Efterhånden som elektroniske enheder fortsætter med at skrumpe i størrelse, mens de vokser i processorkraft, er termisk styring dukket op som en af ​​de mest kritiske udfordringer i moderne elektronikdesign. Nu tager et gennembrud fra GrafTech International Holdings Inc. denne udfordring op-på—ved hjælp af 3D-printteknologi til at skabe fleksible printkort med grafitsubstrater, der dramatisk forbedrer varmeafledningen for høj-strøm LED'er og anden varme-generere komponenter.

Thermal Management Challenge

Inutidens elektroniske enheder er varme ydeevnens og pålidelighedens fjende. Mikroprocessorer, integrerede kredsløb og andre komplekse elektroniske komponenter fungerer typisk kun effektivt inden for specifikke temperaturtærskler. Når disse komponenter genererer overdreven varme under drift, forringer det ikke kun deres egen ydeevne, men reducerer også den samlede systempålidelighed—og kan endda føre til fuldstændig systemfejl.

Indsatsen er særlig høj for høj-strøm LED'er. Da producenter konstant presser på for lysere skærme og mere lysende belysningsløsninger, forbruger LED'er stigende mængder strøm. Faktisk omdannes cirka 70 til 85 procent af den indgangseffekt, der forbruges af LED'er, til varme i stedet for lys. Denne varme er skadelig for LED-drift og kan, hvis den ikke styres korrekt, forkorte enhedens levetid betydeligt og kompromittere ydeevnen.

Halvlederens pålidelighed forbedres dramatisk med lavere driftstemperaturer-. Undersøgelser har vist, at selv en 10°C temperaturstigning kan halvere en enheds driftslevetid. For designere er styring af driftstemperatur afgørende for at maksimere komponenternes levetid og pålidelighed.

Enny løsning: 3D-Trykte fleksible grafitkredsløb

GrafTech, en global leder inden for grafit- og kulstofprodukter-, har udviklet en innovativ tilgang til termisk styring. Ved hjælp af 3D-printteknologi har virksomheden opfundet et fleksibelt printkort med et fleksibelt grafitsubstrat. Gennem 3D-print, dielektriske lag og elektrisk ledende lag—sammen med yderligere elektroniske komponenter—printes direkte på den fleksible grafitmatrix.

Strukturen er elegant enkel, men yderst effektiv: et dielektrisk lag dannes på overfladen af det fleksible grafitsubstrat, og et elektrisk ledende lag dannes derefter på overfladen af dielektrikumet. Det elektrisk ledende lag—som kan omfatte sølv, kobber eller aluminium, eller påføres som en tyk-filmlederpasta—danner det elektriske kredsløb. Det ledende lag kan påføres ved hjælp af forskellige printteknikker, herunder serigrafi eller 3D-print.

Overlegen termisk ydeevne

Nøglen til denne teknologi ligger i selve grafitsubstratet. Fleksibel grafit byder på exceptionelt høj ind-plan termisk ledningsevne—typisk fra 300 til 1.500 W/m·K-. Dette gør det muligt for varme at sprede sig hurtigt og effektivt hen over substratoverfladen, flytte varme væk fra hot spots og fordele den over et større område for mere effektiv spredning.

Resultatet er et printkort, der effektivt kan afkøle varme-generere komponenter uden at beskadige tilstødende dele. Dette er især værdifuldt for høj-power LED'er, hvor koncentreret varme ved LED-krydset hurtigt kan forringe ydeevnen og forkorte levetiden. Ved at montere LED'er direkte på det fleksible grafitsubstrat ledes varme hurtigt væk fra lyset-emitterende komponenter, hvilket forbedrer både køling og enhedens overordnede pålidelighed.

Fleksibilitet uden kompromis

Måske mest imponerende er det, at det fleksible grafitkredsløb bevarer fremragende fleksibilitetsegenskaber, mens det leverer overlegen termisk ydeevne. Printpladen kan bøjes, bøjes eller på anden måde forvrænges fra en plan konfiguration uden at påvirke dets ydeevne som et printkortnegativt.

Rent praktisk betyder det exceptionelle bøjningsradier: Et 0,5 mm tykt printkort kan opnå en bøjningsradius på ca. 6,0 mm, mens et 0,25 mm tykt bræt kan bøje til en radius på ca. 3,0 mm. Denne fleksibilitet åbner heltnye muligheder for elektronikdesign.

Brede anvendelser og fremtidspotentiale

Implikationerne af denne teknologi strækker sig langt ud over LED-belysning. GrafTechs patent på denne teknologi—udstedt som US patentnr. 9.546.763 den 17. januar 2017—positionerer virksomheden i spidsen for fleksibel elektronikfremstilling. Fleksibel, bøjelig elektronik har potentialet til at blive et levedygtigt alternativ til traditionelle stive printkort med applikationer, der spænder over foldbare smartphones, bærbare enheder, bilsystemer og mere.

Teknologien anvendes allerede på displayenheder, hvor LED-lys-emitterende komponenter er monteret på fleksible kredsløbskort med grafitsubstrater for at håndtere den varme, der genereres af stadig mere lysstærke skærme.

Ser fremad

Efterhånden som elektroniske enheder fortsætter med at udvikle sig mod mindre formfaktorer og højere ydeevne, vil effektiv termisk styring kun vokse i betydning. GrafTechs 3D-trykte fleksible grafitprintplader repræsenterer et væsentligt skridt fremad—kombinerer de termiske fordele ved grafit med designfriheden ved fleksible substrater og produktionseffektiviteten ved 3D-print.

For designere af høj-strøm LED-systemer, skærme ognæste-generation af fleksibel elektronik, tilbyder denne teknologi en overbevisende løsning på en af branchens mest vedvarende udfordringer: at holde kraftfulde komponenter kølige uden at ofre den fleksibilitet og kompakthed, som moderne enheder kræver.