對(duì)于大多數(shù)PCB來說，較高的信號(hào)頻率已很常見， 因此PCB內(nèi)部產(chǎn)生的熱量就會(huì)越大，導(dǎo)致平面熱管理問題已越來越重要。工程師一直在嘗試用各種類型的散熱膏、散熱基板，以及不同形式的散熱片（如鋁、銅等）來解決熱管理問題；同時(shí)，電子行業(yè)仍在尋求更少占用空間、更有效、更經(jīng)濟(jì)的解決方案。Magi Scitech公司將碳納米技術(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)非常高的石墨烯相結(jié)合，已經(jīng)在納米級(jí)厚度的平面熱管理技術(shù)上取得了突破，該技術(shù)可為無人駕駛汽車、平板電腦及其他個(gè)人裝置提供熱管理方案。

石墨烯是一種碳的同素異形體（碳），是由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。它是很多其它形式碳的基本結(jié)構(gòu)元素，如：石墨、鉆石、木炭、碳納米管和富勒烯。石墨烯的厚度比一張紙的一百萬分之一還??；由于它如此之薄，所以它可以被認(rèn)為是二維結(jié)構(gòu)。石墨烯的扁平蜂窩圖形賦予它許多不同尋常的特征，包括是目前世界上最強(qiáng)的材料。它的強(qiáng)度來源于不間斷的六邊形結(jié)構(gòu)和碳原子之間的強(qiáng)鍵。這種強(qiáng)大的鍵合具有很大的韌性，可扭曲、拉伸、彎曲到一定程度而不會(huì)斷裂，這意味著石墨烯是可彎曲和可伸展的。

石墨烯的革命性材料特性包括：

• 有史以來最強(qiáng)的材料；

• 科學(xué)上現(xiàn)知的最薄的材料；

• 高韌性和極佳的透光率；

• 地球上最不可滲透的材料；

• 創(chuàng)記錄的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率；

• 以及難以置信的高效節(jié)能。

隨著自動(dòng)駕駛汽車的問世，將會(huì)使用更多的計(jì)算機(jī)算力，控制臺(tái)、車載互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)和傳感器陣列，這會(huì)導(dǎo)致消耗更大的CPU功率，各類新應(yīng)用的疊加相應(yīng)會(huì)顯著增加熱量。而新型石墨烯薄膜在汽車方面的應(yīng)用必將不斷擴(kuò)展。

因此，對(duì)散熱的需求也相應(yīng)增加了。用傳統(tǒng)的鋁散熱片會(huì)擴(kuò)大控制臺(tái)和其他相關(guān)計(jì)算機(jī)/電子系統(tǒng)的尺寸，而使用新型石墨烯薄膜散熱片的平面散熱管理方案不僅厚度更薄，而且散熱更有效。

圖1：一種采用新型石墨烯薄膜散熱片的散熱輻射結(jié)構(gòu)

石墨烯非常適用于平面散熱管理和電子封裝應(yīng)用。它可以分散在噴涂油墨和涂料的溶液中，并與聚合物混合，從而對(duì)其熱特性起到實(shí)質(zhì)性的增強(qiáng)。了解到這一點(diǎn)后，研究人員利用石墨烯獨(dú)特的導(dǎo)熱能力和碳納米顆粒，以及金剛石粉末顆粒，制成石墨烯復(fù)合薄膜，可極大地增強(qiáng)其熱性能。此外，金剛石粉末顆?？山档褪┑膶?dǎo)電性，從而不會(huì)對(duì)PCB和電子元器件造成任何電磁干擾（EMI）問題。

現(xiàn)已申請(qǐng)專利的石墨烯復(fù)合薄膜工程方法是將石墨烯與金剛石粉末顆粒集成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，允許不間斷的熱傳導(dǎo)。此外，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的孔內(nèi)填充有碳納米顆粒（具有0.98的熱輻射散度）以增加熱輻射效率。在X和Y平面上具有極高熱導(dǎo)率的石墨烯薄膜散熱片，與在Z平面上的碳納米顆粒的紅外熱輻射有效轉(zhuǎn)換作用相結(jié)合，可以以3D形式傳遞熱量。石墨烯薄膜的熱導(dǎo)率受限于X和Y平面，而新型石墨烯復(fù)合薄膜在Z平面上也具有極佳的熱擴(kuò)散能力。因此，石墨烯復(fù)合薄膜的平面熱管理性能比石墨散熱片好得多，因?yàn)樗粌H可在X和Y平面上散熱，也可在Z平面上散熱。

這些納米材料的高極化率使它們能夠均勻地分布在薄膜表面，從而最大化熱輻射冷卻效果。石墨烯薄膜的納米結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了它的電氣絕緣特性，因而它可承受2 KV的高壓。散熱層通過紅外輻射具有高水平的散熱能力，因此即使在受限空間中也增加了熱發(fā)射?？筛鶕?jù)產(chǎn)品的要求，在薄膜下添加金屬層加快納米結(jié)構(gòu)層的熱發(fā)射，促進(jìn)更大的熱輻射。

石墨烯薄膜散熱片的厚度為25 μm~210 μm，與傳統(tǒng)的散熱架相比非常薄。石墨烯薄膜散熱片可含有一層幾微米到幾十微米的石墨烯，再加一層幾十微米的鋁或銅；或只含有一層石墨烯。這種既輕又薄的散熱薄膜很適合用于智能手機(jī)、iPads、平板電腦和其它的便攜式裝置，以及小的元器件如ICs、LED和DDR存儲(chǔ)器。

石墨烯薄膜通常是粘附在發(fā)熱源的表面，或是PCB的頂部或底部。也可將石墨烯薄膜加到各種手機(jī)的外殼正面或背面，或是加在發(fā)熱源的上面或底部。薄膜不會(huì)干擾天線性能，所以如果必要，也可加在天線區(qū)域。當(dāng)然，實(shí)際的安排將取決于器件的布局和熱源的位置。

圖2：石墨烯薄膜可施加到PCB的頂部和底部

圖3：在現(xiàn)有的鋁散熱片上增加石墨烯薄膜可改善散熱，或可直接使用石墨烯薄膜取代鋁散熱片

再來進(jìn)一步關(guān)注PCB，因?yàn)樾酒峭ㄟ^其引腳和晶片頂部區(qū)域輻射熱量，使用銅布線、接地平面和熱通孔，再通過石墨烯薄膜來加速熱傳遞和輻射是一個(gè)好主意。薄膜面積越大，散熱效果越好，所粘附的薄膜應(yīng)該靠近發(fā)熱源。對(duì)現(xiàn)有的PCB進(jìn)行測(cè)試，要在粘附薄膜之前去除防護(hù)漆（熱阻非常高）。在批量生產(chǎn)時(shí)，石墨烯薄膜應(yīng)該沒有防護(hù)漆。為了達(dá)到最佳效果，要在薄膜和PCB之間抽真空，這點(diǎn)很重要。薄膜表面有電氣絕緣涂層，因此，要小心處理，以免刮傷涂層。最后，如果可能，要在電路板的兩面都粘附薄膜。如果不行，將薄膜加在有較多元器件的一面，在薄膜上做孔，露出有元器件的區(qū)域。采用這些粘附方法，可解決PCB的散熱問題，顯著提高封裝的散熱性能。

圖4：在PCB的一面或兩面加一層石墨烯薄膜可減小鋁散熱片的尺寸

過去4年，已經(jīng)對(duì)石墨烯薄膜散熱片應(yīng)用的各種領(lǐng)域，如玻璃外殼和金屬殼的智能手機(jī)、LED燈、平板及筆記本電腦等產(chǎn)品，進(jìn)行了廣泛測(cè)試，結(jié)果非常理想。實(shí)驗(yàn)證明，各種電子裝置的運(yùn)行溫度明顯下降，幅度達(dá)到了23%~52%（具體下降幅度取決于所測(cè)試的裝置類別）。

Magi Scitech正在不斷創(chuàng)新和改進(jìn)其石墨烯薄膜產(chǎn)品，并且還能為客戶按要求定制。此外，現(xiàn)已開發(fā)出了能夠噴涂在金屬表面（如不銹鋼、鋁及銅）的石墨烯油墨，厚度可達(dá)5 μm 到20 μm（此厚度為最有效的噴墨厚度范圍），用以增加金屬的導(dǎo)熱性。