W miarę zmniejszania się rozmiarów urządzeń elektronicznych przy jednoczesnym zwiększaniu ich mocy obliczeniowej, zarządzanie temperaturą stało się jednym znajważniejszych wyzwań w projektowaniunowoczesnej elektroniki. Teraz przełomowe rozwiązanie firmy GrafTech International Holdings Inc. stawia czoła temu wyzwaniu-na—wykorzystując technologię druku 3D do tworzenia elastycznych płytek drukowanych z podłożami grafitowymi, które znacznie poprawiają odprowadzanie ciepła w wysokich temperaturach-diody LED mocy i inne źródła ciepła-generowanie komponentów.

Wyzwanie związane z zarządzaniem ciepłem

W dzisiejszych urządzeniach elektronicznych ciepło jest wrogiem wydajności iniezawodności. Mikroprocesory, układy scalone i inne złożone komponenty elektroniczne zazwyczaj działają skutecznie tylko w określonych progach temperatur. Kiedy te komponenty generująnadmierne ciepło podczas pracy,nie tylko pogarsza to ich wydajność, ale także zmniejsza ogólnąniezawodność systemu—anawet może doprowadzić do całkowitej awarii systemu.

W przypadku wysokich stawka jest szczególnie wysoka-diody LED zasilania. Ponieważ producencinieustannienaciskająna jaśniejsze wyświetlacze i jaśniejsze rozwiązania oświetleniowe, diody LED zużywają coraz większą ilość energii. W rzeczywistości około 70 do 85 procent mocy wejściowej zużywanej przez diody LED jest przekształcane w ciepło, anie w światło. Ciepło to ma szkodliwy wpływna działanie diod LED i, jeślinie jest odpowiednio zarządzane, może znacznie skrócić żywotność urządzenia i pogorszyć jego wydajność.

Niezawodność urządzeń półprzewodnikowych znacznie wzrasta wraz zniższymi temperaturami pracy-. Badania wykazały, żenawet 10°Wzrost temperatury o C może skrócić żywotność urządzenia o połowę. Dla projektantów kontrolowanie temperatury roboczej jestniezbędne, aby zmaksymalizować trwałość iniezawodność podzespołów.

Nowatorskie rozwiązanie: 3D-Drukowane elastyczne płytki drukowane grafitowe

GrafTech, światowy lider produktów grafitowych i węglowych-, opracował innowacyjne podejście do zarządzania ciepłem. Wykorzystując technologię druku 3D, firma wynalazła elastyczną płytkę drukowaną z elastycznym podłożem grafitowym. Poprzez druk 3D, warstwy dielektryczne i warstwy przewodzące prąd elektryczny—wraz z dodatkowymi elementami elektronicznymi—są drukowane bezpośredniona elastycznej matrycy grafitowej.

Struktura jest elegancko prosta, ale bardzo skuteczna:na powierzchni elastycznego podłoża grafitowego tworzy się warstwa dielektryczna, anastępniena powierzchni dielektryka tworzy się warstwa przewodząca prąd elektryczny. Warstwa przewodząca prąd elektryczny—które mogą obejmować srebro, miedź lub aluminium, lub mogą być stosowane jako grube-pasta przewodnika filmowego—tworzy obwód elektryczny. Warstwa przewodząca może byćnanoszona różnymi technikami druku, m.in. sitodrukiem czy drukiem 3D.

Doskonała wydajność cieplna

Kluczem do tej technologii jest samo podłoże grafitowe. Elastyczny grafit oferuje wyjątkowo wysoką zawartość-płaska przewodność cieplna—zwykle waha się od 300 do 1500 W/m·K-. Pozwala tona szybkie i skuteczne rozprzestrzenianie się ciepła po powierzchni podłoża, odprowadzanie ciepła z gorących punktów i rozprowadzanie gona większym obszarze w celu bardziej efektywnego rozpraszania.

Rezultatem jest płytka drukowana, która może skutecznie chłodzić ciepło-generowanie komponentów bez uszkadzania sąsiadujących części. Jest to szczególnie cenne przy haju-diody LED dużej mocy, gdzie skoncentrowane ciepłona złączu diod LED może szybko obniżyć wydajność i skrócić żywotność. Dzięki zamontowaniu diod LED bezpośredniona elastycznym podłożu grafitowym ciepło jest szybko odprowadzane od światła-emitujące komponenty, poprawiając zarówno chłodzenie, jak i ogólnąniezawodność urządzenia.

Elastyczność bez kompromisów

Być możenajbardziej imponujące jest to, że elastyczna płytka drukowana z grafitu zachowuje doskonałe właściwości elastyczności, zapewniając jednocześnie doskonałą wydajność cieplną. Płytkę drukowaną można zginać, zginać lub w inny sposób odkształcać w stosunku do konfiguracji płaskiej, beznegatywnego wpływuna jej działanie jako płytki drukowanej.

W praktyce oznacza to wyjątkowe promienie zgięcia: płytka drukowana o grubości 0,5 mm może uzyskać promień zgięcia około 6,0 mm, a płytka o grubości 0,25 mm może zgiąć się do promienia około 3,0 mm. Ta elastyczność otwiera zupełnienowe możliwości projektowania elektroniki.

Szerokie zastosowania i przyszły potencjał

Konsekwencje tej technologii wykraczają daleko poza oświetlenie LED. Patent GrafTechna tę technologię—przyznany jako patent USAnr 9,546,763 w dniu 17 stycznia 2017 r—plasuje firmęna czele elastycznej produkcji elektroniki. Elastyczna, zginalna elektronika może stać się realną alternatywą dla tradycyjnych sztywnych płytek drukowanych, z zastosowaniami obejmującymi składane smartfony, urządzenia donoszenia, systemy samochodowe inie tylko.

Technologia ta jest już stosowana w urządzeniach wyświetlających, w których wykorzystuje się światło LED-Elementy emitujące są montowanena elastycznych płytkach drukowanych z podłożem grafitowym, aby zarządzać ciepłem wytwarzanym przez coraz jaśniejsze wyświetlacze.

Patrząc w przyszłość

W miarę ewolucji urządzeń elektronicznych w kierunku mniejszych rozmiarów i wyższej wydajności, skuteczne zarządzanie temperaturą będzie zyskiwaćna znaczeniu. GrafTech 3D-drukowane, elastyczne płytki drukowane z grafitu stanowią znaczący kroknaprzód—łącząc zalety termiczne grafitu ze swobodą projektowania elastycznych podłoży i wydajnością produkcyjną druku 3D.

Dla projektantów wysokiej-systemy zasilania LED, wyświetlacze inie tylko-generacji elastycznej elektroniki, technologia ta oferuje atrakcyjne rozwiązanie jednego znajbardziej uporczywych wyzwań branży: utrzymywanie wydajnych komponentów wniskiej temperaturze bez poświęcania elastyczności i zwartości, jakich wymagająnowoczesne urządzenia.