Diamond är känt för sin enastående värmeledningsförmåga. Detta gör materialet idealiskt för kylning av elektroniska komponenter med höga effekttätheter, såsom de som används i processorer, halvledarlasrar eller elfordon.
Forskare vid Fraunhofer U.S., ett oberoende internationellt dotterbolag till Fraunhofer-Gesellschaft, har lyckats utveckla wafer-tunna nanomembran från syntetiska diamanter som kan integreras i elektroniska komponenter och därigenom minska den lokala värmebelastningen med upp till tio gånger. Detta hjälper till att förbättra vägprestanda och livslängd för elbilar och minskar batteriets laddningstid avsevärt.
En ökning av effekttätheten och den resulterande högre värmeavledningen i elektroniska komponenter kräver nya material. Diamant är känt för sin höga värmeledningsförmåga, som är fyra till fem gånger högre än koppars. Av denna anledning är det ett särskilt intressant material när det kommer till kylkraftelektronik i elektriska transporter, solceller eller lagringssystem.
Hittills har kylflänsar gjorda av koppar- eller aluminiumplattor ökat den värmeavgivande ytan på komponenter som producerar värme, och på så sätt förhindrat skador på grund av överhettning. Forskare vid Fraunhofer U.S. Inc., Center Midwest CMW i East Lansing i Michigan, ett oberoende internationellt dotterbolag till Fraunhofer-Gesellschaft, har nu utvecklat nanomembran från syntetiska diamanter som är tunnare än ett människohår. Det flexibla materialet kan integreras direkt i elektroniska komponenter för att kyla kraftelektroniken i elfordon, som överför dragenergi från batteriet till elmotorn och omvandlar strömmen från likström till växelström.
De flexibla, elektriskt isolerande nanomembranen som utvecklats av Fraunhofer U.S. har potential att minska den lokala värmebelastningen av elektroniska komponenter, såsom strömregulatorer i elmotorer, med en faktor tio. Elbilarnas energieffektivitet, livslängd och vägprestanda förbättras avsevärt som ett resultat. En annan fördel är det faktum att diamantmembranen, när de används i laddningsinfrastrukturen, bidrar till laddningshastigheter som är fem gånger högre.
Diamantmembran ersätter det isolerande mellanskiktet
Generellt sett förbättras värmeflödet genom att applicera ett kopparskikt under komponenten. Det finns dock ett elektriskt isolerande oxid- eller nitridskikt mellan kopparn och komponenten, som har dålig värmeledningsförmåga.
"Vi vill ersätta detta mellanskikt med vårt diamantnanomembran, som är extremt effektivt för att överföra värme till kopparn, eftersom diamant kan bearbetas till ledande banor", säger Dr Matthias Mühle, chef för Diamond Technologies-gruppen vid Fraunhofer U.S. Center Midwest CMW. "Eftersom vårt membran är flexibelt och fristående, kan det placeras var som helst på komponenten eller kopparn eller integreras direkt i kylkretsen."
Mühle och hans team uppnår detta genom att odla det polykristallina diamantnanomembranet på en separat kiselskiva, sedan lossa den, vända den och etsa bort baksidan av diamantskiktet. Detta resulterar i en fristående, slät diamant som kan värmas till en låg temperatur på 80°C och sedan fästas på komponenten. "Värmebehandlingen binder automatiskt det mikrometertjocka membranet till den elektroniska komponenten. Diamanten är då inte längre fristående utan integrerad i systemet", förklarar forskaren.
Nanomembranet kan tillverkas i waferskala (4 tum och större), vilket gör det väl lämpat för industriella applikationer. Ett patent har redan lämnats in för utvecklingen. Applikationstester med växelriktare och transformatorer inom applikationsområden som eltransport och telekommunikation ska starta i år.
Tillhandahålls av Fraunhofer-Gesellschaft
