Terwijl elektronische apparaten steeds kleiner worden terwijl de verwerkingskracht toeneemt, is thermisch beheer uitgegroeid tot een van de meest kritische uitdagingen bij het ontwerpen van halfgeleiders. Microprocessors, geïntegreerde schakelingen en andere complexe elektronische componenten werken doorgaans alleen effectief binnen een specifiek drempeltemperatuurbereik. 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 in extreme gevallen kan dit leiden tot een volledige systeemstoring.

Voor ontwerpers is het beheersen van de bedrijfstemperatuur van cruciaal belang. Zelfs een bescheiden verlaging van de bedrijfstemperatuur van een typisch silicium halfgeleiderapparaat levert aanzienlijke verbeteringen op in zowel de betrouwbaarheid als de levensduur van het product. Zoals een waarnemer uit de sector opmerkte: “Effectief thermisch beheer is van cruciaal belang voor hoge temperaturen-elektrische apparaten, omdat overmatige hitte hun prestaties en betrouwbaarheid kan aantasten".

De grafietoplossing

Voer grafiet in — een materiaal dat snel de hoeksteen vannext aan het worden is-generatie oplossingen voor thermisch beheer. De markt voor thermische filmmaterialen wordt momenteel gedomineerd door drie categorieën: thermische films vannatuurlijk grafiet, thermische films van kunstmatige grafiet ennano-thermische films van koolstof. De toonaangevende bedrijven in elke categorie zijn respectievelijk GrafTech (VS), Panasonic (Japan)en SKC (Zuid-Korea).

GrafTech, beschouwd als een wereldleider op het gebied van technische grafietproducten en films met een hoge thermische geleidbaarheid, heeft een aanzienlijke patentportfolio op het gebied van de verwerking van grafietfilms en bedient grote OEM's op het gebied van koeloplossingen voor smartphones, vermogenselektronica en accupakketten voor elektrische voertuigen. Het bedrijf was een pionier in het gebruik van gecomprimeerde geëxpandeerde grafietdeeltjesplaten om thermische uitdagingen aan te pakken en de markt voor het gebruik van dit materiaal in thermisch beheer van elektronische producten aan te pakken.

3D-printen ontmoet grafietsubstraten

Tegenwoordig heeft GrafTech met behulp van 3D-printtechnologie een flexibele printplaat uitgevonden met een flexibel grafietsubstraat-. Door diëlektrische lagen, geleidende lagen en extra elektronische componenten op de flexibele grafietmatrix te printen, heeft het bedrijf een oplossing gecreëerd die de warmte effectief van componenten verspreidt zonder aangrenzende onderdelen te beschadigen. De flexibele printplaat omvat een diëlektrische laag gevormd op het oppervlak van het flexibele grafietsubstraat en een elektrisch geleidende laag gevormd op het oppervlak van het diëlektrische substraat.. De hoge in-De vlakke thermische geleidbaarheid van het grafietsubstraat zorgt voor een verbeterd warmteoverdrachtsvermogen, waardoor de warmte effectief wordt weggeleid van elektronische componenten voor een betere koeling.

Deze innovatie heeft diepgaande gevolgen voor de miniaturisering en dunner worden van elektronische apparaten zoals smartphones, laptops en platte apparaten-paneel televisies. De flexibele printplaat kan licht ondersteunen-emitterende diodes (LED's) — een bijzonder kritische toepassing omdat fabrikanten de helderheid van het scherm voortdurend verhogen, wat leidt tot een hoger energieverbruik van de LED's en bijgevolg tot een grotere warmteontwikkeling die schadelijk is voor de werking van LCD's.

Patenten en toekomstige toepassingen

GrafTech's patentportfolio op dit gebied omvat WO2016015032A1 ("Flexibele printplaat met grafietsubstraat en circuitopstellingen die dezelfde gebruiken") en aanverwante dossiers. De goedkeuring van deze patenten versterkt GrafTech's vermogen aanzienlijk om elektronische apparaten te vervaardigen op flexibele materialen die herhaaldelijk kunnen worden gedraaid, uitgerekt of gebogen.

Flexibele en buigbare elektronica staat op het punt een potentiële vervanging te worden voor de huidige printplaten-variërende toepassingen in opvouwbare smartphones, verschillende draagbare apparaten en autosystemen.

Een parallelle ontwikkeling in rekbare elektronica

Toevallig bereikte een onderzoeksteam van de Missouri University of Science and Technology begin 2017 een doorbraak op een gerelateerd gebied. De onderzoekers hebben met succes flexibele substraten geïntegreerd met stijve geleidende materialen — waarbij fundamenteel verschillende materiaaleigenschappen worden gecombineerd — met behulp van een techniek genaamd "direct aerosolprinten". Het proces omvat het spuiten van een geleidend materiaal op een rekbaar substraat om sensoren te ontwikkelen die op de huid kunnen worden geplaatst.

De elastische oppervlakken kunnen herhaaldelijk worden gedraaid, uitgerekt en gebogen, waardoor de productie van buigbare en rekbare elektronische producten mogelijk wordt gemaakt zonder dat dit invloed heeft op de prestaties. Dr. Heng Pan, assistent-professor mechanische en ruimtevaarttechniek aan Missouri S&T en co-auteur van het onderzoeksartikel merkte op dat additieve productie een economische oplossing biedt om de discrepantie tussen flexibele elastomeerbases en broze elektronische geleiders te overwinnen. "Direct printen, als additieve productiemethode, zou aan dergelijke eisen voldoen en lage kosten en hoge snelheid bieden bij zowel prototyping als productie", schreven de onderzoekers..

De weg vooruit

Als de vraagnaar kleinere vorm-factorelektronica blijft groeien, thermisch beheer zal alleen maar in belang toenemen. Grafiet materialen — met hun uitzonderlijke in-thermische geleidbaarheid en compatibiliteit met geavanceerde productietechnieken zoals 3D-printen — zijn gepositioneerd om de volgende revolutie in elektronische betrouwbaarheid te leiden.

De convergentie van grafietsubstraattechnologie met additieve productie vertegenwoordigt een paradigmaverschuiving in de manier waarop elektronische schakelingen worden ontworpen en geproduceerd. Van opvouwbare telefoons tot medische wearables en autosystemen: het tijdperk van flexibele, rekbare en thermisch geoptimaliseerde elektronica isniet langer een verre belofte — het krijgt al vorm op productielijnen en in onderzoekslaboratoria over de hele wereld.