W miarę zmniejszania się rozmiarów urządzeń elektronicznych przy jednoczesnym zwiększaniu ich mocy obliczeniowej, zarządzanie temperaturą stało się jednym znajważniejszych wyzwań w projektowaniu półprzewodników. Mikroprocesory, układy scalone i inne złożone komponenty elektroniczne zazwyczaj działają skutecznie tylko w określonym progowym zakresie temperatur. Kiedy te komponenty generująnadmierne ciepło podczas pracy,nie tylko pogarsza to ich wydajność, ale także zmniejsza ogólnąniezawodność systemu — a w skrajnych przypadkach może doprowadzić do całkowitej awarii systemu.

Dla projektantów kontrola temperatury roboczej jestnajważniejsza. Nawetniewielkie obniżenie temperatury roboczej typowego krzemowego urządzenia półprzewodnikowego zapewnia znaczną poprawę zarównoniezawodności, jak i żywotności produktu. Jak zauważył jeden z obserwatorów branży, „efektywne zarządzanie temperaturą ma kluczowe znaczenie dla uzyskania wysokiej wydajności-urządzeń zasilających, ponieważnadmierne ciepło może obniżyć ich wydajność iniezawodność”.

Rozwiązanie grafitowe

Wpisz grafit — materiał, który szybko staje się kamieniem węgielnym firmynext-generacji rozwiązań do zarządzania ciepłem. Rynek materiałów termoprzewodzących jest obecnie zdominowany przez trzy kategorie: folie termiczne z grafitunaturalnego, folie termiczne ze sztucznego grafitu oraz folienano-węglowe folie termiczne. Wiodącymi firmami w poszczególnych kategoriach są odpowiednio GrafTech (USA), Panasonica (Japonia)i SKC (Korea Południowa).

GrafTech, uważany za światowego lidera w dziedzinie inżynieryjnych produktów grafitowych i folii o wysokiej przewodności cieplnej, posiada znaczny portfel patentów w zakresie przetwarzania folii grafitowych i obsługuje głównych producentów OEM w zakresie rozwiązań chłodzących do smartfonów, elektroniki mocy i akumulatorów do pojazdów elektrycznych. Firma była pionierem w stosowaniu arkuszy cząstek sprężonego grafitu ekspandowanego, aby sprostać wyzwaniom termicznym i rynkowi wykorzystania tego materiału w zarządzaniu temperaturą produktów elektronicznych.

Druk 3D spotyka się z podłożami grafitowymi

Dziś, korzystając z technologii druku 3D, GrafTech wynalazł elastyczną płytkę drukowaną z elastycznym podłożem grafitowym-. Drukując warstwy dielektryczne, warstwy przewodzące i dodatkowe elementy elektronicznena elastycznej matrycy grafitowej, firma stworzyła rozwiązanie, które skutecznie odprowadza ciepło od komponentów,nie uszkadzając sąsiadujących części. Elastyczna płytka drukowana zawiera warstwę dielektryczną utworzonąna powierzchni elastycznego podłoża grafitowego i warstwę przewodzącą elektrycznie utworzonąna powierzchni dielektryka. Wysoka zawartość-płaska przewodność cieplna podłoża grafitowego zapewnia zwiększoną zdolność przenoszenia ciepła, skutecznie odprowadzając ciepło od elementów elektronicznych w celu poprawy chłodzenia.

Ta innowacja ma głębokie implikacje dla miniaturyzacji i odchudzania urządzeń elektronicznych, takich jak smartfony, laptopy i mieszkania-telewizory panelowe. Elastyczna płytka drukowana może obsługiwać światło-diody emitujące (Diody LED) — jest to szczególnie krytyczne zastosowanie, ponieważ producenci stale zwiększają jasność wyświetlacza, powodując większe zużycie energii diod LED, a w konsekwencji większe wytwarzanie ciepła, które jest szkodliwe dla działania wyświetlacza LCD.

Patenty i przyszłe zastosowania

Portfolio patentów GrafTech w tej dziedzinie obejmuje WO2016015032A1 („Elastyczna płytka drukowana z podłożem grafitowym i układami obwodów wykorzystującymi to samo”) i powiązane zgłoszenia. Zatwierdzenie tych patentów znacząco wzmacnia możliwości GrafTech w zakresie wytwarzania urządzeń elektronicznych z elastycznych materiałów, które można wielokrotnie skręcać, rozciągać lub zginać.

Elastyczna i podatnana zginanie elektronika może stać się potencjalnym zamiennikiem obecnych płytek drukowanych o szerokich średnicach-różnych zastosowań w składanych smartfonach, różnych urządzeniach donoszenia i systemach motoryzacyjnych.

Równoległy rozwój rozciągliwej elektroniki

Przypadkowona początku 2017 roku zespół badawczy z Missouri University of Science and Technology dokonał przełomu w pokrewnej dziedzinie. Naukowcom udało się zintegrować elastyczne podłoża ze sztywnymi materiałami przewodzącymi — łącząc zasadniczo różne właściwości materiału — stosując technikę zwaną „bezpośrednim drukiem aerozolowym”. Proces polegananatryskiwaniu materiału przewodzącegona rozciągliwe podłoże w celu opracowania czujników, które można umieścićna skórze.

Elastyczne powierzchnie można wielokrotnie skręcać, rozciągać i zginać, umożliwiając produkcję zginanych i rozciągliwych produktów elektronicznych praktycznie bez wpływuna wydajność. Dr Heng Pan, adiunkt inżynierii mechanicznej i lotniczej w Missouri S&T. i spółka-autor artykułu badawczego zauważył, że wytwarzanie przyrostowe stanowi ekonomiczne rozwiązanie przezwyciężająceniedopasowanie elastycznych baz elastomerowych i kruchych przewodników elektronicznych. „Druk bezpośredni, jako metoda wytwarzania przyrostowego, spełniłaby te wymagania oraz zapewniałabyniski koszt i dużą szybkość zarówno w prototypowaniu, jak i produkcji” –napisalinaukowcy.

Droga przednami

W miarę zapotrzebowania mniejsza forma-Factor Electronics stale się rozwija, zarządzanie ciepłem będzie zyskiwaćna znaczeniu. Materiały grafitowe — z ich wyjątkowym w-płaską przewodność cieplną i zgodność z zaawansowanymi technikami produkcyjnymi, takimi jak druk 3D — są w stanie przewodzić kolejnej rewolucji wniezawodności elektroniki.

Konwergencja technologii substratów grafitowych z produkcją przyrostową stanowi zmianę paradygmatu w sposobie projektowania i produkcji obwodów elektronicznych. Od składanych telefonów, przez medyczne urządzenia donoszenia, po systemy samochodowe – era elastycznej, rozciągliwej i zoptymalizowanej termicznie elektronikinie jest już odległą obietnicą —nabiera już kształtuna liniach produkcyjnych i w laboratoriach badawczychna całym świecie.