Тъй като електронните устройства продължават да намаляват по размер, докато мощността на обработка нараства, термичното управление се очертава като едно от най-критичните предизвикателства в съвременния електронен дизайн. Сега пробивът на GrafTech International Holdings Inc. се справя с това предизвикателство-на—използване на технология за 3D печат за създаване на гъвкави платки с графитни субстрати, които драматично подобряват разсейването на топлината за високи-захранващи светодиоди и друга топлина-генериращи компоненти.

Предизвикателството за управление на топлината

В днешните електронни устройства топлината е враг на производителността и надеждността. Микропроцесори, интегрални схеми и други сложни електронни компоненти обикновено работят ефективно само в рамките на определени температурни прагове. Когато тези компоненти генерират прекомерна топлина по време на работа, това не само влошава тяхната собствена производителност, но и намалява цялостната надеждност на системата—и дори може да доведе до пълен отказ на системата.

Залозите са особено високи за високо-захранващи светодиоди. Тъй като производителите непрекъснато настояват за по-ярки дисплеи и по-ярки решения за осветление, светодиодите консумират все повече енергия. Всъщност приблизително 70 до 85 процента от входящата мощност, консумирана от светодиодите, се преобразува в топлина, а не в светлина. Тази топлина е вредна за работата на светодиодите и, ако не се управлява правилно, може значително да съкрати живота на устройството и да компрометира работата.

Надеждността на полупроводниковите устройства се подобрява драстично при по-ниски работни температури-. Проучванията показват, че дори 10°Повишаването на температурата при C може да намали наполовина експлоатационния живот на устройството. За дизайнерите контролирането на работната температура е от съществено значение за максимизиране на живота и надеждността на компонентите.

Ново решение: 3D-Печатни гъвкави графитни платки

GrafTech, световен лидер в графитни и въглеродни продукти-, разработи иновативен подход към управлението на топлината. Използвайки технологията за 3D печат, компанията е изобретила гъвкава платка с гъвкав графитен субстрат. Чрез 3D печат, диелектрични слоеве и електропроводими слоеве—заедно с допълнителни електронни компоненти—се отпечатват директно върху гъвкавата графитна матрица.

Структурата е елегантно проста, но много ефективна: върху повърхността на гъвкавия графитен субстрат се образува диелектричен слой и след това върху повърхността на диелектрика се образува електропроводим слой. Електропроводимият слой—които могат да включват сребро, мед или алуминий или да се нанасят като дебели-паста за филмови проводници—образува електрическата верига. Проводимият слой може да бъде нанесен чрез различни техники за печат, включително ситопечат или 3D печат.

Превъзходна термична производителност

Ключът към тази технология се крие в самия графитен субстрат. Гъвкавият графит предлага изключително високо съдържание-равнинна топлопроводимост—обикновено варира от 300 до 1500 W/м·К-. Това позволява на топлината да се разпространява бързо и ефективно по повърхността на субстрата, отдалечавайки топлината от горещите точки и разпределяйки я върху по-голяма площ за по-ефективно разсейване.

Резултатът е платка, която може ефективно да охлажда топлината-генериране на компоненти без увреждане на съседни части. Това е особено ценно за високо-захранващи светодиоди, където концентрираната топлина в кръстовището на светодиодите може бързо да влоши производителността и да съкрати живота. Чрез монтиране на светодиоди директно върху гъвкавия графитен субстрат, топлината бързо се отвежда далеч от светлината-излъчващи компоненти, подобрявайки както охлаждането, така и цялостната надеждност на устройството.

Гъвкавост без компромис

Може би най-впечатляващото е, че гъвкавата графитна платка поддържа отлични характеристики на гъвкавост, като същевременно осигурява превъзходни топлинни характеристики. Печатната платка може да бъде огъната, огъната или по друг начин изкривена от равнинна конфигурация, без това да повлияе отрицателно на работата й като платка.

На практика това означава изключителни радиуси на огъване: платка с дебелина 0,5 mm може да постигне радиус на огъване от приблизително 6,0 mm, докато платка с дебелина 0,25 mm може да се огъне до радиус от около 3,0 mm. Тази гъвкавост отваря напълно нови възможности за проектиране на електроника.

Широки приложения и бъдещ потенциал

Последиците от тази технология се простират далеч отвъд LED осветлението. Патент на GrafTech за тази технология—издаден като патент на САЩ № 9,546,763 на 17 януари 2017 г.—позиционира компанията в челните редици на производството на гъвкава електроника. Гъвкавата, огъваща се електроника има потенциала да се превърне в жизнеспособна алтернатива на традиционните твърди печатни платки, с приложения, обхващащи сгъваеми смартфони, носими устройства, автомобилни системи и др..

Технологията вече се прилага към устройства за показване, където LED светлината-излъчващите компоненти са монтирани към гъвкави платки с графитни субстрати за управление на топлината, генерирана от все по-ярките дисплеи.

Гледайки напред

Тъй като електронните устройства продължават да се развиват към по-малки форм-фактори и по-висока производителност, ефективното термично управление ще нараства все по-важно. 3D на GrafTech-печатните гъвкави графитни платки представляват значителна стъпка напред—комбинирайки топлинните предимства на графита със свободата на дизайна на гъвкавите субстрати и производствената ефективност на 3D печата.

За дизайнери на високо-захранващи LED системи, дисплеи и други-поколение гъвкава електроника, тази технология предлага убедително решение на едно от най-упоритите предизвикателства в индустрията: поддържане на мощни компоненти охладени, без да се жертва гъвкавостта и компактността, които съвременните устройства изискват.