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 дизайна на полупроводниците. Микропроцесори, интегрални схеми и други сложни електронни компоненти обикновено работят ефективно само в определен прагов температурен диапазон. 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 в крайни случаи може да доведе до пълна повреда на системата.

За дизайнерите контролирането на работната температура е от първостепенно значение. Дори умерено намаляване на работната температура на типично силициево полупроводниково устройство води до значителни подобрения както в надеждността, така и в продължителността на живота на продукта. Както отбеляза един наблюдател от индустрията, „ефективното термично управление е от решаващо значение за високите-захранващи устройства, тъй като прекомерната топлина може да влоши тяхната производителност и надеждност".

Графитното решение

Въведете графит — материал, който бързо се превръща в крайъгълен камък наnext-поколения решения за управление на топлината. Пазарът на термични филмови материали в момента е доминиран от три категории: термични филми от естествен графит, термични филми от изкуствен графит и нано-карбонови термо филми. Водещите компании във всяка категория са съответно GrafTech (САЩ), Panasonic (Япония)и SKC (Южна Корея).

GrafTech, считан за световен лидер в инженерните графитни продукти и филми с висока топлопроводимост, притежава значително портфолио от патенти в обработката на графитни филми и обслужва големи производители на оригинално оборудване в решения за охлаждане на смартфони, силова електроника и батерии за електрически превозни средства. Компанията е пионер в използването на листове от компресирани експандирани графитни частици за справяне с термичните предизвикателства и пазара за използване на този материал в термичното управление на електронни продукти.

3D печатът се среща с графитни субстрати

Днес, използвайки технологията за 3D печат, GrafTech изобрети гъвкава платка с гъвкав графитен субстрат-. Чрез отпечатване на диелектрични слоеве, проводящи слоеве и допълнителни електронни компоненти върху гъвкавата графитна матрица, компанията създаде решение, което ефективно разпространява топлината далеч от компонентите, без да уврежда съседните части. Гъвкавата платка включва диелектричен слой, образуван върху повърхността на гъвкавия графитен субстрат и електропроводим слой, образуван върху повърхността на диелектрика. Високото в-равнинната топлопроводимост на графитния субстрат осигурява подобрена способност за пренос на топлина, като ефективно отдалечава топлината от електронните компоненти за подобрено охлаждане.

Тази иновация има дълбоки последици за миниатюризацията и изтъняването на електронни устройства като смартфони, лаптопи и плоски-панелни телевизори. Гъвкавата платка може да поддържа светлина-излъчващи диоди (светодиоди) — особено критично приложение, тъй като производителите непрекъснато увеличават яркостта на дисплея, водейки до по-висока консумация на енергия от LED и, следователно, по-голямо генериране на топлина, което е вредно за работата на LCD.

Патенти и бъдещи приложения

Патентното портфолио на GrafTech в това пространство включва WO2016015032A1 („Гъвкава платка с графитен субстрат и схеми на верига, използващи същото“) и свързани документи. Одобрението на тези патенти значително укрепва способността на GrafTech да произвежда електронни устройства върху гъвкави материали, които могат да бъдат многократно усуквани, разтягани или огъвани.

Гъвкавата и огъваща се електроника е готова да се превърне в потенциален заместител на настоящите печатни платки с широка-вариращи приложения в сгъваеми смартфони, различни носими устройства и автомобилни системи.

Паралелно развитие в разтегливата електроника

По случайност в началото на 2017 г. изследователски екип от Университета за наука и технологии в Мисури постигна пробив в сродна област. Изследователите успешно интегрират гъвкави субстрати с твърди проводими материали — комбиниране на принципно различни свойства на материала — използвайки техника, наречена "директен аерозолен печат". Процесът включва пръскане на проводим материал върху разтеглив субстрат за разработване на сензори, които могат да бъдат поставени върху кожата.

Еластичните повърхности могат да бъдат многократно усуквани, разтягани и огъвани, което позволява производството на огъващи се и разтегливи електронни продукти без практически никакво влияние върху производителността. Д-р Хенг Пан, асистент по механично и космическо инженерство в Missouri S&Т и ко-автор на изследователската статия, отбеляза, че адитивното производство предлага икономично решение за преодоляване на несъответствието между гъвкави еластомерни основи и крехки електронни проводници. „Директният печат, като адитивен метод за производство, би удовлетворил тези изисквания и би предложил ниска цена и висока скорост както при прототипирането, така и при производството“, пишат изследователите.

Пътят напред

Тъй като търсенето на, по-малка форма-Факторът, че електрониката продължава да расте, термичното управление само ще нараства по важност. Графитни материали — с техните изключителни в-равнинна топлопроводимост и съвместимост с усъвършенствани производствени техники като 3D печат — са позиционирани да водят следващата революция в електронната надеждност.

Конвергенцията на технологията на графитния субстрат с адитивното производство представлява промяна в парадигмата в начина, по който се проектират и произвеждат електронните схеми. От сгъваеми телефони през медицински носими до автомобилни системи, ерата на гъвкавата, разтеглива и термично оптимизирана електроника вече не е далечно обещание — вече се оформя на производствени линии и в изследователски лаборатории по целия свят.