Eftersom elektroniska enheter fortsätter att krympa i storlek samtidigt som de växer i processorkraft, har termisk hantering framstått som en av de mest kritiska utmaningarna inom modern elektronikdesign. Nu tar ett genombrott från GrafTech International Holdings Inc. detta utmaningshuvud-på—använder 3D-utskriftsteknik för att skapa flexibla kretskort med grafitsubstrat som dramatiskt förbättrar värmeavledning för hög-strömlampor och annan värme-genererande komponenter.

Thermal Management Challenge

I dagens elektroniska enheter är värme prestanda och tillförlitlighets fiende. Mikroprocessorer, integrerade kretsar och andra komplexa elektroniska komponenter fungerarnormalt endast effektivt inom specifika temperaturtrösklar. När dessa komponenter genererar överdriven värme under drift, försämrar det inte bara deras egen prestanda utan minskar också systemets övergripande tillförlitlighet—och kan till och med leda till fullständigt systemfel.

Insatserna är särskilt höga för höga-strömlampor. Eftersom tillverkare ständigt strävar efter ljusare skärmar och mer självlysande belysningslösningar, förbrukar lysdioder allt större mängder ström. Faktum är att ungefär 70 till 85 procent av den ineffekt som förbrukas av lysdioder omvandlas till värme snarare än ljus. Denna värme är skadlig för LED-drift och kan, om den inte hanteras på rätt sätt, avsevärt förkorta enhetens livslängd och äventyra prestanda.

Tillförlitligheten av halvledarenheter förbättras dramatiskt med lägre driftstemperaturer-. Studier har visat att även en 10:a°C ökning av temperaturen kan halvera en enhets livslängd. För konstruktörer är det viktigt att kontrollera driftstemperaturen för att maximera komponenternas livslängd och tillförlitlighet.

Enny lösning: 3D-Tryckta flexibla grafitkretskort

GrafTech, en global ledare inom grafit- och kolprodukter-, har utvecklat en innovativ metod för värmehantering. Med hjälp av 3D-utskriftsteknik har företaget uppfunnit ett flexibelt kretskort med ett flexibelt grafitsubstrat. Genom 3D-utskrift, dielektriska skikt och elektriskt ledande skikt—tillsammans med ytterligare elektroniska komponenter—skrivs direkt på den flexibla grafitmatrisen.

Strukturen är elegant enkel men ändå mycket effektiv: ett dielektriskt skikt bildas på ytan av det flexibla grafitsubstratet, och ett elektriskt ledande skikt bildas sedan på ytan av dielektrikumet. Det elektriskt ledande lagret—som kan innehålla silver, koppar eller aluminium, eller appliceras som en tjock-filmledarepasta—bildar den elektriska kretsen. Det ledande lagret kan appliceras med olika trycktekniker, inklusive screentryck eller 3D-utskrift.

Överlägsen termisk prestanda

Nyckeln till denna teknik ligger i själva grafitsubstratet. Flexibel grafit erbjuder exceptionellt hög in-plan värmeledningsförmåga—vanligtvis från 300 till 1 500 W/m·K-. Detta gör det möjligt för värme att spridas snabbt och effektivt över substratets yta, flytta värme bort från heta punkter och distribuera den över ett större område för mer effektiv avledning.

Resultatet är ett kretskort som effektivt kan kyla värme-genererar komponenter utan att skada intilliggande delar. Detta är särskilt värdefullt för hög-power-LED, där koncentrerad värme vid LED-övergången snabbt kan försämra prestandan och förkorta livslängden. Genom att montera lysdioder direkt på det flexibla grafitsubstratet leds värme snabbt bort från ljuset-emitterande komponenter, vilket förbättrar både kylningen och enhetens övergripande tillförlitlighet.

Flexibilitet utan kompromisser

Det kanske mest imponerande är att det flexibla grafitkretskortet bibehåller utmärkta flexibilitetsegenskaper samtidigt som det levererar överlägsen termisk prestanda. Kretskortet kan böjas, böjas eller på annat sätt förvrängas från en plan konfiguration utan attnegativt påverka dess prestanda som kretskort.

Rent praktiskt innebär detta exceptionella böjradier: ett 0,5 mm tjockt kretskort kan uppnå en böjradie på cirka 6,0 mm, medan ett 0,25 mm tjockt kort kan böjas till en radie av cirka 3,0 mm. Denna flexibilitet öppnar heltnya möjligheter för elektronikdesign.

Breda tillämpningar och framtidspotential

Implikationerna av denna teknik sträcker sig långt bortom LED-belysning. GrafTechs patent för denna teknologi—beviljat som US-patentnr 9 546 763 den 17 januari 2017—positionerar företaget i framkant av flexibel elektroniktillverkning. Flexibel, böjbar elektronik har potential att bli ett lönsamt alternativ till traditionella styva kretskort, med applikationer som spänner över vikbara smartphones, bärbara enheter, bilsystem och mer.

Tekniken tillämpas redan på displayenheter, där LED-ljus-emitterande komponenter är monterade på flexibla kretskort med grafitsubstrat för att hantera värmen som genereras av allt ljusare skärmar.

Ser framåt

När elektroniska enheter fortsätter att utvecklas mot mindre formfaktorer och högre prestanda, kommer effektiv värmehantering bara att växa i betydelse. GrafTechs 3D-tryckta flexibla grafitkretskort utgör ett viktigt steg framåt—kombinerar de termiska fördelarna med grafit med designfriheten hos flexibla substrat och tillverkningseffektiviteten hos 3D-utskrift.

För designers av hög-power LED-system, displayer ochnästa-generationens flexibel elektronik erbjuder denna teknik en övertygande lösning på en av branschens mest ihållande utmaningar: att hålla kraftfulla komponenter svala utan att offra den flexibilitet och kompaktitet som moderna enheter kräver.