เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยังคงมีขนาดลดลงในขณะที่กำลังการประมวลผลเพิ่มขึ้น การจัดการระบายความร้อนจึงกลายเป็นความท้าทายที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งในการออกแบบเซมิคอนดักเตอร์ ไมโครโปรเซสเซอร์ วงจรรวม และส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนอื่นๆ มักจะทำงานอย่างมีประสิทธิภาพภายในช่วงอุณหภูมิเกณฑ์ที่กำหนดเท่านั้น. เมื่อส่วนประกอบเหล่านี้สร้างความร้อนมากเกินไประหว่างการทำงาน ไม่เพียงแต่ทำให้ประสิทธิภาพการทำงานของตัวเองลดลง แต่ยังลดความน่าเชื่อถือของระบบโดยรวมอีกด้วย — และในกรณีร้ายแรงอาจทำให้ระบบล้มเหลวโดยสิ้นเชิงได้.

สำหรับนักออกแบบ การควบคุมอุณหภูมิการทำงานเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง แม้แต่การลดอุณหภูมิการทำงานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ซิลิคอนทั่วไปลงเล็กน้อยก็ยังให้การปรับปรุงที่สำคัญทั้งในด้านความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์. ดังที่ผู้สังเกตการณ์ในอุตสาหกรรมรายหนึ่งตั้งข้อสังเกตว่า "การจัดการระบายความร้อนที่มีประสิทธิผลเป็นสิ่งสำคัญสำหรับระดับสูง-อุปกรณ์จ่ายไฟ เนื่องจากความร้อนที่มากเกินไปอาจทำให้ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ลดลงได้".

โซลูชันกราไฟท์

ใส่กราไฟท์ — วัสดุที่กำลังกลายเป็นรากฐานที่สำคัญของอนาคตอย่างรวดเร็ว-โซลูชันการจัดการระบายความร้อนรุ่น ปัจจุบันตลาดวัสดุฟิล์มความร้อนถูกครอบงำโดยสามประเภท: ฟิล์มความร้อนกราไฟท์ธรรมชาติ ฟิล์มความร้อนกราไฟท์เทียม และนาโน-ฟิล์มความร้อนคาร์บอน. บริษัทชั้นนำในแต่ละประเภทได้แก่ GrafTech ตามลำดับ (สหรัฐอเมริกา),พานาโซนิค (ญี่ปุ่น)และเอสเคซี (เกาหลีใต้).

GrafTech ได้รับการยกย่องว่าเป็นผู้นำระดับโลกในด้านผลิตภัณฑ์กราไฟท์เชิงวิศวกรรมและฟิล์มการนำความร้อนสูง ถือครองพอร์ตโฟลิโอสิทธิบัตรจำนวนมากในการประมวลผลฟิล์มกราไฟท์ และให้บริการแก่ OEM รายใหญ่ในด้านโซลูชันระบายความร้อนของสมาร์ทโฟน ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง และชุดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า. บริษัทบุกเบิกการใช้แผ่นอนุภาคกราไฟท์ขยายแบบบีบอัดเพื่อจัดการกับความท้าทายด้านความร้อนและตลาดสำหรับการใช้วัสดุนี้ในการจัดการความร้อนของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์.

การพิมพ์ 3 มิติพบกับพื้นผิวกราไฟท์

ปัจจุบัน GrafTech ได้คิดค้นแผงวงจรแบบยืดหยุ่นโดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติซึ่งมีซับสเตรตกราไฟท์แบบยืดหยุ่น-. ด้วยการพิมพ์ชั้นอิเล็กทริก ชั้นสื่อกระแสไฟฟ้า และส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มเติมลงบนเมทริกซ์กราไฟท์ที่มีความยืดหยุ่น บริษัทได้สร้างโซลูชันที่กระจายความร้อนออกจากส่วนประกอบได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยไม่ทำลายชิ้นส่วนที่อยู่ติดกัน แผงวงจรแบบยืดหยุ่นประกอบด้วยชั้นอิเล็กทริกที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของซับสเตรตกราไฟท์ที่ยืดหยุ่น และชั้นที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของอิเล็กทริก. สูงเข้า.-การนำความร้อนระนาบของซับสเตรตกราไฟท์ช่วยเพิ่มความสามารถในการถ่ายเทความร้อน ถ่ายเทความร้อนออกจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อการระบายความร้อนที่ดีขึ้น.

นวัตกรรมนี้มีผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่อการย่อขนาดและการทำให้บางลงของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น สมาร์ทโฟน แล็ปท็อป และจอแบน-โทรทัศน์แผง. แผงวงจรแบบยืดหยุ่นสามารถรองรับแสงได้-ไดโอดเปล่งแสง (ไฟ LED) — แอปพลิเคชันที่สำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากผู้ผลิตเพิ่มความสว่างของจอแสดงผลอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้มีการใช้พลังงาน LED สูงขึ้น และส่งผลให้เกิดความร้อนมากขึ้นซึ่งส่งผลเสียต่อการทำงานของ LCD

สิทธิบัตรและการประยุกต์ในอนาคต

ผลงานสิทธิบัตรของ GrafTech ในด้านนี้ได้แก่ WO2016015032A1 ("แผงวงจรแบบยืดหยุ่นพร้อมซับสเตรตกราไฟท์และการจัดเรียงวงจรโดยใช้แบบเดียวกัน") และเอกสารที่เกี่ยวข้อง. การอนุมัติสิทธิบัตรเหล่านี้ช่วยเพิ่มขีดความสามารถของ GrafTech ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนวัสดุยืดหยุ่นได้อย่างมาก ซึ่งสามารถบิด ยืด หรืองอซ้ำๆ ได้.

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความยืดหยุ่นและโค้งงอได้นั้นพร้อมที่จะทดแทนแผงวงจรพิมพ์ปัจจุบันที่มีความกว้าง-หลากหลายการใช้งานในสมาร์ทโฟนแบบพับได้ อุปกรณ์สวมใส่ต่างๆ และระบบยานยนต์.

การพัฒนาแบบขนานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดได้

บังเอิญที่เมื่อต้นปี พ.ศ. 2560 ทีมวิจัยจาก Missouri University of Science and Technology ประสบความสำเร็จในสาขาที่เกี่ยวข้อง. นักวิจัยประสบความสำเร็จในการรวมพื้นผิวที่มีความยืดหยุ่นเข้ากับวัสดุนำไฟฟ้าที่มีความแข็ง — ผสมผสานคุณสมบัติของวัสดุที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน — โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า “การพิมพ์ละอองโดยตรง”. กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการพ่นวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าลงบนพื้นผิวที่ยืดได้เพื่อพัฒนาเซ็นเซอร์ที่สามารถวางบนผิวหนังได้.

พื้นผิวที่ยืดหยุ่นสามารถบิด ยืด และงอได้ซ้ำๆ ทำให้สามารถผลิตผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่โค้งงอและยืดได้ โดยแทบไม่มีผลกระทบต่อประสิทธิภาพการทำงาน Dr. Heng Pan ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศที่ Missouri S&ทีแอนด์โค-ผู้เขียนรายงานการวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าการผลิตแบบเติมเนื้อนำเสนอวิธีแก้ปัญหาที่ประหยัดเพื่อเอาชนะความไม่ตรงกันระหว่างฐานอีลาสโตเมอร์ที่ยืดหยุ่นและตัวนำอิเล็กทรอนิกส์ที่เปราะ. “การพิมพ์โดยตรงซึ่งเป็นวิธีการผลิตแบบเติมเนื้อจะตอบสนองความต้องการดังกล่าวและมีต้นทุนต่ำและมีความเร็วสูงทั้งในการสร้างต้นแบบและการผลิต” นักวิจัยเขียน.

ถนนข้างหน้า

ตามความต้องการรูปแบบที่เล็กลง-ปัจจัยอิเล็กทรอนิกส์ยังคงเติบโต การจัดการระบายความร้อนจะเพิ่มขึ้นในความสำคัญเท่านั้น วัสดุกราไฟท์ — ด้วยความพิเศษในด้าน-การนำความร้อนของเครื่องบินและความเข้ากันได้กับเทคนิคการผลิตขั้นสูง เช่น การพิมพ์ 3 มิติ — อยู่ในตำแหน่งที่จะเป็นผู้นำการปฏิวัติครั้งต่อไปในด้านความน่าเชื่อถือทางอิเล็กทรอนิกส์

การบรรจบกันของเทคโนโลยีซับสเตรตกราไฟท์กับการผลิตแบบเติมเนื้อ แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์ในการออกแบบและผลิตวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ตั้งแต่โทรศัพท์แบบพับได้ไปจนถึงอุปกรณ์สวมใส่ทางการแพทย์ไปจนถึงระบบยานยนต์ ยุคของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่น ยืดหยุ่นได้ และปรับอุณหภูมิให้เหมาะสมนั้นไม่ใช่เรื่องไกลตัวอีกต่อไป — กำลังเป็นรูปเป็นร่างขึ้นในสายการผลิตและในห้องปฏิบัติการวิจัยทั่วโลก