グラフェン ヒートシンク: 自動車からタブレット コンピューターに適用される熱管理

ほとんどの PCB では、高信号周波数が一般的であるため、PCB 内部で発生する熱が大きくなり、プレーンの熱管理がますます重要になるという問題が生じます。エンジニアは、さまざまなタイプのヒートシンク、放熱基板、さまざまな形状のヒートシンク (アルミニウム、銅など) を使用して熱管理の問題を解決しようと努めてきました。同時に、電子業界は依然として、より少ないスペースで、より効果的で、より経済的なソリューションを模索しています。 MS社は、カーボンナノテクノロジーと非常に高い熱伝導率を持つグラフェンを組み合わせ、ナノメートル厚の平面熱管理技術で画期的な進歩を遂げました。このテクノロジーは、無人運転車、タブレット コンピューター、その他の個人用デバイスに暖房管理ソリューションを提供できます。

グラフェンは炭素の同素体（炭素）の一種です。炭素原子が形成するハニカム格子とSP2ハイブリッドオービタルをもつ二次元カーボンナノ素材です。これは、グラファイト、ダイヤモンド、木炭、カーボン ナノチューブ、フラーレンなど、他の多くの形態の炭素の基本的な構造要素です。グラフェンは紙よりも 100 万分の 1 薄いです。非常に薄いため、二次元構造と考えることができます。グラフェンの平らなハニカムパターンは、世界で最も強力な素材であることを含め、多くの珍しい特徴を与えています。その強度は連続した六角形の構造と炭素原子間の強い結合によって生まれます。この強力な結合は優れた靭性を備えており、破損することなくある程度までねじったり、伸ばしたり、曲げたりすることができます。これは、グラフェンが曲げ可能であり、伸長可能であることを意味します。

グラフェンの革新的な材料特性には次のようなものがあります。

*史上最強の素材。

* 科学的に知られている最も薄い素材。

* 高い靭性と優れた光透過率。

* 地球上で最も不浸透性の素材。

* 記録破りの熱伝導率と電気伝導率。

* そして信じられないほどのエネルギー効率。

オートパイロットの出現により、より多くのコンピューティング能力、コンソール、車両インターネット、無線ネットワーク、センサー アレイが使用されるようになります。これにより、CPU 電力の消費量が増加します。さまざまな新しいアプリケーションが重なると、発熱が大幅に増加します。新しいグラフェンフィルムの自動車への応用が拡大する。

したがって、放熱に対する要求もそれに応じて増加しています。コンソールやその他の関連コンピュータ/電子システムのサイズは、従来のアルミニウムフィンを使用することで大型化する一方、新しいグラフェンフィルムフィンを使用した平面熱管理スキームは、厚さが薄いだけでなく、熱放散においてもより効果的です。

図1: 新しいグラフェンフィルム放熱器の放熱構造

グラフェンは、平面熱管理および電子パッケージング用途に非常に適しています。インクやコーティングをスプレーする溶液に分散させたり、ポリマーと混合したりすることで、その熱特性を大幅に向上させることができます。これを念頭に置いて、グラフェン複合フィルムは、グラフェンの独特の熱伝導率とカーボンナノ粒子、およびダイヤモンド粉末粒子を使用して製造されており、熱性能を大幅に向上させることができます。さらに、ダイヤモンド粉末粒子はグラフェンの導電性を低下させることができるため、PCB や電子部品に電磁干渉 (EMI) の問題を引き起こすことはありません。

特許取得済みのグラフェン複合フィルム工学手法は、グラフェンとダイヤモンド粉末粒子をメッシュ構造に統合することで、途切れることのない熱伝導を可能にします。さらに、構造グリッドの細孔にカーボンナノ粒子（熱放射発散度0.98）を充填し、熱放射効率を高めています。 X 面および Y 面での非常に高い熱伝導率を備えたグラフェン フィルム ヒートシンクと、Z 面でのカーボン ナノ粒子の赤外線熱放射の効果的な変換を組み合わせることで、3D 形式で熱を伝達できます。グラフェンフィルムの熱伝導率はX面とY面で制限されていますが、新しいグラフェン複合フィルムはZ面で優れた熱拡散率を示します。したがって、グラフェン複合フィルムの面熱管理性能は、X 面と Y 面だけでなく Z 面でも加熱できるため、グラファイト ヒートシンクの面熱管理性能よりもはるかに優れています。

これらのナノマテリアルは分極率が高いため、フィルムの表面にナノマテリアルを均一に分散させることができ、熱放射による冷却効果を最大限に高めることができます。グラフェン膜のナノ構造により電気絶縁特性が強化されており、2KVの高電圧にも耐えることができます。放熱層は赤外線による放熱能力が高いため、狭い空間でも放熱効果が高まります。製品の要件に応じて、フィルムの下に金属層を追加して、ナノ構造層の熱放射を加速し、より大きな熱放射を促進することができます。

グラフェンフィルムヒートシンクの厚さは25μm～210μmで、従来のヒートシンクに比べて非常に薄いです。グラフェン フィルム ヒート シンクには、数ミクロンから数十ミクロンのグラフェン層に加えて、数十ミクロンのアルミニウムまたは銅の層、または 1 層のみのグラフェンを含めることができます。この軽くて薄いフィルムは、スマートフォン、iPad、タブレットなどのポータブルデバイスや、IC、LED、DDR メモリなどの小型コンポーネントに適しています。

グラフェン フィルムは通常、熱源の表面、または PCB の上部または底部に貼り付けられます。グラフェンフィルムは、さまざまな携帯電話のシェルの前面または背面、または熱源の上部または下部に追加することもできます。フィルムはアンテナの性能を妨げないため、必要に応じてアンテナ領域にフィルムを追加することもできます。もちろん、実際の配置はデバイスのレイアウトと熱源の位置によって異なります。

図 2: グラフェン フィルムを PCB の上部と下部に適用可能

図 3: 既存のアルミニウム ヒートシンクにグラフェン フィルムを追加することで熱放散を向上させることができます。または、アルミニウム ヒートシンクの代わりにグラフェン フィルムを直接使用することもできます。