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 inden for halvlederdesign. Mikroprocessorer, integrerede kredsløb og andre komplekse elektroniske komponenter fungerer typisk kun effektivt inden for et specifikt tærskeltemperaturområde. Når disse komponenter genererer overdreven varme under drift, forringer det ikke kun deres egen ydeevne, men reducerer også den samlede systempålidelighed — og i ekstreme tilfælde kan det føre til fuldstændig systemfejl.

For designere er styring af driftstemperatur altafgørende. Selv en beskeden reduktion i driftstemperaturen for en typisk siliciumhalvlederenhed giver betydelige forbedringer i både pålidelighed og produktlevetid. Som en industriobservatør bemærkede, "effektiv termisk styring er afgørende for høj-strømudstyr, da overdreven varme kan forringe deres ydeevne og pålidelighed".

Grafitløsningen

Indtast grafit — et materiale, der hurtigt er ved at blive hjørnestenen inæste-generation af termiske styringsløsninger. Markedet for termiske filmmaterialer er i øjeblikket domineret af tre kategorier:naturlig grafit termiske film, kunstig grafit termiske film ognano-kulstof termiske film. De førende virksomheder i hver kategori er henholdsvis GrafTech (USA), Panasonic (Japan)og SKC (Sydkorea).

GrafTech, der betragtes som en global leder inden for konstruerede grafitprodukter og film med høj termisk ledningsevne, har en betydelig patentportefølje inden for grafitfilmbehandling og betjener store OEM'er inden for smartphone-køleløsninger, strømelektronik og batteripakker til elektriske køretøjer. Virksomheden var banebrydende i brugen af komprimerede ekspanderede grafitpartikelplader til at imødegå termiske udfordringer og markedet for at bruge dette materiale til termisk styring af elektroniske produkter.

3D-print møder grafitsubstrater

I dag har GrafTech ved hjælp af 3D-printteknologi opfundet et fleksibelt printkort med et fleksibelt grafitsubstrat-. Ved at printe dielektriske lag, ledende lag og yderligere elektroniske komponenter på den fleksible grafitmatrix har virksomheden skabt en løsning, der effektivt spreder varme væk fra komponenter uden at beskadige tilstødende dele. Det fleksible printkort indbefatter et dielektrisk lag dannet på overfladen af det fleksible grafitsubstrat og et elektrisk ledende lag dannet på overfladen af dielektrikumet. Den høje i-Plan termisk ledningsevne af grafitsubstratet giver forbedret varmeoverførselsevne, der effektivt flytter varme væk fra elektroniske komponenter for forbedret køling.

Denne innovation har dybtgående konsekvenser for miniaturisering og udtynding af elektroniske enheder såsom smartphones, bærbare computere og flade-panel fjernsyn. Det fleksible printkort kan understøtte lys-emitterende dioder (LED'er) — en særlig kritisk applikation, da producenter konstant øger skærmens lysstyrke, hvilket fører til højere LED-strømforbrug og som følge heraf større varmeudvikling, der er skadelig for LCD-drift.

Patenter og fremtidige ansøgninger

GrafTechs patentportefølje på dette område inkluderer WO2016015032A1 ("Fleksibelt printkort med grafitsubstrat og kredsløbsarrangementer, der bruger samme") og relaterede ansøgninger. Godkendelsen af disse patenter styrker betydeligt GrafTechs evne til at fremstille elektroniske enheder på fleksible materialer, der gentagne gange kan snoes, strækkes eller bøjes.

Fleksibel og bøjelig elektronik er klar til at blive en potentiel erstatning fornuværende printkort med brede-række applikationer i foldbare smartphones, forskellige bærbare enheder og bilsystemer.

En parallel udvikling inden for strækbar elektronik

Tilfældigvis opnåede et forskerhold fra Missouri University of Science and Technology i begyndelsen af 2017 et gennembrud på et relateret område. Forskerne har med succes integreret fleksible substrater med stive ledende materialer — kombinerer fundamentalt forskellige materialeegenskaber — ved hjælp af en teknik kaldet "direkte aerosoltryk". Processen involverer at sprøjte et ledende materiale på et strækbart substrat for at udvikle sensorer, der kan placeres på huden.

De elastiske overflader kan vrides, strækkes og bøjes gentagne gange, hvilket muliggør produktion af bøjelige og strækbare elektroniske produkter med stort set ingen indflydelse på ydeevnen. Dr. Heng Pan, assisterende professor i mekanik og rumfartsteknik ved Missouri S&T og co-forfatter til forskningspapiret, bemærkede, at additiv fremstilling tilbyder en økonomisk løsning til at overvinde misforholdet mellem fleksible elastomerbaser og sprøde elektroniske ledere. "Direkte print, som en additiv fremstillingsmetode, ville opfylde sådanne krav og tilbyde lave omkostninger og høj hastighed i både prototyping og fremstilling," skrev forskerne.

Vejen frem

Som efterspørgslen efter, mindre form-faktorelektronik fortsætter med at vokse, termisk styring vil kun stige i betydning. Grafitmaterialer — med deres enestående in-plan termisk ledningsevne og kompatibilitet med avancerede fremstillingsteknikker som 3D-print — er positioneret til at lede dennæste revolution inden for elektronisk pålidelighed.

Konvergensen af ​​grafitsubstratteknologi med additiv fremstilling repræsenterer et paradigmeskifte i, hvordan elektroniske kredsløb designes og produceres. Fra foldbare telefoner til medicinske wearables til bilsystemer, æraen med fleksibel, strækbar og termisk optimeret elektronik er ikke længere et fjernt løfte — det tager allerede form på produktionslinjer og i forskningslaboratorier rundt om i verden.