Καθώς οι ηλεκτρονικές συσκευές συνεχίζουν να συρρικνώνονται σε μέγεθος ενώ αυξάνονται σε επεξεργαστική ισχύ, η θερμική διαχείριση έχει αναδειχθεί ως μία από τις πιο κρίσιμες προκλήσεις στον σύγχρονο σχεδιασμό ηλεκτρονικών. Τώρα, μια σημαντική ανακάλυψη από την GrafTech International Holdings Inc. αντιμετωπίζει αυτήν την πρόκληση-επάνω—χρησιμοποιώντας τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης για τη δημιουργία εύκαμπτων πλακών κυκλωμάτων με υποστρώματα γραφίτη που βελτιώνουν δραματικά την απαγωγή θερμότητας για υψηλή-LED τροφοδοσίας και άλλη θερμότητα-εξαρτήματα παραγωγής.

Η πρόκληση της θερμικής διαχείρισης

Στις σημερινές ηλεκτρονικές συσκευές, η θερμότητα είναι ο εχθρός της απόδοσης και της αξιοπιστίας. Οι μικροεπεξεργαστές, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα και άλλα πολύπλοκα ηλεκτρονικά εξαρτήματα λειτουργούν συνήθως αποτελεσματικά μόνο εντός συγκεκριμένων ορίων θερμοκρασίας. Όταν αυτά τα εξαρτήματα παράγουν υπερβολική θερμότητα κατά τη λειτουργία, όχι μόνο βλάπτει τη δική τους απόδοση αλλά μειώνει επίσης τη συνολική αξιοπιστία του συστήματος—και μπορεί ακόμη και να οδηγήσει σε πλήρη αποτυχία του συστήματος.

Το διακύβευμα είναι ιδιαίτερα υψηλό για το υψηλό-LED τροφοδοσίας. Καθώς οι κατασκευαστές πιέζουν συνεχώς για πιο φωτεινές οθόνες και πιο φωτεινές λύσεις φωτισμού, τα LED καταναλώνουν αυξανόμενες ποσότητες ενέργειας. Στην πραγματικότητα, περίπου το 70 έως 85 τοις εκατό της ισχύος εισόδου που καταναλώνεται από τα LED μετατρέπεται σε θερμότητα και όχι σε φως. Αυτή η θερμότητα είναι επιζήμια για τη λειτουργία LED και, εάν δεν διαχειρίζεται σωστά, μπορεί να μειώσει σημαντικά τη διάρκεια ζωής της συσκευής και να θέσει σε κίνδυνο την απόδοση.

Η αξιοπιστία της συσκευής ημιαγωγών βελτιώνεται δραματικά με χαμηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας-. Μελέτες έχουν δείξει ότι ακόμη και ένα 10°Η αύξηση της θερμοκρασίας C μπορεί να μειώσει στο μισό τη διάρκεια ζωής μιας συσκευής. Για τους σχεδιαστές, ο έλεγχος της θερμοκρασίας λειτουργίας είναι απαραίτητος για τη μεγιστοποίηση της διάρκειας ζωής και της αξιοπιστίας των εξαρτημάτων.

Μια νέα λύση: 3D-Τυπωμένες εύκαμπτες πλακέτες κυκλωμάτων γραφίτη

GrafTech, παγκόσμιος ηγέτης στα προϊόντα γραφίτη και άνθρακα-, έχει αναπτύξει μια καινοτόμο προσέγγιση στη θερμική διαχείριση. Χρησιμοποιώντας τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης, η εταιρεία εφηύρε μια εύκαμπτη πλακέτα κυκλώματος με εύκαμπτο υπόστρωμα γραφίτη. Μέσω τρισδιάστατης εκτύπωσης, διηλεκτρικών στρωμάτων και ηλεκτρικά αγώγιμων στρωμάτων—μαζί με πρόσθετα ηλεκτρονικά εξαρτήματα—εκτυπώνονται απευθείας στην εύκαμπτη μήτρα γραφίτη.

Η δομή είναι κομψά απλή αλλά εξαιρετικά αποτελεσματική: ένα διηλεκτρικό στρώμα σχηματίζεται στην επιφάνεια του εύκαμπτου υποστρώματος γραφίτη και στη συνέχεια σχηματίζεται ένα ηλεκτρικά αγώγιμο στρώμα στην επιφάνεια του διηλεκτρικού. Το ηλεκτρικά αγώγιμο στρώμα—που μπορεί να περιλαμβάνει ασήμι, χαλκό ή αλουμίνιο ή να εφαρμοστεί ως παχύρρευστο-πάστα αγωγού φιλμ—σχηματίζει το ηλεκτρικό κύκλωμα. Το αγώγιμο στρώμα μπορεί να εφαρμοστεί χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές εκτύπωσης, συμπεριλαμβανομένης της μεταξοτυπίας ή της τρισδιάστατης εκτύπωσης.

Ανώτερη θερμική απόδοση

Το κλειδί αυτής της τεχνολογίας βρίσκεται στο ίδιο το υπόστρωμα γραφίτη. Ο εύκαμπτος γραφίτης προσφέρει εξαιρετικά υψηλή περιεκτικότητα-επίπεδο θερμική αγωγιμότητα—συνήθως κυμαίνονται από 300 έως 1.500 W/m·Κ-. Αυτό επιτρέπει στη θερμότητα να εξαπλώνεται γρήγορα και αποτελεσματικά σε όλη την επιφάνεια του υποστρώματος, απομακρύνοντας τη θερμότητα από τα θερμά σημεία και διανέμοντας τη σε μεγαλύτερη περιοχή για πιο αποτελεσματική διάχυση.

Το αποτέλεσμα είναι μια πλακέτα κυκλώματος που μπορεί να ψύχει αποτελεσματικά τη θερμότητα-δημιουργία εξαρτημάτων χωρίς να καταστρέφονται τα παρακείμενα μέρη. Αυτό είναι ιδιαίτερα πολύτιμο για υψηλά-LED ισχύος, όπου η συγκεντρωμένη θερμότητα στη διασταύρωση LED μπορεί να υποβαθμίσει γρήγορα την απόδοση και να μειώσει τη διάρκεια ζωής. Με την τοποθέτηση των LED απευθείας στο εύκαμπτο υπόστρωμα γραφίτη, η θερμότητα μεταφέρεται γρήγορα μακριά από το φως-που εκπέμπουν εξαρτήματα, βελτιώνοντας τόσο την ψύξη όσο και τη συνολική αξιοπιστία της συσκευής.

Ευελιξία χωρίς συμβιβασμούς

Ίσως το πιο εντυπωσιακό είναι ότι η εύκαμπτη πλακέτα κυκλώματος γραφίτη διατηρεί εξαιρετικά χαρακτηριστικά ευελιξίας ενώ παρέχει ανώτερη θερμική απόδοση. Η πλακέτα κυκλώματος μπορεί να λυγίσει, να λυγίσει ή να παραμορφωθεί με άλλο τρόπο από μια επίπεδη διαμόρφωση χωρίς να επηρεαστεί αρνητικά η απόδοσή της ως πλακέτα κυκλώματος.

Πρακτικά, αυτό σημαίνει εξαιρετικές ακτίνες κάμψης: μια πλακέτα κυκλώματος πάχους 0,5 mm μπορεί να επιτύχει ακτίνα κάμψης περίπου 6,0 mm, ενώ μια πλακέτα πάχους 0,25 mm μπορεί να κάμπτεται σε ακτίνα περίπου 3,0 mm. Αυτή η ευελιξία ανοίγει εντελώς νέες δυνατότητες για τον σχεδιασμό ηλεκτρονικών.

Ευρείες εφαρμογές και μελλοντικές δυνατότητες

Οι συνέπειες αυτής της τεχνολογίας εκτείνονται πολύ πέρα από τον φωτισμό LED. Το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας της GrafTech για αυτήν την τεχνολογία—χορηγήθηκε ως δίπλωμα ευρεσιτεχνίας ΗΠΑ αρ. 9,546,763 στις 17 Ιανουαρίου 2017—τοποθετεί την εταιρεία στην πρώτη γραμμή της κατασκευής ευέλικτων ηλεκτρονικών. Τα εύκαμπτα, εύκαμπτα ηλεκτρονικά έχουν τη δυνατότητα να γίνουν μια βιώσιμη εναλλακτική λύση για τις παραδοσιακές άκαμπτες πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων, με εφαρμογές που καλύπτουν αναδιπλούμενα smartphone, φορητές συσκευές, συστήματα αυτοκινήτου και πολλά άλλα.

Η τεχνολογία εφαρμόζεται ήδη σε συσκευές οθόνης, όπου το φως LED-εξαρτήματα εκπομπής τοποθετούνται σε εύκαμπτες πλακέτες κυκλωμάτων με υποστρώματα γραφίτη για τη διαχείριση της θερμότητας που παράγεται από ολοένα και πιο φωτεινές οθόνες.

Κοιτάζοντας Μπροστά

Καθώς οι ηλεκτρονικές συσκευές συνεχίζουν να εξελίσσονται προς μικρότερους παράγοντες μορφής και υψηλότερες επιδόσεις, η αποτελεσματική διαχείριση θερμότητας θα αποκτήσει μόνο μεγαλύτερη σημασία. 3D της GrafTech-Οι τυπωμένες εύκαμπτες πλακέτες κυκλωμάτων γραφίτη αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός—συνδυάζοντας τα θερμικά πλεονεκτήματα του γραφίτη με την ελευθερία σχεδιασμού των εύκαμπτων υποστρωμάτων και την κατασκευαστική απόδοση της τρισδιάστατης εκτύπωσης.

Για σχεδιαστές υψηλών-συστήματα LED ισχύος, οθόνες και επόμενα-γενιάς ευέλικτων ηλεκτρονικών, αυτή η τεχνολογία προσφέρει μια συναρπαστική λύση σε μια από τις πιο επίμονες προκλήσεις του κλάδου: διατήρηση δροσερών ισχυρών εξαρτημάτων χωρίς να θυσιάζεται η ευελιξία και η συμπαγής κατασκευή που απαιτούν οι σύγχρονες συσκευές.