Le diamant est connu pour sa conductivité thermique exceptionnelle. Ce matériau est donc idéal pour refroidir les composants électroniques à haute densité de puissance, tels que ceux utilisés dans les processeurs, les lasers à semi-conducteurs ou les véhicules électriques.
Des chercheurs de Fraunhofer US, une filiale internationale indépendante de la Fraunhofer-Gesellschaft, ont réussi à développer des nanomembranes très fines à partir de diamants synthétiques qui peuvent être intégrées dans des composants électroniques, réduisant ainsi jusqu’à dix fois la charge thermique locale. Cela contribue à améliorer les performances routières et la durée de vie des voitures électriques et réduit considérablement le temps de charge des batteries.
L’augmentation de la densité de puissance et la dissipation thermique plus élevée qui en résulte dans les composants électroniques nécessitent de nouveaux matériaux. Le diamant est connu pour sa conductivité thermique élevée, quatre à cinq fois supérieure à celle du cuivre. C’est pour cette raison qu’il s’agit d’un matériau particulièrement intéressant lorsqu’il s’agit de refroidir l’électronique de puissance dans les transports électriques, le photovoltaïque ou les systèmes de stockage.
Jusqu’à présent, les dissipateurs thermiques constitués de plaques de cuivre ou d’aluminium augmentaient la surface d’émission de chaleur des composants qui produisent de la chaleur, évitant ainsi les dommages dus à la surchauffe. Des scientifiques de Fraunhofer US Inc., Center Midwest CMW à East Lansing dans le Michigan, une filiale internationale indépendante de Fraunhofer-Gesellschaft, ont développé des nanomembranes à partir de diamants synthétiques qui sont plus fines qu’un cheveu humain. Le matériau flexible peut être intégré directement dans les composants électroniques pour refroidir l’électronique de puissance des véhicules électriques, qui transfèrent l’énergie de traction de la batterie au moteur électrique et convertissent le courant continu en courant alternatif.
Les nanomembranes flexibles et électriquement isolantes développées par Fraunhofer US ont le potentiel de réduire d’un facteur dix la charge thermique locale des composants électroniques, tels que les régulateurs de courant dans les moteurs électriques. L’efficacité énergétique, la durée de vie et les performances routières des voitures électriques s’en trouvent ainsi considérablement améliorées. Un autre avantage réside dans le fait que, lorsqu’elles sont utilisées dans l’infrastructure de recharge, les membranes en diamant contribuent à des vitesses de recharge cinq fois plus élevées.
Les membranes diamant remplacent la couche intermédiaire isolante
De manière générale, l’application d’une couche de cuivre sous le composant améliore le flux thermique. Cependant, il existe entre le cuivre et le composant une couche d’oxyde ou de nitrure électriquement isolante, qui a une mauvaise conductivité thermique.
« Nous souhaitons remplacer cette couche intermédiaire par notre nanomembrane en diamant, qui est extrêmement efficace pour transférer la chaleur au cuivre, car le diamant peut être transformé en chemins conducteurs », explique le Dr Matthias Mühle, chef du groupe Diamond Technologies au Fraunhofer US. Centre du Midwest CMW. « Notre membrane étant flexible et autoportante, elle peut être positionnée n’importe où sur le composant ou le cuivre ou intégrée directement dans le circuit de refroidissement. »
Mühle et son équipe y parviennent en faisant croître la nanomembrane de diamant polycristallin sur une plaquette de silicium séparée, puis en la détachant, en la retournant et en gravant l’arrière de la couche de diamant. Il en résulte un diamant lisse et autonome qui peut être chauffé à une basse température de 80 °C et ensuite fixé au composant. « Le traitement thermique lie automatiquement la membrane d’un micromètre d’épaisseur au composant électronique. Le diamant n’est alors plus autonome mais intégré au système », explique le chercheur.
La nanomembrane peut être produite à l’échelle d’une tranche (4 pouces et plus), ce qui la rend bien adaptée aux applications industrielles. Un brevet a déjà été déposé pour le développement. Les tests d’application avec des onduleurs et des transformateurs dans des domaines d’application tels que le transport électrique et les télécommunications devraient commencer cette année.