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 halvledardesign. Mikroprocessorer, integrerade kretsar och andra komplexa elektroniska komponenter fungerar vanligtvis effektivt endast inom ett specifikt tröskeltemperaturområde. När dessa komponenter genererar överdriven värme under drift, försämrar det inte bara deras egen prestanda utan minskar också systemets övergripande tillförlitlighet — och i extrema fall kan det leda till fullständigt systemfel.

För konstruktörer är styrning av driftstemperaturen avgörande. Även en blygsam minskning av driftstemperaturen för en typisk kiselhalvledarenhet ger betydande förbättringar i både tillförlitlighet och produktlivslängd. Som en industriobservatörnoterade, "effektiv värmehantering är avgörande för hög-kraftenheter, eftersom överdriven värme kan försämra deras prestanda och tillförlitlighet".

Grafitlösningen

Ange grafit — ett material som snabbt blir hörnstenen inästa-generationens värmehanteringslösningar. Marknaden för termiska filmmaterial domineras förnärvarande av tre kategorier:naturlig grafit termisk film, artificiell grafit termisk film ochnano-termiska kolfilmer. De ledande företagen inom respektive kategori är GrafTech (USA), Panasonic (Japan)och SKC (Sydkorea).

GrafTech, som anses vara en global ledare inom konstruerade grafitprodukter och filmer med hög värmeledningsförmåga, har en betydande patentportfölj inom grafitfilmsbehandling och betjänar stora OEM-tillverkare inom smarttelefonkylningslösningar, kraftelektronik och batteripaket för elfordon. Företaget banade väg för användningen av komprimerade expanderade grafitpartikelark för att möta termiska utmaningar och marknaden för att använda detta material i termisk hantering av elektroniska produkter.

3D-utskrift möter grafitsubstrat

Idag, med hjälp av 3D-utskriftsteknik, har GrafTech uppfunnit ett flexibelt kretskort med ett flexibelt grafitsubstrat-. Genom att skriva ut dielektriska lager, ledande lager och ytterligare elektroniska komponenter på den flexibla grafitmatrisen har företaget skapat en lösning som effektivt sprider värme bort från komponenter utan att skada intilliggande delar. Det flexibla kretskortet inkluderar ett dielektriskt skikt bildat på ytan av det flexibla grafitsubstratet och ett elektriskt ledande skikt bildat på ytan av dielektriket. Den höga in-plan värmeledningsförmåga hos grafitsubstratet ger förbättrad värmeöverföringsförmåga, vilket effektivt flyttar bort värme från elektroniska komponenter för förbättrad kylning.

Denna innovation har djupgående konsekvenser för miniatyrisering och uttunning av elektroniska enheter som smartphones, bärbara datorer och platt-panel-tv-apparater. Det flexibla kretskortet kan stödja ljus-emitterande dioder (lysdioder) — en särskilt kritisk applikation eftersom tillverkare kontinuerligt ökar skärmens ljusstyrka, vilket leder till högre LED-strömförbrukning och, följaktligen, större värmealstring som är skadligt för LCD-driften.

Patent och framtida ansökningar

GrafTechs patentportfölj på detta område inkluderar WO2016015032A1 ("Flexibelt kretskort med grafitsubstrat och kretsarrangemang som använder samma") och relaterade anmälningar. Godkännandet av dessa patent stärker avsevärt GrafTechs förmåga att tillverka elektroniska enheter på flexibla material som kan vridas, sträckas eller böjas upprepade gånger.

Flexibel och böjbar elektronik är redo att bli en potentiell ersättning förnuvarande kretskort, med breda-omfattande applikationer i vikbara smartphones, olika bärbara enheter och bilsystem.

En parallell utveckling inom töjbar elektronik

Av en slump, i början av 2017, uppnådde ett forskarlag från Missouri University of Science and Technology ett genombrott inom ett relaterat område. Forskarna har framgångsrikt integrerat flexibla substrat med styva ledande material — kombinerar fundamentalt olika materialegenskaper — använder en teknik som kallas "direkt aerosoltryck". Processen går ut på att spruta ett ledande material på ett töjbart substrat för att utveckla sensorer som kan placeras på huden.

De elastiska ytorna kan vridas, sträckas och böjas upprepade gånger, vilket möjliggör produktion av böjbara och töjbara elektroniska produkter med praktiskt taget ingen inverkan på prestandan. Dr Heng Pan, biträdande professor i maskin- och flygteknik vid Missouri S&T och co-författaren till forskningsartikeln,noterade att additiv tillverkning erbjuder en ekonomisk lösning för att övervinna obalansen mellan flexibla elastomerbaser och sköra elektroniska ledare. "Direkttryck, som en additiv tillverkningsmetod, skulle tillfredsställa sådana krav och erbjuda låg kostnad och hög hastighet i både prototypframställning och tillverkning", skrev forskarna.

Vägen framåt

Som efterfrågan på, mindre form-faktorelektronik fortsätter att växa, termisk hantering kommer bara att öka i betydelse. Grafitmaterial — med sina exceptionella in-plan värmeledningsförmåga och kompatibilitet med avancerad tillverkningsteknik som 3D-utskrift — är positionerade för att ledanästa revolution inom elektronisk tillförlitlighet.

Konvergensen av grafitsubstratteknologi med additiv tillverkning representerar ett paradigmskifte i hur elektroniska kretsar designas och produceras. Från hopfällbara telefoner till medicinska bärbara produkter till bilsystem, eran av flexibel, töjbar och termiskt optimerad elektronik är inte längre ett avlägset löfte — det tar redan form på produktionslinjer och i forskningslaboratorier runt om i världen.