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 σχεδιασμό ημιαγωγών. Οι μικροεπεξεργαστές, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα και άλλα πολύπλοκα ηλεκτρονικά εξαρτήματα λειτουργούν συνήθως αποτελεσματικά μόνο εντός ενός συγκεκριμένου εύρους θερμοκρασίας κατωφλίου. 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 σε ακραίες περιπτώσεις, μπορεί να οδηγήσει σε πλήρη αποτυχία του συστήματος.

Για τους σχεδιαστές, ο έλεγχος της θερμοκρασίας λειτουργίας είναι πρωταρχικής σημασίας. Ακόμη και μια μέτρια μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας μιας τυπικής συσκευής ημιαγωγών πυριτίου αποφέρει σημαντικές βελτιώσεις τόσο στην αξιοπιστία όσο και στη διάρκεια ζωής του προϊόντος. Όπως σημείωσε ένας παρατηρητής του κλάδου, «η αποτελεσματική θερμική διαχείριση είναι κρίσιμη για την υψηλή-ηλεκτρικές συσκευές, καθώς η υπερβολική θερμότητα μπορεί να υποβαθμίσει την απόδοση και την αξιοπιστία τους»..

Η λύση του γραφίτη

Εισάγετε γραφίτη — ένα υλικό που γίνεται γρήγορα ο ακρογωνιαίος λίθος του επόμενου-λύσεις θερμικής διαχείρισης παραγωγής. Η αγορά υλικών θερμικών φιλμ κυριαρχείται επί του παρόντος από τρεις κατηγορίες: θερμικές μεμβράνες φυσικού γραφίτη, θερμικές μεμβράνες τεχνητού γραφίτη και νανο-θερμικές μεμβράνες άνθρακα. Οι κορυφαίες εταιρείες σε κάθε κατηγορία είναι αντίστοιχα η GrafTech (ΗΠΑ), Panasonic (Ιαπωνία)και SKC (Νότια Κορέα).

Η GrafTech, που θεωρείται παγκόσμιος ηγέτης στα κατασκευασμένα προϊόντα γραφίτη και τα φιλμ υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, κατέχει ένα σημαντικό χαρτοφυλάκιο διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας στην επεξεργασία φιλμ γραφίτη και εξυπηρετεί σημαντικούς κατασκευαστές OEM σε λύσεις ψύξης smartphone, ηλεκτρονικά ηλεκτρικών συσκευών και πακέτα μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων. Η εταιρεία πρωτοστάτησε στη χρήση συμπιεσμένων φύλλων σωματιδίων διογκωμένου γραφίτη για την αντιμετώπιση των θερμικών προκλήσεων και της αγοράς για τη χρήση αυτού του υλικού στη θερμική διαχείριση ηλεκτρονικών προϊόντων.

Η τρισδιάστατη εκτύπωση συναντά τα υποστρώματα γραφίτη

Σήμερα, χρησιμοποιώντας τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης, η GrafTech εφηύρε μια εύκαμπτη πλακέτα κυκλώματος που διαθέτει ένα εύκαμπτο υπόστρωμα γραφίτη-. Εκτυπώνοντας διηλεκτρικά στρώματα, αγώγιμα στρώματα και πρόσθετα ηλεκτρονικά εξαρτήματα πάνω στην εύκαμπτη μήτρα γραφίτη, η εταιρεία δημιούργησε μια λύση που διαχέει αποτελεσματικά τη θερμότητα μακριά από εξαρτήματα χωρίς να καταστρέφει τα παρακείμενα μέρη. Η εύκαμπτη πλακέτα κυκλώματος περιλαμβάνει ένα διηλεκτρικό στρώμα που σχηματίζεται στην επιφάνεια του εύκαμπτου υποστρώματος γραφίτη και ένα ηλεκτρικά αγώγιμο στρώμα που σχηματίζεται στην επιφάνεια του διηλεκτρικού. Το ψηλά μέσα-Η επίπεδη θερμική αγωγιμότητα του υποστρώματος γραφίτη παρέχει βελτιωμένη ικανότητα μεταφοράς θερμότητας, απομακρύνοντας αποτελεσματικά τη θερμότητα από τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα για βελτιωμένη ψύξη.

Αυτή η καινοτομία έχει βαθιές συνέπειες για τη σμίκρυνση και την αραίωση ηλεκτρονικών συσκευών όπως smartphone, φορητοί υπολογιστές και επίπεδη-τηλεοράσεις πάνελ. Η εύκαμπτη πλακέτα κυκλώματος μπορεί να υποστηρίξει φως-διόδους εκπομπής (LED) — Μια ιδιαίτερα κρίσιμη εφαρμογή καθώς οι κατασκευαστές αυξάνουν συνεχώς τη φωτεινότητα της οθόνης, οδηγώντας σε υψηλότερη κατανάλωση ενέργειας LED και, κατά συνέπεια, μεγαλύτερη παραγωγή θερμότητας που είναι επιζήμια για τη λειτουργία LCD.

Διπλώματα ευρεσιτεχνίας και μελλοντικές αιτήσεις

Το χαρτοφυλάκιο πατεντών της GrafTech σε αυτόν τον χώρο περιλαμβάνει το WO2016015032A1 ("Εύκαμπτη πλακέτα κυκλώματος με υπόστρωμα γραφίτη και διατάξεις κυκλωμάτων που χρησιμοποιούν το ίδιο") και σχετικές καταθέσεις. Η έγκριση αυτών των διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας ενισχύει σημαντικά την ικανότητα της GrafTech να κατασκευάζει ηλεκτρονικές συσκευές σε εύκαμπτα υλικά που μπορούν επανειλημμένα να στρίβονται, να τεντώνονται ή να λυγίζουν.

Τα εύκαμπτα και εύκαμπτα ηλεκτρονικά είναι έτοιμη να αντικαταστήσουν τις τρέχουσες πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων, με ευρεία-εύρος εφαρμογών σε αναδιπλούμενα smartphone, διάφορες φορητές συσκευές και συστήματα αυτοκινήτου.

Μια παράλληλη ανάπτυξη στα ελαστικά ηλεκτρονικά

Συμπτωματικά, στις αρχές του 2017, μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Μιζούρι πέτυχε μια σημαντική ανακάλυψη σε έναν σχετικό τομέα. Οι ερευνητές ενσωμάτωσαν με επιτυχία εύκαμπτα υποστρώματα με άκαμπτα αγώγιμα υλικά — συνδυάζοντας θεμελιωδώς διαφορετικές ιδιότητες υλικού — χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται "απευθείας εκτύπωση αερολυμάτων". Η διαδικασία περιλαμβάνει τον ψεκασμό ενός αγώγιμου υλικού σε ένα εκτατό υπόστρωμα για την ανάπτυξη αισθητήρων που μπορούν να τοποθετηθούν στο δέρμα.

Οι ελαστικές επιφάνειες μπορούν να συστραφούν, να τεντωθούν και να λυγίσουν επανειλημμένα, επιτρέποντας την παραγωγή εύκαμπτων και ελαστικών ηλεκτρονικών προϊόντων χωρίς ουσιαστικά καμία επίδραση στην απόδοση. Δρ. Heng Pan, Επίκουρος Καθηγητής Μηχανολογίας και Αεροδιαστημικής Μηχανικής στο Missouri S&Τ και συν-συγγραφέας της ερευνητικής εργασίας, σημείωσε ότι η κατασκευή προσθέτων προσφέρει μια οικονομική λύση για να ξεπεραστεί η αναντιστοιχία μεταξύ εύκαμπτων ελαστομερών βάσεων και εύθραυστων ηλεκτρονικών αγωγών. «Η απευθείας εκτύπωση, ως μέθοδος παραγωγής πρόσθετων, θα ικανοποιούσε τέτοιες απαιτήσεις και θα προσφέρει χαμηλό κόστος και υψηλή ταχύτητα τόσο στην κατασκευή πρωτοτύπων όσο και στην κατασκευή», έγραψαν οι ερευνητές..

Ο δρόμος μπροστά

Καθώς η ζήτηση για, μικρότερη μορφή-Τα ηλεκτρονικά συντελεστών συνεχίζουν να αναπτύσσονται, η σημασία της θερμικής διαχείρισης θα αυξηθεί. Υλικά γραφίτη — με την εξαιρετική τους μέσα-Επίπεδη θερμική αγωγιμότητα και συμβατότητα με προηγμένες τεχνικές κατασκευής όπως η τρισδιάστατη εκτύπωση — είναι τοποθετημένοι να ηγηθούν της επόμενης επανάστασης στην ηλεκτρονική αξιοπιστία.

Η σύγκλιση της τεχνολογίας υποστρώματος γραφίτη με την κατασκευή προσθέτων αντιπροσωπεύει μια αλλαγή παραδείγματος στον τρόπο με τον οποίο σχεδιάζονται και παράγονται τα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Από τα αναδιπλούμενα τηλέφωνα έως τα ιατρικά wearables και τα συστήματα αυτοκινήτων, η εποχή των ευέλικτων, ελαστικών και θερμικά βελτιστοποιημένων ηλεκτρονικών δεν είναι πλέον μια μακρινή υπόσχεση — διαμορφώνεται ήδη σε γραμμές παραγωγής και σε ερευνητικά εργαστήρια σε όλο τον κόσμο.