כמרכיב הליבה של מכשירים אלקטרוניים, חדשנות טכנולוגית PCB הפכה למפתח להנעת התקדמות התעשייה. בשנים האחרונות, הגרפן נכנס בהדרגה לשדה הראייה של אנשים והראה פוטנציאל רב בתחום המעגלים, והביא הזדמנויות חדשות לטרנספורמציה לתעשיית האלקטרוניקה.
1, מבוא לגרפן
גרפן הוא ננו-חומר פחמן דו-ממדי המורכב מאטומי פחמן באורביטלים הכלאיים sp ², היוצרים סריג של חלת דבש משושה. יש לו הרבה מאפיינים מצוינים.
מנקודת המבט של תכונות מכניות, לגרפן יש חוזק מדהים, פי מאות מפלדה, אבל יש לו מאפיינים דקים וקלים במיוחד, עם עובי של שכבה אטומית אחת בלבד. השילוב המושלם הזה של חוזק גבוה ומאפיינים דק וקל מספק את האפשרות לייצור מכשירים אלקטרוניים חזקים ודקים יותר.
במונחים של ביצועים חשמליים, לגרפן יש ניידות אלקטרונית-גבוהה במיוחד, והאלקטרונים נעים מהר מאוד בתוכו, מה שאומר שהעברת האותות יכולה להיות מהירה יותר, מה שמשפר מאוד את מהירות הפעולה של מכשירים אלקטרוניים. יחד עם זאת, יש לו גם מוליכות מעולה והתנגדות נמוכה במיוחד, מה שיכול להפחית ביעילות את אובדן האנרגיה החשמלית במהלך השידור.
מבחינת תכונות תרמיות, לגרפן מוליכות תרמית גבוהה במיוחד של כ-5000W/m · K, גבוהה בהרבה ממצעי PCB מסורתיים FR-4 (ונחושת). זה נותן לו יתרון טבעי בפיזור חום, שכן הוא יכול לפזר במהירות את החום שנוצר במהלך פעולתם של מכשירים אלקטרוניים, ולמעשה לפתור את הבעיה של ירידה בביצועים או אפילו נזק שנגרם מהתחממות יתר של מכשירים אלקטרוניים.
2, היתרונות הייחודיים של לוחות גרפן
מהירות העברת אותות גבוהה במיוחד: בשל התכונות החשמליות המצוינות של הגרפן, לוחות מעגלים המבוססים על גרפן יכולים להשיג מהירויות שידור אות מהירות יותר. בעידן של היום של ביקוש גבוה למהירות עיבוד נתונים, בין אם מדובר במחשבים בעלי ביצועים גבוהים-, סמארטפונים או התקני תקשורת 5G, מהירות העברת אותות מהירה יותר פירושה חווית הפעלה חלקה יותר, יעילות עבודה גבוהה יותר ויישום פונקציונלי חזק יותר. לדוגמה, בתחנות בסיס של 5G, השימוש במעגלי גרפן יכול לשפר משמעותית את מהירות העברת הנתונים והקליטה, להפחית את זמן השהיית הרשת ולהבטיח תפעול יעיל ויציב של רשתות 5G.
ביצועי פיזור חום מעולים: עם השיפור המתמיד של שילוב מכשירים אלקטרוניים והעלייה החדה בצפיפות ההספק, פיזור החום הפך לצוואר בקבוק מרכזי המגביל את הביצועים והאמינות של מוצרים אלקטרוניים. המוליכות התרמית הגבוהה במיוחד של הגרפן מאפשרת לו לפזר במהירות חום. על ידי הכנסת ננו-גליונות גרפן לחומרי מטריצה כגון שרף אפוקסי, ניתן ליצור רשת הולכת חום יעילה, המשפרת משמעותית את יכולת פיזור החום המישורית של PCBs. בתחומי יישומים כגון תקשורת-תדירות גבוהה ומהירות- גבוהה, אלקטרוניקה לרכב והמרת הספק, ביצועי פיזור החום המצוינים של לוחות גרפן יכולים למנוע ביעילות פגיעה בביצועים, קריסות ואפילו נזקים הנגרמים מהתחממות יתר, ולשפר מאוד את היציבות וחיי השירות של הציוד.
קל משקל וחוזק גבוה: התכונות הקלות של הגרפן מאפשרות למעגלים להשיג עיצובים דקים וקלים יותר תוך שמירה על ביצועים גבוהים. עבור מוצרים כגון מכשירים לבישים וסמארטפונים הדורשים ניידות גבוהה, יתרון זה חשוב במיוחד. לוחות מעגלים דקים יותר ויותר יכולים לא רק להפחית את המשקל הכולל של המכשיר, אלא גם לספק יותר אפשרויות לעיצוב המראה ולפריסת החלל הפנימי של המוצר. בינתיים, מאפייני החוזק הגבוה- שלו מבטיחים את האמינות של המעגל בשימוש יומיומי ובסביבות מורכבות שונות, מה שהופך אותו לפחות נוטה לנזק.
גמישות טובה: לגרפן יש מידה מסוימת של גמישות, הפותחת דרך חדשה לפיתוח מוצרים אלקטרוניים גמישים. מכשירים אלקטרוניים גמישים כמו סמארטפונים מתקפלים, טקסטיל אלקטרוני ומכשירי ניטור בריאות לבישים זכו לתשומת לב רבה בשנים האחרונות. לוחות גרפן יכולים להסתגל היטב לצרכי הכיפוף והקיפול של מכשירים אלה, לספק צורות ייחודיות וחוויות משתמש תוך הבטחת פעולה תקינה של המעגל. לדוגמה, המסך של סמארטפון מתקפל צריך לשמור על חיבורי מעגל יציבים במהלך תהליך הקיפול, ומעגלי גרפן, עם הגמישות שלהם, יכולים להתמודד בקלות עם משימה זו.
3, אזורי יישום של לוחות גרפן
בתחום האלקטרוניקה הצרכנית, היישום של מעגלי גרפן צפוי להביא לשיפורי ביצועים משמעותיים במוצרי אלקטרוניקה לצרכן כגון סמארטפונים, טאבלטים ומחשבים ניידים. מהירות פעולה מהירה יותר, פיזור חום טוב יותר ועיצוב גוף דק יותר יביאו לצרכנים חווית משתמש חדשה לגמרי. אם לוקחים סמארטפונים כדוגמה, לאחר אימוץ לוחות גרפן, המעבד של הטלפון יכול לפעול בטמפרטורות נמוכות יותר, ובכך להשיג שחרור ביצועים גבוהים יותר. תופעת השהיה במשחק תשתפר מאוד, ויתכן כי חיי הסוללה של הטלפון ישתפרו גם על ידי הפחתת צריכת החשמל של פיזור החום.
בתחום התקשורת, ההתפתחות המהירה של תקשורת 5G הציבה דרישות גבוהות ביותר לביצועי ציוד תקשורת. היישום של לוחות גרפן בתחנות בסיס 5G, לווייני תקשורת וציוד אחר יכול לשפר ביעילות את מהירות עיבוד האותות ויעילות השידור, להפחית את עיכוב האות וצריכת האנרגיה. בנוסף, לוחות גרפן עשויים גם למלא תפקיד חשוב במחקר תקשורת 6G עתידי, ומניחים את הבסיס להשגת חיבורי תקשורת מהירים ויציבים יותר.
בתחום האלקטרוניקה לרכב: עם התפתחותם של כלי רכב חכמים וחשמליים, מערכות אלקטרוניות לרכב הופכות למורכבות יותר ויותר, וגם דרישות הביצועים למעגלים עולות. ביצועי פיזור החום המצוינים והאמינות הגבוהה של לוח הגרפן הופכים אותו למתאים מאוד ליישום בחלקים מרכזיים של רכב כגון מערכת בקרת מנוע, מערכת הנעה אוטומטית, מערכת ניהול סוללות וכו'. ברכבים חשמליים, מערכות ניהול סוללות דורשות ניטור ובקרה מדויקים של מצב המצבר. לוחות גרפן יכולים לעבד במהירות כמויות גדולות של נתונים כדי להבטיח פעולה בטוחה ויציבה של הסוללה ולהאריך את תוחלת החיים שלה.
תחום התעופה והחלל: לציוד תעופה וחלל יש דרישות מחמירות ביותר למשקל, ביצועים ואמינות של מכשירים אלקטרוניים. המאפיינים הקלים, החוזק-הגבוהים והביצועים הגבוהים-של מעגלי גרפן הופכים אותם לבחירה אידיאלית עבור תעשיית התעופה והחלל. לדוגמה, שימוש במעגלי גרפן בלוויינים יכול להפחית את משקל הלוויין, להוריד את עלויות השיגור ולשפר את הביצועים והאמינות של ציוד אלקטרוני לווייני, מה שמבטיח-פעולה יציבה לטווח ארוך של הלוויין בסביבות חלל מורכבות.