เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยังคงมีขนาดเล็กลงในขณะที่พลังการประมวลผลเพิ่มขึ้น การจัดการระบายความร้อนจึงกลายเป็นความท้าทายที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งในการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ขณะนี้ ความก้าวหน้าของบริษัท GrafTech International Holdings Inc. กำลังจัดการกับความท้าทายนี้-บน—ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติเพื่อสร้างแผงวงจรที่ยืดหยุ่นด้วยพื้นผิวกราไฟท์ที่ปรับปรุงการกระจายความร้อนในระดับสูงได้อย่างมาก-ไฟ LED พลังงานและความร้อนอื่นๆ-การสร้างส่วนประกอบ.

ความท้าทายในการจัดการระบายความร้อน

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน ความร้อนเป็นศัตรูต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ ไมโครโปรเซสเซอร์ วงจรรวม และส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนอื่นๆ มักจะทำงานอย่างมีประสิทธิภาพภายในเกณฑ์อุณหภูมิที่กำหนดเท่านั้น เมื่อส่วนประกอบเหล่านี้สร้างความร้อนมากเกินไประหว่างการทำงาน ไม่เพียงแต่ทำให้ประสิทธิภาพของตัวเองลดลง แต่ยังลดความน่าเชื่อถือของระบบโดยรวมด้วย—และอาจทำให้ระบบล้มเหลวโดยสิ้นเชิงได้.

เงินเดิมพันสูงเป็นพิเศษ-ไฟ LED พลังงาน เนื่องจากผู้ผลิตพยายามผลักดันให้มีจอแสดงผลที่สว่างขึ้นและโซลูชันระบบแสงสว่างที่ส่องสว่างมากขึ้น LED จึงใช้พลังงานในปริมาณที่เพิ่มขึ้น ในความเป็นจริง ประมาณ 70 ถึง 85 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานอินพุตที่ใช้โดย LED จะถูกแปลงเป็นความร้อนแทนที่จะเป็นแสง. ความร้อนนี้เป็นอันตรายต่อการทำงานของ LED และหากไม่ได้รับการจัดการอย่างเหมาะสม อาจทำให้อายุการใช้งานของอุปกรณ์สั้นลงอย่างมากและลดประสิทธิภาพลงได้.

ความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ดีขึ้นอย่างมากด้วยอุณหภูมิในการทำงานที่ต่ำลง-. การศึกษาพบว่าแม้แต่ 10°อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น C สามารถลดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ลงครึ่งหนึ่ง. สำหรับนักออกแบบ การควบคุมอุณหภูมิในการทำงานถือเป็นสิ่งสำคัญเพื่อเพิ่มอายุการใช้งานและความน่าเชื่อถือของส่วนประกอบให้สูงสุด.

โซลูชันใหม่: 3D-แผงวงจรกราไฟท์แบบยืดหยุ่นที่พิมพ์แล้ว

GrafTech ผู้นำระดับโลกด้านผลิตภัณฑ์กราไฟท์และคาร์บอน-ได้พัฒนาแนวทางใหม่ในการจัดการระบายความร้อน ด้วยการใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ บริษัทได้คิดค้นแผงวงจรที่มีความยืดหยุ่นพร้อมสารตั้งต้นกราไฟท์ที่มีความยืดหยุ่น. ผ่านการพิมพ์ 3 มิติ ชั้นอิเล็กทริก และชั้นนำไฟฟ้า—พร้อมด้วยส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มเติม—ถูกพิมพ์โดยตรงบนเมทริกซ์กราไฟท์แบบยืดหยุ่น.

โครงสร้างนี้ดูเรียบง่ายหรูหราแต่มีประสิทธิภาพสูง: ชั้นไดอิเล็กตริกถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวของซับสเตรตกราไฟท์ที่ยืดหยุ่น จากนั้นชั้นที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของอิเล็กทริก. ชั้นที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า—ซึ่งอาจรวมถึงเงิน ทองแดง หรืออลูมิเนียม หรือจะทาเป็นความหนาก็ได้-วางตัวนำฟิล์ม—ทำให้เกิดวงจรไฟฟ้า. ชั้นสื่อกระแสไฟฟ้าสามารถใช้ได้โดยใช้เทคนิคการพิมพ์ต่างๆ รวมถึงการพิมพ์สกรีนหรือการพิมพ์ 3 มิติ.

ประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่เหนือกว่า

กุญแจสำคัญของเทคโนโลยีนี้อยู่ที่ตัวสารตั้งต้นของกราไฟท์เอง กราไฟท์แบบยืดหยุ่นมีความแข็งแรงสูงเป็นพิเศษ-การนำความร้อนของเครื่องบิน—โดยทั่วไปจะมีตั้งแต่ 300 ถึง 1,500 W/ม·เค-. ช่วยให้ความร้อนกระจายอย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพทั่วทั้งพื้นผิว โดยถ่ายเทความร้อนออกจากจุดร้อนและกระจายไปทั่วพื้นที่ขนาดใหญ่เพื่อการกระจายที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น.

ผลลัพธ์ที่ได้คือแผงวงจรที่สามารถระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ-สร้างส่วนประกอบโดยไม่สร้างความเสียหายให้กับชิ้นส่วนที่อยู่ติดกัน. สิ่งนี้มีคุณค่าอย่างยิ่งสำหรับระดับสูง-ไฟ LED กำลังซึ่งความร้อนเข้มข้นที่จุดเชื่อมต่อ LED อาจทำให้ประสิทธิภาพลดลงอย่างรวดเร็วและทำให้อายุการใช้งานสั้นลง ด้วยการติดตั้ง LED ลงบนพื้นผิวกราไฟท์ที่ยืดหยุ่นโดยตรง ความร้อนจะถูกนำออกจากแสงอย่างรวดเร็ว-ส่วนประกอบที่เปล่งออกมา ปรับปรุงทั้งการระบายความร้อนและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์โดยรวม.

ความยืดหยุ่นโดยไม่มีการประนีประนอม

บางทีสิ่งที่น่าประทับใจที่สุดก็คือ แผงวงจรกราไฟท์แบบยืดหยุ่นยังคงรักษาคุณลักษณะความยืดหยุ่นที่ยอดเยี่ยม ขณะเดียวกันก็ให้ประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่เหนือกว่า แผงวงจรสามารถโค้งงอ งอ หรือบิดเบี้ยวไปจากโครงร่างระนาบได้ โดยไม่ส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพการทำงานของแผงวงจร.

ในทางปฏิบัติ นี่หมายถึงรัศมีการโค้งงอที่ยอดเยี่ยม: แผงวงจรหนา 0.5 มม. สามารถบรรลุรัศมีการโค้งงอประมาณ 6.0 มม. ในขณะที่บอร์ดหนา 0.25 มม. สามารถโค้งงอได้จนถึงรัศมีประมาณ 3.0 มม.. ความยืดหยุ่นนี้เปิดโอกาสใหม่ๆ ให้กับการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

การใช้งานในวงกว้างและศักยภาพในอนาคต

ความหมายของเทคโนโลยีนี้ขยายไปไกลกว่าระบบไฟ LED สิทธิบัตรของ GrafTech สำหรับเทคโนโลยีนี้—ได้รับสิทธิบัตรสหรัฐอเมริกา เลขที่ 9,546,763 เมื่อวันที่ 17 มกราคม 2560—วางตำแหน่งบริษัทให้อยู่ในระดับแนวหน้าด้านการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่น. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นและโค้งงอได้มีศักยภาพที่จะกลายเป็นทางเลือกที่เป็นไปได้แทนแผงวงจรพิมพ์แบบแข็งแบบดั้งเดิม โดยมีการใช้งานครอบคลุมสมาร์ทโฟนแบบพับได้ อุปกรณ์สวมใส่ ระบบยานยนต์ และอื่นๆ.

เทคโนโลยีนี้กำลังถูกนำไปใช้กับอุปกรณ์แสดงผลซึ่งมีไฟ LED-ส่วนประกอบที่เปล่งแสงจะถูกติดตั้งบนแผงวงจรที่มีความยืดหยุ่นซึ่งมีพื้นผิวกราไฟท์เพื่อจัดการความร้อนที่เกิดจากจอแสดงผลที่สว่างมากขึ้น.

มองไปข้างหน้า

เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยังคงพัฒนาไปสู่ฟอร์มแฟคเตอร์ที่เล็กลงและประสิทธิภาพที่สูงขึ้น การจัดการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพจะยิ่งมีความสำคัญมากขึ้นเท่านั้น 3D ของ GrafTech-แผงวงจรกราไฟท์แบบยืดหยุ่นที่พิมพ์ออกมาถือเป็นก้าวสำคัญที่ก้าวไปข้างหน้า—ผสมผสานข้อดีด้านความร้อนของกราไฟท์เข้ากับความอิสระในการออกแบบของพื้นผิวที่ยืดหยุ่น และประสิทธิภาพการผลิตของการพิมพ์ 3 มิติ

สำหรับนักออกแบบชั้นสูง-ระบบไฟ LED จอแสดงผล และถัดไป-อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความยืดหยุ่นในการสร้างเทคโนโลยีนี้นำเสนอโซลูชั่นที่น่าสนใจสำหรับหนึ่งในความท้าทายที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องที่สุดของอุตสาหกรรม: การรักษาส่วนประกอบที่ทรงพลังให้เย็นโดยไม่กระทบต่อความยืดหยุ่นและความกะทัดรัดที่อุปกรณ์สมัยใหม่ต้องการ