Terwijl elektronische apparaten steeds kleiner worden en de verwerkingskracht toeneemt, is thermisch beheer uitgegroeid tot een van de meest kritische uitdagingen in het moderne elektronica-ontwerp. Nu pakt een doorbraak van GrafTech International Holdings Inc. dit probleem aan-op—met behulp van 3D-printtechnologie om flexibele printplaten te maken met grafietsubstraten die de warmteafvoer dramatisch verbeteren-power-LED's en andere warmte-componenten genereren.

De uitdaging voor thermisch beheer

In de elektronische apparaten van vandaag is warmte de vijand van prestaties en betrouwbaarheid. Microprocessors, geïntegreerde schakelingen en andere complexe elektronische componenten werken doorgaans alleen effectief binnen specifieke temperatuurdrempels. Wanneer deze componenten tijdens bedrijf overmatige hitte genereren, heeft ditniet alleen eennegatieve invloed op hun eigen prestaties, maar vermindert dit ook de algehele systeembetrouwbaarheid—en kan zelfs leiden tot een volledige systeemstoring.

De inzet is bijzonder hoog voor hoog-power-LED's. Terwijl fabrikanten voortdurend strevennaar helderdere beeldschermen en meer lichtgevende verlichtingsoplossingen, verbruiken LED's steeds meer stroom. In feite wordt ongeveer 70 tot 85 procent van het ingangsvermogen dat door LED's wordt verbruikt, omgezet in warmte in plaats van in licht. Deze hitte is schadelijk voor de LED-werking en kan, als dezeniet goed wordt beheerd, de levensduur van het apparaat aanzienlijk verkorten en de prestaties in gevaar brengen.

De betrouwbaarheid van halfgeleiderapparaten verbetert dramatisch bij lagere bedrijfstemperaturen-. Studies hebben aangetoond dat zelfs een 10°Een temperatuurstijging kan de operationele levensduur van een apparaat halveren. Voor ontwerpers is het beheersen van de bedrijfstemperatuur essentieel om de levensduur en betrouwbaarheid van componenten te maximaliseren.

Eennieuwe oplossing: 3D-Bedrukte flexibele grafietprintplaten

GrafTech, een wereldleider in grafiet- en koolstofproducten-, heeft een innovatieve benadering van thermisch beheer ontwikkeld. Met behulp van 3D-printtechnologie heeft het bedrijf een flexibele printplaat uitgevonden met een flexibel grafietsubstraat. Door middel van 3D-printen, diëlektrische lagen en elektrisch geleidende lagen—samen met extra elektronische componenten—worden rechtstreeks op de flexibele grafietmatrix gedrukt.

De structuur is elegant eenvoudig maar toch zeer effectief: er wordt een diëlektrische laag gevormd op het oppervlak van het flexibele grafietsubstraat, en vervolgens wordt een elektrisch geleidende laag gevormd op het oppervlak van het diëlektricum.. De elektrisch geleidende laag—die zilver, koper of aluminium kunnen bevatten, of als een dikke laag kunnen worden aangebracht-filmgeleiderpasta—vormt het elektrische circuit. De geleidende laag kan met verschillende printtechnieken worden aangebracht, waaronder zeefdruk of 3D-printen.

Superieure thermische prestaties

De sleutel tot deze technologie ligt in het grafietsubstraat zelf. Flexibel grafiet biedt uitzonderlijk hoge in-vlakke thermische geleidbaarheid—doorgaans variërend van 300 tot 1.500 W/m·K-. Hierdoor kan de warmte zich snel en efficiënt over het substraatoppervlak verspreiden, waardoor de warmte weggevoerd wordt van de hotspots en over een groter gebied wordt verdeeld voor een effectievere afvoer..

Het resultaat is een printplaat die warmte effectief kan koelen-componenten genereren zonder aangrenzende delen te beschadigen. Dit is vooral waardevol voor high-power-LED's, waarbij geconcentreerde warmte op de LED-verbinding de prestaties snel kan verminderen en de levensduur kan verkorten. Door LED's rechtstreeks op het flexibele grafietsubstraat te monteren, wordt de warmte snel weggeleid van het licht-emitterende componenten, waardoor zowel de koeling als de algehele betrouwbaarheid van het apparaat worden verbeterd.

Flexibiliteit zonder compromissen

Misschien wel het meest indrukwekkend is dat de flexibele grafietprintplaat uitstekende flexibiliteitseigenschappen behoudt en tegelijkertijd superieure thermische prestaties levert. De printplaat kan worden gebogen, gebogen of anderszins vervormd vanuit een vlakke configuratie zonder de prestaties als printplaatnegatief te beïnvloeden.

In de praktijk betekent dit uitzonderlijke buigradii: een printplaat van 0,5 mm dik kan een buigradius bereiken van ongeveer 6,0 mm, terwijl een plaat van 0,25 mm dik kan buigen tot een straal van ongeveer 3,0 mm. Deze flexibiliteit opent geheelnieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van elektronica.

Brede toepassingen en toekomstig potentieel

De implicaties van deze technologie reiken veel verder dan LED-verlichting. GrafTech's patent voor deze technologie—verleend als Amerikaans octrooinr. 9.546.763 op 17 januari 2017—positioneert het bedrijf in de voorhoede van de flexibele elektronicaproductie. Flexibele, buigbare elektronica heeft het potentieel om een levensvatbaar alternatief te worden voor traditionele stijve printplaten, met toepassingen die zich uitstrekken over opvouwbare smartphones, draagbare apparaten, autosystemen en meer.

De technologie wordt al toegepast op weergaveapparaten, waarbij LED-licht aanwezig is-Uitstralende componenten worden gemonteerd op flexibele printplaten met grafietsubstraten om de warmte te beheersen die wordt gegenereerd door steeds helderder wordende beeldschermen.

Vooruitkijken

Naarmate elektronische apparaten blijven evoluerennaar kleinere vormfactoren en hogere prestaties, zal effectief thermisch beheer alleen maar belangrijker worden. 3D van GrafTech-geprinte flexibele grafietprintplaten vertegenwoordigen een belangrijke stap voorwaarts—het combineren van de thermische voordelen van grafiet met de ontwerpvrijheid van flexibele substraten en de productie-efficiëntie van 3D-printen.

Voor ontwerpers van hoog-power LED-systemen, displays en meer-generatie flexibele elektronica biedt deze technologie een overtuigende oplossing voor een van de meest hardnekkige uitdagingen van de industrie: krachtige componenten koel houden zonder de flexibiliteit en compactheid op te offeren die moderne apparaten vereisen.