Tại sao than chì linh hoạt ngày càng được sử dụng trong điện tử tiêu dùng cao cấp?

Giới thiệu

Trong các sản phẩm điện tử tiêu dùng hiện nay, chức năng chính của bộ tản nhiệt như sau:

1. Làm mát các bộ phận làm nóng, chẳng hạn như bộ xử lý, để giảm nhiệt độ của nó

2. Giảm điểm nóng trên bề mặt thiết bị đối với các bộ phận nhạy cảm với nhiệt độ, chẳng hạn như vỏ điện thoại di động

3. Bảo vệ các bộ phận nhạy cảm với nhiệt khỏi các nguồn nhiệt, chẳng hạn như màn hình điện thoại OLED khỏi nhiệt do bộ xử lý tạo ra

4. Giảm độ dốc nhiệt độ bề mặt của các thiết bị nhạy cảm với nhiệt độ bề mặt không đồng đều, chẳng hạn như màn hình TV OLED

Cho đến đầu thế kỷ 21, nhôm và các hợp kim nhôm khác nhau là vật liệu tản nhiệt cho hầu hết các thiết bị điện tử tiêu dùng.TV plasma, máy tính xách tay, điện thoại di động và máy tính bảng đời đầu đều sử dụng vật liệu kim loại tương đối rẻ tiền và dồi dào để đáp ứng yêu cầu làm mát.Đầu tiên, nhược điểm rõ ràng của việc sử dụng nhôm làm vật liệu quản lý nhiệt là trọng lượng và độ dày của kim loại.Vào đầu thế kỷ 21, những chiếc TV plasma nặng từ 30 đến 70 kg treo trên tường thường xuyên bị rơi ra.Để ngăn chặn sự cố này, những người lắp đặt chuyên nghiệp thường cung cấp 'các dịch vụ ngẫu nhiên' cho việc mua màn hình.Vào đầu thế kỷ 21, độ dày của điện thoại di động thường khoảng 20 mm.Nếu cần làm mát, thiết bị sưởi thường được đặt trên đế kim loại, sau đó nhiệt được truyền đến toàn bộ điện thoại di động bằng cấu trúc kim loại có tính dẫn nhiệt tốt.Khi bộ xử lý và các thiết bị khác được thiết kế với công suất cao hơn, cần phải có đế dày hơn và nặng hơn để bù cho tải nhiệt tăng lên.Khi chiếc điện thoại thông minh đầu tiên ra mắt, mỏng đã trở thành đặc điểm thiết kế chính được các điện thoại di động cao cấp theo đuổi.Xu hướng này nhanh chóng mở rộng sang máy tính xách tay, càng mỏng càng tốt đã trở thành yêu cầu thiết kế máy tính xách tay cao cấp.Để đạt được các đặc tính sản phẩm mong muốn, ngành nhanh chóng nhận ra rằng cần phải phát triển các giải pháp cho vấn đề trọng lượng và độ dày nhôm.

Trong kỷ nguyên của tấm than chì dẻo

Tấm than chì tự nhiên dẻo bắt đầu thay thế nhôm làm vật liệu quản lý nhiệt của màn hình TV plasma từ năm 2002. Than chì tự nhiên đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực màn hình hiển thị vì tính dẫn nhiệt của nó gấp ba lần so với nhôm và trọng lượng của nó chỉ bằng một một phần ba lượng nhôm.Dựa vào ứng dụng thành công này, ứng dụng của than chì sẽ mở rộng sang các loại thiết bị và thị trường khác.Than chì dẻo lần đầu tiên được sử dụng trong điện thoại di động vào đầu thế kỷ 21.Đến năm 2015, than chì đã trở thành vật liệu quản lý nhiệt tiêu chuẩn cho tất cả điện thoại thông minh cao cấp.Các mẫu điện thoại thông minh đầu tiên sử dụng than chì tự nhiên với độ dày 100 micron, nhưng ngay sau đó ngành công nghiệp bắt đầu sử dụng than chì tổng hợp trong khoảng từ 17 đến 50 micron.Than chì mỏng hơn, chẳng hạn như 10 micron, cũng có thể được tạo ra, nhưng hóa ra nó không thể loại bỏ đủ nhiệt một cách hiệu quả.Trong 15 năm qua, than chì đã thay thế nhôm trong phần lớn các thiết bị điện tử tiêu dùng cao cấp theo đuổi thiết kế nhẹ.

Đặc điểm của vật liệu than chì

Có hai dạng than chì tự nhiên và than chì tổng hợp.Than chì tự nhiên được làm từ than chì dạng vảy và các mỏ than chì dạng vảy có ở khắp nơi trên thế giới.Nói chung, độ dày của than chì tự nhiên dao động từ 40 micron đến 1000 micron và độ dẫn nhiệt của nó dao động từ 300 đến 600 W / m · K. Vì than chì tự nhiên thường dày hơn than chì tổng hợp nên nó có thể truyền nhiều nhiệt hơn ngay cả ở độ dẫn nhiệt thấp hơn .

Tấm than chì tổng hợp được tạo ra bằng cách đồ họa hóa chất nền chứa các nguyên tử carbon ở nhiệt độ trên 2500oC.Than chì tổng hợp thường rất mỏng, có độ dày từ 10 micron đến 100 micron, nhưng độ dẫn nhiệt của nó cao hơn, dao động từ 700 đến 1950 w/m · K. Tuy nhiên, ngay cả khi nó có độ dẫn nhiệt cao hơn, nhiệt nó vẫn có thể lấy đi bị hạn chế do độ dày của vật liệu.Những nỗ lực trước đây đã được thực hiện để sản xuất than chì tổng hợp có độ dày hơn 100 micron, nhưng những nỗ lực này rất khó đạt được.

Cả than chì tự nhiên và than chì tổng hợp đều được xếp chồng lên nhau bởi hàng nghìn tấm graphene.Những tấm graphene này có đặc tính dẫn nhiệt, dẫn điện và truyền âm tuyệt vời ở lớp bên trong, nhưng hiệu suất bị suy yếu ở lớp giữa.Điều này dẫn đến tỷ lệ dị hướng gấp 100 đến 450 lần về độ dẫn nhiệt bên trong và giữa các lớp [1].Các nhà sản xuất sử dụng tính chất dị hướng đặc biệt của than chì trong quá trình truyền nhiệt để giảm nhiệt độ tiếp xúc bề mặt và bảo vệ các thiết bị nhạy cảm với nhiệt khỏi tác động của các thiết bị gia nhiệt.Các vật liệu kim loại, chẳng hạn như nhôm hoặc đồng, có cùng độ dẫn nhiệt theo mọi hướng.Điều này làm cho chúng ít phù hợp hơn cho các ứng dụng này vì nhiệt tác dụng lên một mặt của bề mặt kim loại sẽ nhanh chóng được truyền sang mặt đối diện của vật liệu.

Xu hướng hiện nay của than chì

Đối với một số ứng dụng, chẳng hạn như máy tính bảng, máy tính xách tay, kính VR/AR, màn hình TV OLED, hộp giải mã tín hiệu và một số điện thoại di động, than chì tự nhiên có độ dày 40-1000 micron vẫn có chỗ đứng.Khi điện thoại di động, máy tính bảng và máy tính xách tay đang chuyển sang hướng mỏng hơn, nhiều sản phẩm trong số này đang chuyển sang sử dụng than chì tổng hợp.Ngành công nghiệp đã nhanh chóng tiêu chuẩn hóa độ dày của than chì tổng hợp cần thiết cho các ứng dụng này, chẳng hạn như 17 micron, 25 micron, 32 micron, 40 micron và 50 micron.Bởi vì hiệu suất của thiết bị ngày càng trở nên mạnh mẽ hơn, than chì tổng hợp một lớp thường không thể truyền đủ nhiệt để đáp ứng thiết kế nhiệt và không có đủ dày để sử dụng than chì tự nhiên.Để giải quyết vấn đề này, phương pháp thông thường là sử dụng màng dày 5 μm để ghép hai hoặc nhiều lớp than chì.Điều này đảm bảo bộ tản nhiệt duy trì độ dẫn nhiệt cao mặc dù nó mỏng hơn than chì tự nhiên.Khi tất cả các thiết bị sử dụng sơ đồ tổng hợp nhiều lớp này để quản lý nhiệt, nhược điểm của nó sẽ lộ rõ.Đầu tiên là chi phí nguyên vật liệu.Do tính chất của nó, than chì tổng hợp là một vật liệu tổng hợp tương đối đắt tiền và có tính tùy biến cao.Để ghép bốn, năm thậm chí sáu lớp vật liệu này, cần phải sử dụng màng dính nhiều lớp cùng lúc, điều này khiến phương pháp này không khả thi về mặt chi phí.Thứ hai, quá trình tổng hợp phức tạp dẫn đến năng suất thấp.Vấn đề quan trọng nhất là tăng số lượng mối nối trong mỗi cuộn.Tất cả các cuộn ít nhiều đều được ghép ở các mức độ khác nhau, ngay cả khi chỉ là từ đầu cuộn này sang cuộn khác.Làm một cuộn vật liệu than chì và màng dính nhiều lớp sẽ có nhiều đường nối hơn so với vật liệu một lớp.Một đường nối trên bất kỳ chất nền nào sẽ tạo ra một mối nối mới trong toàn bộ vật liệu nhiều lớp.Khi các bộ phận cần được cắt khuôn, các đường nối này phải được loại bỏ hoặc loại bỏ.Ngay cả khi những đường nối này không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, chúng vẫn có tác động đáng kể đến giá thành và sản xuất.Các nếp nhăn giữa các lớp và bọt khí cũng phổ biến, có thể làm giảm năng suất.Vấn đề cuối cùng là hỗn hợp nhiều lớp được liên kết và xếp chồng lên nhau bằng nhựa và chất kết dính có tính dẫn nhiệt kém.Ngoài việc làm cho sản phẩm cuối cùng dày hơn, mỗi lớp vật liệu này còn tăng khả năng chịu nhiệt và ngăn chặn sự truyền nhiệt trơn tru giữa các lớp than chì.

Giải pháp than chì dày một lớp hiệu suất cao

Dự án này nhằm giải quyết vấn đề than chì tổng hợp nhiều lớp.Trên cơ sở mỏng hơn than chì tự nhiên, nó cũng có tính dẫn nhiệt của than chì tổng hợp.Sơ đồ này không chỉ có hiệu suất như mong đợi của than chì tổng hợp nhiều lớp mà còn có lợi thế về chi phí của sơ đồ một lớp.Sản phẩm than chì dày một lớp, hiệu suất cao hoàn toàn mới này đã được đưa vào thị trường.Hiện tại, độ dày từ 70μm đến 300μm và độ dẫn nhiệt từ 750 W/m · K đến 1200 W/m · K. Sản phẩm tiêu dùng đầu tiên sử dụng sản phẩm là điện thoại thông minh, máy tính xách tay và kính VR / AR.

Phần kết luận

Bộ tản nhiệt than chì đã trở thành vật liệu quản lý nhiệt tiêu chuẩn cho các thiết bị điện tử tiêu dùng cao cấp với các chi tiết thiết kế mỏng và nhẹ.Than chì tổng hợp một lớp từng là giải pháp tiêu chuẩn cho hầu hết các thiết bị cao cấp, nhưng một số thiết bị hiện nay yêu cầu giải pháp vật liệu nhiều lớp.Việc sản xuất vật liệu than chì nhiều lớp rất tốn kém và phức tạp.Để giải quyết vấn đề này, một loại sản phẩm than chì dày một lớp, hiệu suất cao mới đã được phát triển.Vật liệu này có thể tránh được các vấn đề về chi phí và năng suất của than chì tổng hợp nhiều lớp.