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可靠性与测试 ★ 4.0

石墨烯薄膜作为射频与微波电子器件接地平面材料的研究

Investigation of Graphene Film as Ground Plane Material for RF and Microwave Electronics

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中文摘要

本研究探讨了将还原氧化石墨烯(rGO)薄膜作为接地层集成到小型化射频/毫米波系统中,以用于先进的热管理应用。诸如铜基散热器等传统方法难以应对现代射频/毫米波封装日益增长的功率和更紧凑的集成要求。与铜(约 400 瓦/米·开尔文)相比,rGO 具有极高的面内热导率(约 1100 瓦/米·开尔文),因此它成为射频电子封装热管理的有力候选材料。本研究探索了在射频和微波电子设备中使用 rGO 形成接地层的方法,并通过细致的传输线模拟和测量来评估其性能。我们的研究结果表明,rGO 接地层具有较高的信号完整性,在 10 吉赫兹时平均损耗约为 1 分贝,在高达 26 吉赫兹时约为 2 分贝,与传统铜接地层的性能相当。这些结果表明,rGO 是一种适用于射频和微波电路的有前景的材料,尤其适用于需要增强热管理和机械柔韧性的应用场景。

English Abstract

This study investigates the integration of reduced graphene oxide (rGO) films as ground plane in miniaturized RF/mm-wave systems for advanced thermal management applications. Traditional methods such as copper-based heat spreaders struggle to handle the increased power and tighter integration requirements of modern day RF/mmWave packaging. Due to rGO’s exceptionally high in-plane thermal conductivity (~1100 W/mK), when compared with copper (~400 W/mK), rGO emerges as a compelling candidate for thermal management in RF electronic packaging. This study investigates the use of rGO to form a ground plane in RF and microwave electronics, evaluating its performance through meticulous transmission line simulations and measurements. Our findings reveal that rGO ground planes exhibit high signal integrity, with an average loss of about 1 dB at 10 GHz and around 2 dB up to 26 GHz, comparable to the performance of traditional copper ground planes. These results indicate that rGO is a promising material for RF and microwave circuits, especially in applications requiring enhanced thermal management and mechanical flexibility.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,该石墨烯薄膜地平面技术对我们的核心产品线具有重要的潜在应用价值。在光伏逆变器和储能变流器领域,功率密度的持续提升使得热管理成为制约产品性能的关键瓶颈。该研究展示的还原氧化石墨烯(rGO)薄膜具备约1100 W/mK的面内热导率,相比传统铜材料提升近3倍,这为我们突破当前大功率IGBT模块和SiC功率器件的散热瓶颈提供了新思路。

特别值得关注的是,rGO地平面在26 GHz频段内仅产生约2 dB的信号损耗,与铜基方案性能相当。这意味着该材料可以在不牺牲电气性能的前提下显著改善热管理能力。对于阳光电源正在推进的高频化逆变器设计(采用SiC器件实现更高开关频率),rGO材料可同时满足高频信号完整性和功率器件散热的双重需求,有助于实现更紧凑的拓扑结构和更高的系统效率。

然而,从技术成熟度评估来看,该技术仍处于实验室验证阶段。我们需要关注几个关键挑战:首先是rGO薄膜的大规模制备工艺及成本控制;其次是在高电压、大电流工况下的长期可靠性验证;再者是与现有PCB制造工艺的兼容性问题。

建议我们的研发团队与该领域的科研机构建立合作,开展针对性的应用研究。优先在储能系统的DC/DC变换器等中等功率场景进行试点验证,积累工程化经验,为未来在主力产品线的应用做好技术储备。这符合阳光电源在新材料应用方面的前瞻性布局战略。