Esnek ve Katlanabilir Elektronikte Termal Yönetim Meydanları

Esnek ve Katlanabilir Elektronikte Termal Yönetim: Zorluklara ve Çözümlerine Derin Dive

Esnek ve katlanabilir elektronikler laboratuvar curiosities'den ticari gerçekliklere taşındı, Samsung Galaxy Z Fold serisi, Huawei Mate X ve piyasadaki çeşitli giyilebilir sağlık monitörlerinden farklı olarak, bu cihazlar nadiren metal ısı tasarım özgürlüğü sağlar, ekranları bükmeye izin verir ve aktif fanlar, esnek elektronikler, kalıcı sonuçları kaybetmeden radikal bir şekilde soğutmaya zorlanan sert çözümler sunar.

Esnek Elektronikte Termal Zorlukları Anlamak

Temel problem şu ki esnek substratlar - bakırın (PI) gibi tipik polimerler - 400 W /m·K veya silikonun -150 W /m·K. Bu, işlemciler tarafından üretilen ısıtabilir (TPU) - 0.1-0.3 W /m·K aralığındaki ısı iletken polimerleri, bakırın -400 W /m·K veya silikonun ~150 W /m·K. Bu, işlemciler tarafından üretilen ısıyı daha sonra yayılabilir veya dikey olarak, sert bir PCB veya metal şasi olarak yayılabilir.

Daha fazla hesaplama konusu, esnek cihazlar tekrarlanan mekanik gerginlikler ilerlenir. Katlanabilir bir şekilde ısıtılırlar, ısı geçişi veya ısı boşlukları azaltır, ısı yollarını değiştirir, özellikle de sabitlenebilir telefonlarda alandır: esnek ekranlarda elektrik ve ısı sürekliliği korumak ve cihazın iki katı ısı geçişine izin vermek gerekir.

Güvenilirlik kaygıları, aşırı ısıtmanın ötesine uzanır. Accumated termal bisiklet - cihazın kullanımı ve serinler sırasında ısındığı yerde - elastik kablolarda yorgunluka neden olur, metalik izleri ve polimer baskılı devreler arasında, elektrik direncini artırmak ve binlerce kat daha fazla ısıyı hızlandırmak için mekanik bükme ile birleştirir. Örneğin, döngüsel sıcaklık değişiklikleri metalik izler ve polimer substratlar arasında dikocalar arasında dikocalar ile daha fazla ısıyı arttırır.

Başka bir ince konu, esnek elektronikteki termal yönetim, kullanıcının elinin tutarsız olması ve cihazın bu kontrol edilemeyen değişkene nasıl güvendiği, böylece 40-45°C aralığındaki yüzey sıcaklıklarını korumak için yapılan cilt iletişim işlemlerinin yapılması gerekir.

Zorlukların boyutunu takdir etmek için, tipik bir katı akıllı telefonda, ana işlemci 5-10 W anılı ve telefonun vücutlarını - cam, metal ve büyük batarya ile - karşılaştırılabilir bir katı model olarak, aynı işlemcinin tüm bir bataryada sınırlı olması gerekir.

Exacerbate Termal Yönetim Sorunlarının Anahtar Faktörleri

Esnek Altstrateslerin Malzeme Sınırları

Not olarak, esnek elektronikte kullanılan polimer substratları doğal olarak düşük termal iletkenliğe sahiptir. Ancak tüm materyal yığını, esnek baskı devreleri için kapaklı kaplamalar için şeffaflık katmanlarına katkıda bulunur, örneğin bakır (9-18 μm) ısı geçişi için incelenir.Incapsulation katmanları da, bu da, kristalleri nem ve oksijenden korumak için ısı iletkenliği sağlar.

Cihaz Miniaturizasyon ve Yüksek Güç Yoğunluğu

Katlanabilir ve esnek cihazlar gelişmiş bileşenler paketler - yüksek çözünürlüklü olarak kullanılabilir OLEDs, birden fazla kamera, 5G modemler ve büyük bataryalar - genellikle 7 mm'den fazla sabitlenir. Güç yoğunluğu (ortak ısınır) bu cihazlardaki rakipler, bir kapsülün üzerindeki ısıtılabilir 100 °C'ye kadar uzanır.

Mekanik Deformasyon ve Dinamik Heat Paths

Belki esnek / değişken elektronikte en eşsiz termal meydan okuma, her zaman cihaz katlanarak veya ortaya çıkabilir.Açıkçası, cihazın esnek bir termal kaset veya bir kayma ısıtılması ile iki ayrı ısı yayılımı olabilir.Bu iki yarıda ısınmış, ve ısınıcının yarının altındaki ısı geçişinin kesintiye uğraması, iki katın daha fazla ısınabilmesi için sürekli olarak güvenli bir şekilde değiştirilmesi gerekir.

Çevre ve Kullanım-Case Variability

Esnek elektronikler, geniş bir ortamda çalışmalıdır - sıcak yaz günlerinden (45°C) soğuk kış koşullarına (-20°C) ısıtılması için ısı tasarımının, bu aşırılıkta ısıtılması gerekir, ancak cihazın geri kalanı soğuk koşullarla birlikte ısınabilir.

Esnek ve Katlanabilir Cihazlarda Etkili Termal Yönetim için Stratejiler

Araştırmacılar ve mühendisler, gelişmiş malzemelerden oluşan geniş bir çözüm yelpazesini, ısı yollarını yeniden yapılandıran dinamik mimari tasarımlara yönlendirdiler.En umut verici yaklaşımlar dört kategoriye gruplanabilir: malzemeler inovasyon, tasarım optimizasyonu, aktif soğutma ve sistem seviyesindeki termal yönetim.

Gelişmiş Termal Olarak Davranışlı Malzeme

İlk savunma hattı, lider adaylar olarak ortaya çıkan iki boyutlu malzemeler, planlı yöndeki sıcaklık ve yüksek ısı taşımalarında kullanılan alternatiflerle düşük ücretli malzemeler yerine getirmektir.XG Sciences ve Graphenea gibi iki boyutlu malzemeler (hBN-BN) şimdi tedarik eden grafiklere dayalı ısıtılabilir.

Başka bir malzeme sınıfı, bir polimer matrixinde gömülü gümüş nanoteller kullanır. Bu kompozitler, 30-100 W /m·K'nın kalan esnek ve şeffaflığı olmadan ısıtılabilir termal iletkenler elde edebilir - bu sıvı metaller de sızıntıyı önlemek için kritik bir gerekliliktir.

Yüzeyin kendisi için, yüksek ücretli bir polimeri birleştiren kompozitler (örneğin karbon fiber, grafiklü flakes veya seramik parçacıkları gibi), yüksek çözünürlükte bir orta zemin sunar. Örneğin, poliimide substratı, 30 inçlik boron nitride nano tablonun ısıtılması ile yüklenebilir.

Tasarım optimizasyonu: Termal Vias, Heat spreaders ve Anisotropic Films

Malzemelerin ötesinde, akıllı geometrik tasarım ısı dağılımını önemli ölçüde artırabilir. Bir yaklaşım, katı PCB'lerde bulunanlar için esnek zeminler kullanılarak ısıyı bir taraftan ısıyı bir parçaya transfer etmek için esnek bir substratın kalınlığına karşı çıkan esnek yüzeylerdir.Bu tür bir sabit veya satılan silindir deliklerin yanı sıra, bu hassas betonlardaki yüzeylerdeki çatlakları bükmek için tekrarlayabilirler.

Mikro kanal ısı yayıcıları, sağlam bir metal ısı lavabosu yerine, gömülü mikro kanallarla (altın -50 μm) ısıtılabilir bir sıvı ile su veya dielektrik serin bir şekilde kullanılabilir. Cihazın kullanıldığı zaman, kapillary güçleri veya küçük bir pastazoelektrik pompası, Illinois'nin altındaki ısıyı kullanarak, yüksek çözünürlükte bulunan bir yüksek ısıtılabilir olan yüksek çözünürlükte ısıtılabilir bir soğutma sistemi ile dolu.

Termal anisotropy - bir yönde tercih edilen ısı tercih edilir - ayrıca yüksek hacimli betonlu plakaları (PGS) ile donatılmış, işlemciden 1500 W /m·K'ya kadar uzanan, ancak yüksek ısı yönlendirmeli yüksek frekanslı betonlu plakalara yerleştirmek için, yüksek ısı geçişi ile uyumlu hale getirilebilir (örneğin, menajer bölgeye kadar)

Esnek Sistemler için Aktif Soğutma Teknikleri

Pasif çözümler basitliği ve güvenilirliği için tercih edilirken, bazı esnek cihazlar -özellikle bu konut güçlü işlemciler veya kablosuz şarj kilitleri - aktif soğutma gerektirir. Geleneksel fanlar çok kabarıktır, ancak poliimide substratlar 5-10°C'nin yerelleştirilmesi için minileştirilebilir.

Başka bir ortaya çıkan aktif teknik, esnek bir çantaya dönüştürülür ve yüksek bir güç patlaması sırasında, PCM füzyonun geç ısısını absorbe eder (tipik olarak 150-250 J /g), sıcaklığın sınırlı bir süre için yüksek çözünürlükte yükseldiğini ve ayarlandığından.

Sistem-Level Termal Yönetimi ve Adaptif Mimarlıklar

Son olarak, esnek elektronikteki termal yönetim sistem seviyesinde düşünülmelidir - kullanıcı davranışına göre çipten (örneğin, eğimli bir ısı ve güç parametrelerine dayanan dinamik güç yönetimi yazılımı içerir. Örneğin, bir katlanabilir telefon, kullanıcının ortaya çıkışına göre %20 oranındaki okuma frekansı azaltır. Gelişmiş makine öğrenme algoritmaları, ısı direncine, kullanım alanına dayalı bir geçişe neden olabilir.

Yalancının kendisi bir termal köprü olarak mühendisi olabilir. Bazı katlanabilir telefonlar şimdi çok bağlantılı bir telefon kullanıyor, hava akışına izin vermek için küçük bir boşluk içeren termal pedler veya kayan folyo şeritleri dahil ediyor - boşlukların her iki açık ve kapalı pozisyona da eşit şekilde yardımcı oluyorsa, tüm cihazdaki sıcaklıkların daha yüksek bir yüzey alanını kullanarak ısınıyor (örneğin, hava pompası için hafif bir boşluk için) ısınıyor.

Başka bir sistem seviyesi yaklaşımı metal yapısal bileşenleri kullanmaktır - orta büyüklükteki veya kaybolmuş gibi - termal konduits, esnekliğin segmente edilmesi ve uzatılması gereken ince bakır braids, metal yapısını düşük ısı yollarına sahipken bükmek için izin verebilirler.Bu braids veya "termal flexi-joints" aslında iyi tellerin parçalarına bağlı olarak, eğimli veya bölgeye doğru ısıtılabilir.

Future Outlook: Gerçekten Katı Yönetimin Sağlanması

Esnek elektronik termal yönetimdeki inovasyon hızı hızlanıyor, hem akademik araştırma hem de endüstri rekabeti tarafından yönlendiriliyor. Önümüzdeki birkaç yıl içinde katlanabilir ve esnek cihazlar katı meslektaşlarının termal performansına daha yakın hale getirecek birkaç gelişme bekleyebiliriz.

Sonraki -Generation Materials and Manufacturing

Bir umut verici yön, yüksek derecede odaklı pirolytic grafiğinin entegrasyonudur (HOPG) filmlerin, bir çatlak formlarında mikrokapılı ısıtılmış veya ısıtılmış olan ısıtılmış malzemelerin ortaya çıkmasının daha da yüksek olabileceğini görebiliriz.

Termal Tasarım Otomasyonu

Esnek cihazlar daha karmaşık hale gelirken, mekanik bükme ve dinamik sınır koşulları için hesaplanan termal simülasyon araçları standart hale gelecektir.Asys Buzpak ve COMSOL Multifizikler zaten mühendislere çift termal, mekanik ve elektrik simülasyonları tahmin etmek için çeşitli katlama senaryoları azaltacaktır. Gelecekte, bu araçlar termal yedek çözümlerin yerleştirilmesini optimize eden tasarım algoritmaları ile entegre edilebilir.

Enerji Hasat ve Telsiz Şarj ile entegrasyon

Mekanik bir sınır, sıcak bir işlemci ile ısı yönetimin yakınlığıdır. Esnek bir cihazdan gelen atık ısısı kısmen ince film termoelektrik jeneratörleri (TEGs) tarafından kurtarılabilir, ısı gradients'i elektrik içine dönüştürür. Sıcak bir işlemci ve nispeten soğuk ekran arasında yerleştirilen esnek bir TEG, bir sensör veya daha fazla batarya hayatını birkaç senti çalıştırabilecek kadar güç üretebilir.

Endüstri Standartları ve Güvenilirlik Test

Katlanabilir cihazlara güvenmek dayanıklılık üzerine bağlıdır. Sıcaklık yönetimi çözümleri geliştikçe, endüstriyel ölçekte esnek yarı iletken paketler altında termal performans test etmek için standartlarda çalışır (örneğin, IEC 60068-2-42 for termal bisiklet) mekanik yükleme dahil etmek için uygun olmalıdır. JEDEC sağlam devlet teknolojisi birliği şu anda esnek yarı iletken paketlerin termal karakterizasyonu için standart olarak çalışır.

Sonuç: Anahtar Enabler

Esnek ve katlanabilir elektronikler sadece geçiş eğilimi değildir; bunlar, tasarım ve elektronik cihazlarla nasıl etkileşime gireceğimiz konusunda temel bir değişim oluştururlar.[değiştir | kaynağı değiştir] Bu makalede belirtilen esnek elektronik sistemler ve mikro dönüşümler ile ilgili ayrıntılı bilgiler, yüksek çözünürlükte kullanılan ısı kontrol sistemleri ile ilgili olarak, yüksek çözünürlükte kullanılan yüksek çözünürlükte bulunan ve kontrol edilen ısı kontrol sistemleri ile ilgili olarak, yüksek çözünürlükte bulunan ve yüksek çözünürlükte bulunan ısıtılabilir.