Hurtigere opladning med diamanter

Diamond er kendt for sin fremragende varmeledningsevne. Dette gør materialet ideelt til afkøling af elektroniske komponenter med høje effekttætheder, såsom dem, der bruges i processorer, halvlederlasere eller elektriske køretøjer.

Forskere ved Fraunhofer U.S., et uafhængigt internationalt datterselskab af Fraunhofer-Gesellschaft, er lykkedes med at udvikle wafertynde nanomembraner af syntetiske diamanter, der kan integreres i elektroniske komponenter og derved reducere den lokale varmebelastning med op til ti gange. Dette er med til at forbedre køreegenskaberne og levetiden for elbiler og reducerer batteriets ladetid betydeligt.

En stigning i effekttæthed og den deraf følgende højere varmeafledning i elektroniske komponenter kræver nye materialer. Diamant er kendt for sin høje varmeledningsevne, som er fire til fem gange højere end kobbers. Af denne grund er det et særligt interessant materiale, når det kommer til kølekraftelektronik i elektrisk transport, solcelleanlæg eller lagersystemer.

Indtil nu har køleplader lavet af kobber- eller aluminiumsplader øget den varmeafgivende overflade af komponenter, der producerer varme, og dermed forhindret skader som følge af overophedning. Forskere ved Fraunhofer U.S. Inc., Center Midwest CMW i East Lansing i Michigan, et uafhængigt internationalt datterselskab af Fraunhofer-Gesellschaft, har nu udviklet nanomembraner fra syntetiske diamanter, der er tyndere end et menneskehår. Det fleksible materiale kan integreres direkte i elektroniske komponenter for at afkøle kraftelektronikken i elektriske køretøjer, som overfører trækenergi fra batteriet til elmotoren og omdanner strømmen fra jævnstrøm til vekselstrøm.

De fleksible, elektrisk isolerende nanomembraner udviklet af Fraunhofer U.S. har potentialet til at reducere den lokale varmebelastning af elektroniske komponenter, såsom strømregulatorer i elektriske motorer, med en faktor ti. Energieffektiviteten, levetiden og vejens ydeevne for elbiler forbedres væsentligt som følge heraf. En anden fordel er, at diamantmembranerne, når de bruges i opladningsinfrastrukturen, bidrager til opladningshastigheder, der er fem gange højere.

Diamantmembraner erstatter det isolerende mellemlag

Generelt forbedrer påføring af et kobberlag under komponenten varmestrømmen. Der er dog et elektrisk isolerende oxid- eller nitridlag mellem kobberet og komponenten, som har dårlig varmeledningsevne.

"Vi ønsker at erstatte dette mellemlag med vores diamant nanomembran, som er ekstremt effektiv til at overføre varme til kobberet, da diamant kan forarbejdes til ledende baner," siger Dr. Matthias Mühle, leder af Diamond Technologies-gruppen hos Fraunhofer U.S. Center Midtvest CMW. "Da vores membran er fleksibel og fritstående, kan den placeres hvor som helst på komponenten eller kobberet eller integreres direkte i kølekredsløbet."

Mühle og hans team opnår dette ved at dyrke den polykrystallinske diamantnanomembran på en separat siliciumwafer, derefter tage den af, vende den og ætse bagsiden af ​​diamantlaget væk. Dette resulterer i en fritstående, glat diamant, der kan opvarmes ved en lav temperatur på 80°C og efterfølgende fastgøres til komponenten. "Varmebehandlingen binder automatisk den mikrometertykke membran til den elektroniske komponent. Diamanten er så ikke længere fritstående, men integreret i systemet," forklarer forskeren.

Nanomembranen kan fremstilles i waferskala (4 tommer og større), hvilket gør den velegnet til industrielle applikationer. Der er allerede indgivet patent på udviklingen. Applikationstests med invertere og transformere inden for anvendelsesområder som elektrisk transport og telekommunikation skal starte i år.

Leveret af Fraunhofer-Gesellschaft