I en milstolpe utveckling för elektroniktillverkningsindustrin, GrafTech International Holdings Inc. har säkrat ett centralt patent för ett flexibelt kretskort byggt på ett grafitsubstrat med hjälp av avancerad 3D-utskriftsteknik. Den patenterade tekniken—officiellt utsett under patentpublicering WO2016015032A1 och relaterade amerikanska anmälningar inklusive US9546763—positionerar företaget i framkanten av den snabbt utvecklande flexibla och hopfällbara elektroniksektorn.

Med en total portfölj av 364 patentansökningar och a 500% ökad IP-aktivitet, GrafTech har visat ett aggressivt engagemang för innovation inom grafit-baserad materialvetenskap-1-. Dennyligen patenterade uppfinningen representerar ett betydande steg framåt: ett flexibelt kretskort med ett flexibelt grafitsubstrat, på vilket dielektriska skikt och elektriskt ledande skikt appliceras—och i vissa utföringsformer trycks ytterligare elektroniska komponenter direkt—använder 3D additiv tillverkning.

Thermal Management Challenge

Innovationen tar itu med en av de mest ihållande utmaningarna inom modern elektronikdesign: värmeavledning. I takt med att elektroniska enheter blir allt mer kompakta och kraftfulla, hanterar den termiska uteffekten av komponenter som mikroprocessorer, integrerade kretsar och hög-optiska kraftenheter har blivit kritiska. Dessa komponenter fungerar endast effektivt inom specifika tröskeltemperaturer. När överdriven värme ackumuleras under drift, försämrar det inte bara komponenternas prestanda utan minskar också systemets övergripande tillförlitlighet och kan till och med leda till katastrofala fel.

För var 10:e°C minskning av driftstemperaturen för en typisk kiselhalvledarenhet, tillförlitligheten fördubblas ungefär och produktens livslängd förlängs avsevärt. Denna grundläggande princip för elektronikdesign har drivit tillverkare att sökanågonsin-mer-effektiva värmehanteringslösningar.

Hur tekniken fungerar

Det patenterade flexibla kretskortet består av tre väsentliga lager:

1. Ett flexibelt grafitsubstrat – ger exceptionell i-plan värmeledningsförmåga för effektiv värmespridning

2. Ett dielektriskt lager – bildas på ytan av grafitsubstratet för elektrisk isolering

3. Ett elektriskt ledande skikt – appliceras på det dielektriska skiktet för att bilda den faktiska elektriska kretsen

Det ledande skiktet kan tillverkas av material inklusive silver, koppar eller aluminium, och kan appliceras som en ledarpasta eller metallfolie med användning av tekniker som t.ex screentryck eller 3D-utskrift. Det resulterande kretskortet bibehåller samma böjningsegenskaper som själva grafitskivan, vilket uppnår böj radier så hårt som 3,0 mm för en 0,25 mm tjock skiva och 6,0 mm för en 0,5 mm tjock skiva—utan att kompromissa med strukturell integritet eller elektrisk prestanda.

Detta innebär att det flexibla kretskortet kan vara böjd, vriden eller upprepade gånger böjd från en plan konfiguration utannegativ inverkan på dess funktion som kretskort—en förmåga som öppnar heltnya möjligheter för produktdesign.

Tillämpningar över branscher

Tekniken är särskilt bra-lämpar sig för applikationer där värmeavledning och rumsliga begränsningar är avgörande:

• LED-belysning och displayer: När tillverkare pressar skärmens ljusstyrka högre, förbrukar lysdioder mer ström och genererar mer värme. GrafTechs flexibla grafitkretskort kan stödja lysdioder samtidigt som de avleder värme—en avgörande fördel förnästa-generationens LCD-skärmar.

• Smartphones och surfplattor: Trycket mot tunnare, lättare enheter med högre processorkraft gör effektiv värmehantering avgörande. GrafTech's SPREDSKÖLD™ produktlinje, som redan används i smarttelefonkylningslösningar, visar företagets etableradenärvaro på denna marknad.

• Vikbara smartphones: Den kanske mest spännande applikationen ligger i den framväxande kategorin hopfällbara enheter. Smidig grafit-baserade kretskort skulle kunna fungera som en potentiell ersättning för traditionella stela PCB i anordningar som måste tåla upprepad vikning och utvikning.

• Bärbar elektronik: Från smartklockor till hälsoövervakningsenheter kräver bärbara flexibla, hållbara och termiskt effektiva kretsar.

• Bilsystem: In-fordonselektronik—särskilt de i elfordon och avancerade förare-hjälpsystem—kräver robust värmehantering i trånga utrymmen.

En bredare branschtrend

GrafTech är inte ensamma om att sträva efter flexibel elektronik genom additiv tillverkning. I början av 2017, forskare vid Missouri University of Science and Technology demonstrerade en direkt aerosoltryckteknik som integrerar flexibla substrat med styva ledande material. De elastiska ytorna som produceras med denna metod kan vridas, sträckas och böjas upprepade gånger utan praktiskt tagetnågon prestandaförsämring—som återspeglar kärnprinciperna för GrafTechs grafit-baserad strategi.

Strategiska konsekvenser

Godkännandet av detta patent stärker GrafTechs position i det snabbt växande flexibel hybridelektronik (FHE) marknaden-. Som en erkänd global ledare inom konstruerade grafitprodukter och filmer med hög värmeledningsförmåga, betjänar företaget stora OEM-tillverkare inom kraftelektronik, batteripaket för elfordon och konsumentelektronik.

Patentportföljen—som inkluderar relaterade anmälningar som t.ex US2016096736A1 (transparenta ledande artiklar) och WO2016094150A1 (flexibla grafitplåtstödstrukturer)—tillhandahåller en omfattande immaterialrättsvallgrav runt GrafTechs flexibla grafitteknologi.

Ser framåt

Som elektronikindustrin fortsätter sin bana mot mindre formfaktorer, högre effekttätheter och oöverträffad flexibilitet, GrafTechs patenterade 3D-tryckta flexibla grafitkretskort erbjuder en övertygande lösning. Genom att kombinera exceptionell värmeledningsförmåga hos grafit med designfrihet för additiv tillverkning, tar tekniken upp både dagens utmaningar inom termisk hantering och formen-morgondagens faktorbegränsningar.

För designers av smartphones, wearables, bilsystem och mer är budskapet tydligt: eran av flexibel, termiskt intelligent elektronik har anlänt—och GrafTech leder vägen.