Poiché i dispositivi elettronici continuano a ridursi in dimensioni e a crescere in termini di potenza di elaborazione, la gestione termica è emersa come una delle sfide più critichenella progettazione dei semiconduttori. Microprocessori, circuiti integrati e altri componenti elettronici complessi in genere funzionano in modo efficace solo entro uno specifico intervallo di temperature di soglia. Quando questi componenti generano calore eccessivo durante il funzionamento, ciònon solo compromette le loro prestazioni ma riduce anche l'affidabilità complessiva del sistema — e in casi estremi, può portare al guasto completo del sistema.

Per i progettisti, il controllo della temperatura operativa è fondamentale. Anche una modesta riduzione della temperatura operativa di un tipico dispositivo a semiconduttore in silicio produce miglioramenti significativi sia in termini di affidabilità che di durata del prodotto.. Come ha osservato un osservatore del settore, "un'efficace gestione termica è fondamentale per l'alta temperatura-dispositivi di potenza, poiché il calore eccessivo può ridurne le prestazioni e l'affidabilità".

La soluzione della grafite

Inserisci la grafite — un materiale che sta rapidamente diventando la pietra angolare del prossimo-soluzioni di gestione termica dinuova generazione. Il mercato dei materiali per film termici è attualmente dominato da tre categorie: film termici in grafitenaturale, film termici in grafite artificiale enano-pellicole termiche al carbonio. Le aziende leader in ciascuna categoria sono rispettivamente GrafTech (Stati Uniti), Panasonic (Giappone)e SKC (Corea del Sud).

GrafTech, considerato leader globalenei prodotti ingegnerizzati in grafite enelle pellicole ad alta conducibilità termica, detiene un ampio portafoglio di brevettinella lavorazione delle pellicole in grafite e serve i principali OEM in soluzioni di raffreddamento per smartphone, elettronica di potenza e pacchi batteria per veicoli elettrici.. L'azienda è stata pionieranell'uso di fogli di particelle di grafite espansa compressa per affrontare le sfide termiche e il mercato per l'utilizzo di questo materialenella gestione termica dei prodotti elettronici.

La stampa 3D incontra i substrati di grafite

Oggi, utilizzando la tecnologia di stampa 3D, GrafTech ha inventato un circuito flessibile caratterizzato da un substrato flessibile di grafite-. Stampando strati dielettrici, strati conduttivi e componenti elettronici aggiuntivi sulla matrice flessibile di grafite, l'azienda ha creato una soluzione che diffonde efficacemente il calore lontano dai componenti senza danneggiare le parti adiacenti. Il circuito flessibile comprende uno strato dielettrico formato sulla superficie del substrato flessibile di grafite e uno strato elettricamente conduttivo formato sulla superficie del dielettrico. L'alto dentro-la conduttività termica piana del substrato di grafite fornisce una migliore capacità di trasferimento del calore, allontanando efficacemente il calore dai componenti elettronici per un migliore raffreddamento.

Questa innovazione ha profonde implicazioni per la miniaturizzazione e l'assottigliamento dei dispositivi elettronici come smartphone, laptop e flat-televisori a pannello. Il circuito flessibile può supportare la luce-diodi emettitori (LED) — un'applicazione particolarmente critica in quanto i produttori aumentano continuamente la luminosità del display, determinando un maggiore consumo energetico dei LED e, di conseguenza, una maggiore generazione di calore che è dannosa per il funzionamento dell'LCD.

Brevetti e future applicazioni

Il portafoglio di brevetti di GrafTech in questo spazio include WO2016015032A1 ("Scheda circuitale flessibile con substrato in grafite e disposizioni circuitali che utilizzano lo stesso") e relativi atti. L'approvazione di questi brevetti rafforza in modo significativo la capacità di GrafTech di fabbricare dispositivi elettronici su materiali flessibili che possono essere attorcigliati, allungati o piegati ripetutamente.

L'elettronica flessibile e pieghevole è destinata a diventare un potenziale sostituto degli attuali circuiti stampati, con ampie dimensioni-applicazioni che spazianonegli smartphone pieghevoli, in vari dispositivi indossabili enei sistemi automobilistici.

Uno sviluppo parallelonell'elettronica estensibile

Per coincidenza, all’inizio del 2017, un gruppo di ricerca dell’Università di Scienza e Tecnologia del Missouri ha ottenuto una svolta in un campo correlato. I ricercatori hanno integrato con successo substrati flessibili con materiali conduttivi rigidi — combinando proprietà materiali fondamentalmente diverse — utilizzando una tecnica chiamata "stampa diretta tramite aerosol". Il processo prevede la spruzzatura di un materiale conduttivo su un substrato estensibile per sviluppare sensori che possono essere posizionati sulla pelle.

Le superfici elastiche possono essere attorcigliate, allungate e piegate ripetutamente, consentendo la produzione di prodotti elettronici pieghevoli ed estensibili praticamente senza alcun impatto sulle prestazioni. Dr. Heng Pan, professore assistente di ingegneria meccanica e aerospaziale presso il Missouri S&T e co-L'autore del documento di ricerca, ha osservato che la produzione additiva offre una soluzione economica per superare il disallineamento tra basi elastomeriche flessibili e fragili conduttori elettronici. "La stampa diretta, come metodo di produzione additiva, soddisferebbe tali requisiti e offrirebbe bassi costi e alta velocità sianella prototipazione chenella produzione", hanno scritto i ricercatori.

La strada da percorrere

Come la richiesta di una forma più piccola-Il fattore elettronico continua a crescere, la gestione termicanon farà altro che aumentare di importanza. Materiali di grafite — con il loro eccezionale in-conduttività termica piana e compatibilità con tecniche di produzione avanzate come la stampa 3D — sono posizionati per guidare la prossima rivoluzionenell’affidabilità elettronica.

La convergenza della tecnologia dei substrati di grafite con la produzione additiva rappresenta un cambiamento di paradigmanel modo in cui i circuiti elettronici vengono progettati e prodotti. Dai telefoni pieghevoli ai dispositivi medici indossabili fino ai sistemi automobilistici, l’era dell’elettronica flessibile, estensibile e ottimizzata termicamentenon è più una promessa lontana — sta già prendendo forma sulle linee di produzione enei laboratori di ricerca di tutto il mondo.