Diamant ist für seine hervorragende Wärmeleitfähigkeit bekannt. Damit eignet sich das Material ideal zur Kühlung elektronischer Komponenten mit hoher Leistungsdichte, wie sie beispielsweise in Prozessoren, Halbleiterlasern oder Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen.
Forschern des Fraunhofer US, einer unabhängigen internationalen Tochtergesellschaft der Fraunhofer-Gesellschaft, ist es gelungen, hauchdünne Nanomembranen aus synthetischen Diamanten zu entwickeln, die in elektronische Bauteile integriert werden können und so die lokale Wärmebelastung um bis zu das Zehnfache reduzieren. Dies trägt dazu bei, das Fahrverhalten und die Lebensdauer von Elektroautos zu verbessern und die Ladezeit der Batterie deutlich zu verkürzen.
Eine Erhöhung der Leistungsdichte und die daraus resultierende höhere Wärmeableitung in elektronischen Bauteilen erfordern neue Materialien. Diamant ist für seine hohe Wärmeleitfähigkeit bekannt, die vier- bis fünfmal höher ist als die von Kupfer. Aus diesem Grund ist es ein besonders interessantes Material, wenn es um die Kühlung von Leistungselektronik in Elektrofahrzeugen, Photovoltaik oder Speichersystemen geht.
Bisher dienen Kühlkörper aus Kupfer- oder Aluminiumplatten dazu, die wärmeabgebende Oberfläche wärmeerzeugender Bauteile zu vergrößern und so Schäden durch Überhitzung vorzubeugen. Wissenschaftler des Fraunhofer US Inc., Center Midwest CMW in East Lansing in Michigan, einem unabhängigen internationalen Tochterunternehmen der Fraunhofer-Gesellschaft, haben nun Nanomembranen aus synthetischen Diamanten entwickelt, die dünner als ein menschliches Haar sind. Das flexible Material kann direkt in elektronische Komponenten integriert werden, um die Leistungselektronik in Elektrofahrzeugen zu kühlen, die Traktionsenergie von der Batterie auf den Elektromotor überträgt und den Strom von Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.
Die von Fraunhofer US entwickelten flexiblen, elektrisch isolierenden Nanomembranen haben das Potenzial, die lokale Wärmebelastung elektronischer Komponenten, beispielsweise Stromregler in Elektromotoren, um den Faktor zehn zu reduzieren. Dadurch werden Energieeffizienz, Lebensdauer und Fahrverhalten von Elektroautos deutlich verbessert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Diamantmembranen beim Einsatz in der Ladeinfrastruktur zu fünfmal höheren Ladegeschwindigkeiten beitragen.
Diamantmembranen ersetzen die isolierende Zwischenschicht
Im Allgemeinen verbessert das Aufbringen einer Kupferschicht unter dem Bauteil den Wärmefluss. Allerdings befindet sich zwischen dem Kupfer und dem Bauteil eine elektrisch isolierende Oxid- oder Nitridschicht, die eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist.
„Wir wollen diese Zwischenschicht durch unsere Diamant-Nanomembran ersetzen, die die Wärme äußerst effektiv auf das Kupfer überträgt, da Diamant zu Leiterbahnen verarbeitet werden kann“, sagt Dr. Matthias Mühle, Leiter der Gruppe Diamanttechnologien am Fraunhofer US Zentrum Mittlerer Westen CMW. „Da unsere Membran flexibel und freistehend ist, kann sie überall auf dem Bauteil oder dem Kupfer positioniert oder direkt in den Kühlkreislauf integriert werden.“
Dies erreichen Mühle und sein Team, indem sie die polykristalline Diamant-Nanomembran auf einem separaten Siliziumwafer wachsen lassen, sie dann ablösen, umdrehen und die Rückseite der Diamantschicht wegätzen. Dadurch entsteht ein freistehender, glatter Diamant, der bei niedriger Temperatur von 80 °C erhitzt und anschließend am Bauteil befestigt werden kann. „Durch die Wärmebehandlung verbindet sich die mikrometerdicke Membran automatisch mit dem elektronischen Bauteil. Der Diamant steht dann nicht mehr frei, sondern ist in das System integriert“, erklärt der Forscher.
Die Nanomembran kann im Wafermaßstab (4 Zoll und größer) hergestellt werden und eignet sich daher gut für industrielle Anwendungen. Für die Entwicklung wurde bereits ein Patent angemeldet. Anwendungstests mit Wechselrichtern und Transformatoren in Anwendungsfeldern wie Elektrotransport und Telekommunikation sollen noch in diesem Jahr beginnen.