Sneller opladen met diamanten

Diamant staat bekend om zijn uitstekende thermische geleidbaarheid. Dit maakt het materiaal ideaal voor het koelen van elektronische componenten met een hoge vermogensdichtheid, zoals die worden gebruikt in processors, halfgeleiderlasers of elektrische voertuigen.

Onderzoekers van Fraunhofer US, een onafhankelijk internationaal filiaal van de Fraunhofer-Gesellschaft, zijn erin geslaagd flinterdunne nanomembranen te ontwikkelen uit synthetische diamanten die kunnen worden geïntegreerd in elektronische componenten, waardoor de lokale warmtebelasting tot wel tien keer wordt verminderd. Dit helpt de wegprestaties en de levensduur van elektrische auto’s te verbeteren en verkort de oplaadtijd van de batterij aanzienlijk.

Een toename van de vermogensdichtheid en de daaruit voortvloeiende hogere warmteafvoer in elektronische componenten vereisen nieuwe materialen. Diamant staat bekend om zijn hoge thermische geleidbaarheid, die vier tot vijf keer hoger is dan die van koper. Om deze reden is het een bijzonder interessant materiaal als het gaat om koelvermogenelektronica in elektrisch transport, fotovoltaïsche zonne-energie of opslagsystemen.

Tot nu toe hebben koellichamen gemaakt van koperen of aluminium platen het warmteafgevende oppervlak van componenten die warmte produceren vergroot, waardoor schade door oververhitting wordt voorkomen. Wetenschappers van Fraunhofer US Inc., Center Midwest CMW in East Lansing in Michigan, een onafhankelijk internationaal filiaal van de Fraunhofer-Gesellschaft, hebben nu nanomembranen ontwikkeld van synthetische diamanten die dunner zijn dan een mensenhaar. Het flexibele materiaal kan rechtstreeks in elektronische componenten worden geïntegreerd om de vermogenselektronica in elektrische voertuigen te koelen, die tractie-energie van de accu naar de elektromotor overbrengt en de stroom omzet van gelijkstroom naar wisselstroom.

De flexibele, elektrisch isolerende nanomembranen ontwikkeld door Fraunhofer US hebben het potentieel om de lokale warmtebelasting van elektronische componenten, zoals stroomregelaars in elektromotoren, met een factor tien te verminderen. De energie-efficiëntie, levensduur en wegprestaties van elektrische auto’s worden hierdoor aanzienlijk verbeterd. Een ander voordeel is dat de diamantmembranen bij gebruik in de laadinfrastructuur bijdragen aan vijf keer hogere laadsnelheden.

Diamantmembranen vervangen de isolerende tussenlaag

Over het algemeen verbetert het aanbrengen van een koperlaag onder het onderdeel de warmtestroom. Tussen het koper en het onderdeel bevindt zich echter een elektrisch isolerende oxide- of nitridelaag, die een slechte thermische geleidbaarheid heeft.

“We willen deze tussenlaag vervangen door ons diamanten nanomembraan, dat uiterst effectief is in het overbrengen van warmte naar het koper, omdat diamant kan worden verwerkt tot geleidende paden”, zegt dr. Matthias Mühle, hoofd van de Diamond Technologies-groep bij het Fraunhofer US. Centrum Midwest CMW. “Omdat ons membraan flexibel en vrijstaand is, kan het overal op het onderdeel of het koper worden geplaatst of direct in het koelcircuit worden geïntegreerd.”

Mühle en zijn team bereiken dit door het polykristallijne diamanten nanomembraan op een afzonderlijke siliciumwafel te laten groeien, deze vervolgens los te maken, om te draaien en de achterkant van de diamantlaag weg te etsen. Dit resulteert in een vrijstaande, gladde diamant die op een lage temperatuur van 80°C kan worden verwarmd en vervolgens aan het onderdeel kan worden bevestigd. “Door de warmtebehandeling wordt het micrometerdikke membraan automatisch aan de elektronische component gehecht. De diamant staat dan niet meer vrijstaand, maar is geïntegreerd in het systeem”, legt de onderzoeker uit.

Het nanomembraan kan op wafelschaal (4 inch en groter) worden geproduceerd, waardoor het zeer geschikt is voor industriële toepassingen. Er is al patent aangevraagd op de ontwikkeling. Dit jaar starten applicatietests met omvormers en transformatoren in toepassingsgebieden zoals elektrisch vervoer en telecommunicatie.