Lämmönhallintaa karheille pinnoille

Kun laitteet pienentyvät ja tehostuvat, niiden ylikuumenemisen ja rikkipalamisen riskit kasvavat huomattavasti. Huolimatta jäähdytysratkaisujen edistymisestä, elektronisen sirun ja sen jäähdytysjärjestelmän välinen rajapinta on pysynyt esteenä lämmönsiirrolle materiaalien luontaisen karheuden vuoksi.

Carnegie Mellon Universityn konetekniikan professori Sheng Shen on valmistanut joustavan, tehokkaan ja erittäin luotettavan materiaalin, joka täyttää aukon tehokkaasti.

Yleensä tähän tarkoitukseen ajatellut nanolankaratkaisut on kasvatettava tapauskohtaisesti, joten niiden käyttökynnys ja kustannukset ovat korkeat", toteavat tutkijat. Heidän kehittämä kerrosmainen kalvoratkaisu ei ole riippuvainen mistään alustasta; se on käyttövalmis kalvo, joka voidaan leikata mihin tahansa kokoon tai muotoon täyttämään erilaisten sähkökomponenttien väliset raot.

Materiaali koostuu kahdesta ohuesta kuparikalvosta, joiden välissä on grafeenipinnoitettu kuparinanolanka.

Kerrostus rakentuu Shenin aiemmin kehittämästä "superjuotteesta", lämpörajapintamateriaalista (TIM), jota voidaan käyttää samalla tavalla kuin perinteisiä juotoksia, mutta jonka lämmönjohtavuus on kaksinkertainen nykyaikaisiin TIM-materiaaleihin verrattuna.

Grafeeniin avulla Shenin tiimi paransi superjuotteensa lämmönsiirtokykyä ja esti hapettumisriskiä, mikä pidentää käyttöikää. Uudenlainen kerrosrakenne voi vähentää lämpöresistanssia yli 90 % verrattuna tällä hetkellä markkinoilla oleviin lämpötahnoihin/liimoihin.

Erittäin suuren mekaanisen joustavuuden ansiosta kerrosrakenne voi mahdollistaa monenlaisia sovelluksia joustavassa elektroniikassa ja mikroelektroniikassa, mukaan lukien joustavat ledit ja laserit valaistukseen ja näyttöön, puettavat sensorit viestintään, implantoitava elektroniikka terveyden seurantaan ja kuvantamiseen sekä pehmeä robotiikka.

Uusi rakenne mahdollistaa erittäin alhaisen lämpövastuksen ∼ 0,24 mm 2·K/W, joka on noin yhden kertaluvun pienempi kuin juotteiden ja useita suuruusluokkia pienempi kuin lämpörasvojen, geelien ja epoksien. Kokeiluissa se on osoittanut erinomaista pitkän aikavälin luotettavuutta yli tuhannella jaksolla ja laajalla lämpötila-alueella -55 °C - 125 °C.

Jatkossa Shenin tiimi tutkii tapoja skaalata materiaalia teollisella tasolla ja alentaa sen kustannuksia samalla kun etsii edelleen tapoja parantaa sitä.

Aiheesta aiemmin:

Superjuote ja suprajuote

Uusia löytöjä lämmönhallintaan