Da elektronische Geräte immer kleiner werden und gleichzeitig ihre Rechenleistung zunimmt, hat sich das Wärmemanagement zu einer der kritischsten Herausforderungen im Halbleiterdesign entwickelt. Mikroprozessoren, integrierte Schaltkreise und andere komplexe elektronische Komponenten arbeiten typischerweisenur innerhalb eines bestimmten Schwellentemperaturbereichs effektiv. Wenn diese Komponenten während des Betriebs übermäßige Wärme erzeugen, beeinträchtigt diesnichtnur ihre eigene Leistung, sondern verringert auch die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems — und im Extremfall zum Totalausfall des Systems führen kann.

Für Konstrukteure ist die Kontrolle der Betriebstemperatur von größter Bedeutung. Selbst eine geringfügige Reduzierung der Betriebstemperatur eines typischen Silizium-Halbleiterbauelements führt zu erheblichen Verbesserungen sowohl der Zuverlässigkeit als auch der Produktlebensdauer. Wie ein Branchenbeobachter anmerkte, „ist ein effektives Wärmemanagement für hohe Temperaturen von entscheidender Bedeutung.“-Stromversorgungsgeräte, da übermäßige Hitze ihre Leistung und Zuverlässigkeit beeinträchtigen kann..

Die Graphitlösung

Geben Sie Graphit ein — Ein Material, das schnell zum Grundstein vonnext wird-Generation von Wärmemanagementlösungen. Der Markt für Thermofilmmaterialien wird derzeit von drei Kategorien dominiert: Thermofilme ausnatürlichem Graphit, Thermofilme aus künstlichem Graphit und Nano-Carbon-Thermofilme. Die führenden Unternehmen in jeder Kategorie sind jeweils GrafTech (USA), Panasonic (Japan), und SKC (Südkorea).

GrafTech gilt als weltweiter Marktführer für technische Graphitprodukte und Filme mit hoher Wärmeleitfähigkeit, verfügt über ein umfangreiches Patentportfolio in der Graphitfilmverarbeitung und beliefert große OEMs in den Bereichen Smartphone-Kühllösungen, Leistungselektronik und Batteriepakete für Elektrofahrzeuge. Das Unternehmen leistete Pionierarbeit bei der Verwendung komprimierter expandierter Graphitpartikelplatten zur Bewältigung thermischer Herausforderungen und des Marktes für die Verwendung dieses Materials im Wärmemanagement elektronischer Produkte.

3D-Druck trifft auf Graphitsubstrate

Heute hat GrafTech mithilfe der 3D-Drucktechnologie eine flexible Leiterplatte mit einem flexiblen Graphitsubstrat erfunden-. Durch das Drucken dielektrischer Schichten, leitfähiger Schichten und zusätzlicher elektronischer Komponenten auf die flexible Graphitmatrix hat das Unternehmen eine Lösung geschaffen, die die Wärme effektiv von den Komponenten ableitet, ohne benachbarte Teile zu beschädigen. Die flexible Leiterplatte umfasst eine dielektrische Schicht, die auf der Oberfläche des flexiblen Graphitsubstrats gebildet ist, und eine elektrisch leitende Schicht, die auf der Oberfläche des Dielektrikums gebildet ist. Das Hoch in-Die ebene Wärmeleitfähigkeit des Graphitsubstrats sorgt für eine verbesserte Wärmeübertragungsfähigkeit und leitet die Wärme effektiv von den elektronischen Bauteilen ab, um die Kühlung zu verbessern.

Diese Innovation hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Miniaturisierung und Verdünnung elektronischer Geräte wie Smartphones, Laptops und Flachbildschirme-Panel-Fernseher. Die flexible Leiterplatte kann Licht unterstützen-emittierende Dioden (LEDs) — Eine besonders kritische Anwendung, da die Hersteller die Displayhelligkeit kontinuierlich erhöhen, was zu einem höheren LED-Stromverbrauch und damit zu einer stärkeren Wärmeentwicklung führt, die sichnachteilig auf den LCD-Betrieb auswirkt.

Patente und zukünftige Anwendungen

Das Patentportfolio von GrafTech in diesem Bereich umfasst WO2016015032A1 („Flexible Leiterplatte mit Graphitsubstrat und Schaltungsanordnungen, die dieses verwenden“) und zugehörige Unterlagen. Die Genehmigung dieser Patente stärkt die Fähigkeit von GrafTech erheblich, elektronische Geräte auf flexiblen Materialien herzustellen, die wiederholt gedreht, gedehnt oder gebogen werden können.

Flexible und biegsame Elektronik ist auf dem besten Weg, ein potenzieller Ersatz für aktuelle Leiterplatten zu werden-vielfältige Anwendungen in faltbaren Smartphones, verschiedenen tragbaren Geräten und Automobilsystemen.

Eine parallele Entwicklung in der dehnbaren Elektronik

Zufälligerweise gelang Anfang 2017 einem Forschungsteam der Missouri University of Science and Technology ein Durchbruch auf einem verwandten Gebiet. Den Forschern gelang es, flexible Substrate mit starren leitfähigen Materialien zu integrieren — die Kombination grundlegend unterschiedlicher Materialeigenschaften — mit einer Techniknamens „Direkter Aerosoldruck“. Bei diesem Verfahren wird ein leitfähiges Material auf ein dehnbares Substrat gesprüht, um Sensoren zu entwickeln, die auf der Haut angebracht werden können.

Die elastischen Oberflächen können wiederholt gedreht, gedehnt und gebogen werden, was die Herstellung biegsamer und dehnbarer elektronischer Produkte praktisch ohne Auswirkungen auf die Leistung ermöglicht. Dr. Heng Pan, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Missouri S&T und Co-Der Autor des Forschungspapiers stellte fest, dass die additive Fertigung eine wirtschaftliche Lösung bietet, um das Missverhältnis zwischen flexiblen Elastomerbasen und spröden elektronischen Leitern zu überwinden. „Direktdruck als additive Fertigungsmethode würde diese Anforderungen erfüllen und sowohl beim Prototyping als auch bei der Fertigungniedrige Kosten und hohe Geschwindigkeit bieten“, schreiben die Forscher.

Der Weg voraus

Als Nachfragenach kleinerer Form-Während der Faktor Elektronik weiter wächst, wird das Wärmemanagement immer wichtiger. Graphitmaterialien — mit ihrem außergewöhnlichen in-ebene Wärmeleitfähigkeit und Kompatibilität mit fortschrittlichen Fertigungstechniken wie dem 3D-Druck — sind in der Lage, dienächste Revolution in der elektronischen Zuverlässigkeit anzuführen.

Die Konvergenz der Graphitsubstrattechnologie mit der additiven Fertigung stellt einen Paradigmenwechsel in der Art und Weise dar, wie elektronische Schaltkreise entworfen und hergestellt werden. Von faltbaren Telefonen über medizinische Wearables bis hin zu Automobilsystemen ist die Ära der flexiblen, dehnbaren und thermisch optimierten Elektroniknicht mehr in weiter Ferne — Esnimmt bereits an Produktionslinien und in Forschungslaboren auf der ganzen Welt Gestalt an.