مع استمرار الأجهزة الإلكترونية في الانكماش في الحجم مع نمو قوة المعالجة، برزت الإدارة الحرارية كواحدة من أهم التحديات في تصميم أشباه الموصلات. عادةً ما تعمل المعالجات الدقيقة والدوائر المتكاملة والمكونات الإلكترونية المعقدة الأخرى بفعالية فقط ضمن نطاق درجة حرارة محدد. عندما تولد هذه المكونات حرارة زائدة أثناء التشغيل، فإن ذلك لا يضعف أدائها فحسب، بل يقلل أيضًا من موثوقية النظام بشكل عام — وفي الحالات القصوى، يمكن أن يؤدي إلى فشل النظام بالكامل.

بالنسبة للمصممين، يعد التحكم في درجة حرارة التشغيل أمرًا بالغ الأهمية. حتى التخفيض المتواضع في درجة حرارة التشغيل لجهاز أشباه الموصلات السيليكوني النموذجي يؤدي إلى تحسينات كبيرة في كل من الموثوقية وعمر المنتج. وكما أشار أحد مراقبي الصناعة، فإن "الإدارة الحرارية الفعالة أمر بالغ الأهمية بالنسبة للارتفاع-أجهزة الطاقة، حيث أن الحرارة الزائدة يمكن أن تؤدي إلى انخفاض أدائها وموثوقيتها".

الحل الجرافيت

أدخل الجرافيت — وهي المادة التي أصبحت بسرعة حجر الزاوية في المستقبل-توليد حلول الإدارة الحرارية. تهيمن على سوق مواد الأفلام الحرارية حاليًا ثلاث فئات: أفلام الجرافيت الحرارية الطبيعية، وأفلام الجرافيت الحرارية الاصطناعية، وأفلام النانو.-أفلام الكربون الحرارية. الشركات الرائدة في كل فئة هي GrafTech على التوالي (الولايات المتحدة الأمريكية)باناسونيك (اليابان)، و إس كيه سي (كوريا الجنوبية).

تعتبر GrafTech شركة رائدة عالميًا في منتجات الجرافيت الهندسية وأفلام التوصيل الحراري العالية، وتمتلك مجموعة كبيرة من براءات الاختراع في معالجة أفلام الجرافيت وتخدم كبار مصنعي المعدات الأصلية في حلول تبريد الهواتف الذكية وإلكترونيات الطاقة وحزم بطاريات السيارات الكهربائية.. كانت الشركة رائدة في استخدام صفائح جسيمات الجرافيت الممدد المضغوطة لمواجهة التحديات الحرارية وسوق استخدام هذه المادة في الإدارة الحرارية للمنتجات الإلكترونية.

الطباعة ثلاثية الأبعاد تجتمع مع ركائز الجرافيت

واليوم، وباستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، اخترعت شركة GrafTech لوحة دوائر مرنة تتميز بركيزة مرنة من الجرافيت-. ومن خلال طباعة الطبقات العازلة والطبقات الموصلة والمكونات الإلكترونية الإضافية على مصفوفة الجرافيت المرنة، ابتكرت الشركة حلاً يعمل على توزيع الحرارة بشكل فعال بعيدًا عن المكونات دون الإضرار بالأجزاء المجاورة. تشتمل لوحة الدائرة المرنة على طبقة عازلة مكونة على سطح الركيزة المرنة من الجرافيت وطبقة موصلة للكهرباء مكونة على سطح العازل الكهربائي. العالية في-توفر التوصيل الحراري المستوي لركيزة الجرافيت قدرة معززة على نقل الحرارة، مما يؤدي إلى نقل الحرارة بشكل فعال بعيدًا عن المكونات الإلكترونية لتحسين التبريد.

ولهذا الابتكار آثار عميقة على تصغير الأجهزة الإلكترونية وتخفيف حجمها مثل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة المسطحة-أجهزة تلفزيون لوحة. يمكن للوحة الدائرة المرنة أن تدعم الضوء-الثنائيات الباعثة (المصابيح) — وهو تطبيق بالغ الأهمية بشكل خاص حيث تعمل الشركات المصنعة باستمرار على زيادة سطوع الشاشة، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك طاقة LED، وبالتالي توليد حرارة أكبر يضر بتشغيل شاشات الكريستال السائل.

براءات الاختراع والتطبيقات المستقبلية

تتضمن محفظة براءات اختراع GrafTech في هذا المجال WO2016015032A1 ("لوحة دوائر مرنة مع ركيزة من الجرافيت وترتيبات الدوائر باستخدام نفس الشيء") والملفات ذات الصلة. إن الموافقة على براءات الاختراع هذه تعزز بشكل كبير قدرة GrafTech على تصنيع الأجهزة الإلكترونية من مواد مرنة يمكن لفها أو تمديدها أو ثنيها بشكل متكرر..

من المتوقع أن تصبح الإلكترونيات المرنة والقابلة للانحناء بديلاً محتملاً للوحات الدوائر المطبوعة الحالية، على نطاق واسع-تتراوح التطبيقات في الهواتف الذكية القابلة للطي، ومختلف الأجهزة القابلة للارتداء، وأنظمة السيارات.

تطور موازٍ في الإلكترونيات القابلة للتمدد

وبالصدفة، في بداية عام 2017، حقق فريق بحثي من جامعة ميسوري للعلوم والتكنولوجيا طفرة في مجال ذي صلة. نجح الباحثون في دمج ركائز مرنة مع مواد موصلة صلبة — الجمع بين خصائص المواد المختلفة بشكل أساسي — باستخدام تقنية تسمى "الطباعة المباشرة للهباء الجوي". تتضمن العملية رش مادة موصلة على ركيزة قابلة للتمدد لتطوير أجهزة استشعار يمكن وضعها على الجلد.

يمكن لف الأسطح المرنة وتمديدها وثنيها بشكل متكرر، مما يتيح إنتاج منتجات إلكترونية قابلة للانحناء والمط دون أي تأثير تقريبًا على الأداء. الدكتور هينج بان، أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية وهندسة الطيران في جامعة ميسوري س&تي وشركاه-أشار مؤلف الورقة البحثية إلى أن التصنيع الإضافي يوفر حلاً اقتصاديًا للتغلب على عدم التطابق بين قواعد المطاط الصناعي المرنة والموصلات الإلكترونية الهشة. وكتب الباحثون أن "الطباعة المباشرة، باعتبارها طريقة تصنيع مضافة، من شأنها أن تلبي هذه المتطلبات وتوفر تكلفة منخفضة وسرعة عالية في كل من النماذج الأولية والتصنيع"..

الطريق إلى الأمام

As the demand for, smaller form-تستمر إلكترونيات العوامل في النمو، وستزداد أهمية الإدارة الحرارية. مواد الجرافيت — with their exceptional in-التوصيل الحراري للطائرة والتوافق مع تقنيات التصنيع المتقدمة مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد — نحن في وضع يسمح لنا بقيادة الثورة القادمة في الموثوقية الإلكترونية.

يمثل التقارب بين تكنولوجيا الركيزة الجرافيتية والتصنيع الإضافي نقلة نوعية في كيفية تصميم الدوائر الإلكترونية وإنتاجها. من الهواتف القابلة للطي إلى الأجهزة الطبية القابلة للارتداء إلى أنظمة السيارات، لم يعد عصر الإلكترونيات المرنة والقابلة للتمدد والمُحسَّنة حرارياً وعدًا بعيدًا — وهو يتشكل بالفعل على خطوط الإنتاج وفي مختبرات الأبحاث في جميع أنحاء العالم.