速度的加快、掉线的减少和智能手机电池寿命的延长，同时实现更具创新性的智能手机设计。
在基础设施方面，下一代电网和电信网络将面临更大的挑战。系统设计人员将需要新的工具和开关技术来解决这些问题。尽管我们对未来5到10年Ideal Switch可以赋能哪些应用有比较清晰的愿景，但将这项技术推向市场我们还是很兴奋，我们将见证全球设计专家在许多行业和应用中利用Ideal Switch。
Q：Menlo Micro的市场重点正从射频扩展到您所说的“智慧电力”，请详细介绍一下此类应用以及应用MEMS开关技术的优势。
Russ Garcia：对于提高电网效率的智慧电力解决方案，必须解决两个问题：（1）减少能源浪费；（2）控制何时以及如何使用能源。这两点适用于纳米电网、微电网、州电网以及国家电网。通过减少能源浪费，电网可以降低其基本负荷预测，消耗更少的化石燃料，或建设更少的核电站。通过控制能源使用时间，电网运营商可以有效地管理分布的能源资源。
然而，利用如今的传统开关技术，更多的控制部署意味着使用更多的固态开关器件来执行关键的开关功能。如果是这样，有效控制分布式电网资源的任何收益，都将因半导体的能量损失或泄漏而减少。那么，现代电网的净基本负荷要求，将随着时间的推移而增加。
使用EMR也会给要求严格的电网控制带来挑战，因为它们的操作速度较慢，并且在寿命内的操作次数也有限。对于出现故障，在继电器发生故障之前会积聚大量能量，导致危险的电弧放电。事实上，在美国，每年因电弧放电伤害会造成2,000人住院。因此，相关预防措施（如大量维护资源和严格的维护计划来检查和更换继电器）和/或更高的保险费，使这一可靠性问题大大增加了运营成本。
基于MEMS技术的Ideal Switch解决了EMR和固态开关的上述限制，在晶体管大小的器件中提供了速度、能效和可靠性优势。以下介绍Ideal Switch极具变革潜力的几个示例：
更高的能效——如果全世界超过10亿台吊扇在风扇控制器中使用Ideal Switch，所节省的能源足以使17座燃煤发电厂退出电网。
更高的可靠性——用Ideal Switch替代机电继电器可靠性提升1,000倍，这意味着如果替换工业生产过程和设备控制的所有开关，到2050年，即可节约7万亿美元以上的运营成本。
更智能的控制——Ideal Switch的小体积及内置智能功能可实现以前无法实现的设备自动化水平。举个例子，美国建筑中有超过200亿个插座和开关。在建筑中使用高效Ideal Switch所节约的电量相当于11座发电厂的发电量。
Q：智慧电力相比射频应用有更大的市场机遇吗？
Russ Garcia：是的，据Adroit Market Research研究，到2028年，全球电气化市场规模预计将达到120亿美元，提供了巨大的增长机遇。全世界正在部署的机械或固态功率继电器的数量达到数十亿只。这些功率继电器必须处理千瓦级及以上的超大负载，并需要在长期可靠运行。应用范围覆盖从电子控制继电器到交直流接触器和微型断路器，它们在工业自动化、电池管理、汽车和家庭自动化中无处不在。
从家庭到制造业、再到整个世界的基础设施，到2050年，Ideal Switch可减少全球20%的排放量，节约价值370亿美元的电力，Ideal Switch正在创造一个更节能、更可持续的世界。Ideal Switch通过提高整个传统电力基础设施的能效，加速电气化进程，利用基于MEMS技术的高可靠、高能效开关，升级替代具有100年历史的继电器技术。
Q：今年3月，Menlo Micro完成了1.5亿美元C轮融资，声称此轮融资将有助于公司扩大在美国的制造、巩固你们的供应链。请您介绍一下Menlo Micro内部及供应链端的MEMS制造和封装策略。
Russ Garcia：我们最近完成的1.5亿美元融资有助于公司启动Ideal Switch在美国本土的制造。我们计划在美国制造Ideal Switch器件，并正在积极评估加州、纽约、德州和佛罗里达州的芯片制造工厂。
控制我们自己的供应链具有明显的地缘政治优势。新冠肺炎大流行清楚地表明，控制和确保弹性供应链，对于满足客户需求和市场需求至关重要。此外，半导体制造业的劳动密集度越来越低，因此劳动效率和成本在我们制造决策中所占的权重并不显著。这将给我们在制定战略供应链和产品路线图决策时提供更大的自由度。
Q：在新设计中应用Ideal Switch有多便捷？
Russ Garcia：在新的系统设计中应用Ideal Switch与任何等效的传统EMR或固态开关一样容易，在许多方面甚至更便捷。Ideal Switch的尺寸小得多、重量更轻、功耗和泄漏更低，并且成本更低，这些经过证明的优势将帮助设计师缩小电路板的形状尺寸，同时降低系统成本和复杂性。Ideal Switch器件的高集成度和低泄漏也意味着在电路板设计中需要的片外组件更少。例如，Ideal Switch的超低损耗可以消除对笨重散热器的需要，从而将电路板尺寸和体积减少高达90%。
Q：随着产能爬坡并不断推出新产品，从设计到生产的整个过程中，你们是如何接触并支持客户的？
Russ Garcia：过去两年来，客户的反馈绝大多数是非常积极的。现在，从半导体测试和测量、航空航天和国防、通信基础设施到智能电力应用，我们有来自不同客户的100多个设计承接，我们正在扩大我们的全球销售和客户支持团队，以满足他们的需求。
我们可扩展的制造能力对于客户来说也是一大优势。与传统EMR在装配线上一次制造一个不同，Menlo Micro可以在批量过程中一次制造数千个Ideal Switch。我们使用与半导体行业相同的制造方法：基于晶圆的制造。这种批处理工艺是100%自动化的，使Ideal Switch可以针对很多行业和应用进行大规模扩展。我们生产线的资质意味着我们可以经济高效地将生产规模扩大到每月数百万颗，以满足不断增长的客户需求。
我们为每个细分市场的Ideal Switch封装了基本的“automation handles”功能，以实现无缝系统级集成。对于封装自动化，我们充分考量了产品和系统生命周期。例如，利用我们的小型化技术，我们可以选择适合的形状尺寸便于它们改装。我们还在目标细分市场中寻找成熟的合作伙伴，通过支持下一代技术来增强它们经过验证的商业模式。
Q：请介绍一下您的背景，以及是什么让您选择加入Menlo Micro。
Russ Garcia：我在电子系统和半导体行业从业40多年，包括在上市和私营企业担任执行领导职务。作为Menlo Micro的首席执行官，我负责统筹公司的企业方向、愿景和战略，重点关注领导力、技术创新和客户。
在加入Menlo Micro之前，我创立了nGeniSys，这是一家专注于电子、半导体和电信行业的投资和咨询公司。我还在Microsemi担任营销副总裁，领导了Actel、Zarlink和Symmetricom的整合，在四年的时间里经手了超过7亿美元的并购。
当Menlo Micro首席执行官的机会出现时，我立即被这一挑战所吸引，即将Ideal Switch推向市场，加快产品路线图，提供将对电子行业和整个社会产生深远、积极影响的下一代产品。随着当今工业物联网和“万物电气化”的趋势，对小型化、低功耗和高可靠开关技术的需求将继续增长。
从首席执行官到产品工程师，Menlo Micro的每个人都有一种紧迫感，那就是通过变革性的开关技术帮助世界变得更美好、更绿色，这将为部署在全球各地的数十亿设备和系统节省大量能源。
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