Schnelleres Laden mit Diamanten

Diamant ist für seine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit bekannt. Dieses Material eignet sich daher ideal zur Kühlung elektronischer Komponenten mit hoher Leistungsdichte, wie sie beispielsweise in Prozessoren, Halbleiterlasern oder Elektrofahrzeugen verwendet werden.

Forschern des Fraunhofer US, einer unabhängigen internationalen Tochtergesellschaft der Fraunhofer-Gesellschaft, ist es gelungen, sehr dünne Nanomembranen aus synthetischen Diamanten zu entwickeln, die in elektronische Bauteile integriert werden können und so die lokale thermische Belastung um bis zu das Zehnfache reduzieren. Dies trägt dazu bei, die Fahrleistung und Lebensdauer von Elektroautos zu verbessern und die Ladezeit der Batterie deutlich zu verkürzen.

Steigende Leistungsdichten 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 vergrößerten Kühlkörper aus Kupfer- oder Aluminiumplatten die wärmeabgebende Oberfläche wärmeerzeugender Bauteile und beugten so Schäden durch Überhitzung vor. Wissenschaftler des Fraunhofer US Inc., Center Midwest CMW in East Lansing, Michigan, einer unabhängigen internationalen Tochtergesellschaft der Fraunhofer-Gesellschaft, haben 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 von Elektrofahrzeugen zu kühlen, die Traktionsenergie von der Batterie auf den Elektromotor überträgt und Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.

Von Fraunhofer US entwickelte flexible, elektrisch isolierende Nanomembranen haben das Potenzial, die lokale thermische Belastung elektronischer Komponenten, beispielsweise Stromregler in Elektromotoren, um den Faktor zehn zu reduzieren. Energieeffizienz, Lebensdauer und Fahrverhalten von Elektroautos werden dadurch deutlich verbessert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass 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 Mittelschicht durch unsere Diamant-Nanomembran ersetzen, die äußerst effizient Wärme auf Kupfer überträgt, da Diamant in leitfähige Bahnen umgewandelt werden kann“, erklärt Dr. Matthias Mühle, Leiter der Gruppe Diamanttechnologien am Fraunhofer US. Mittlerer Westen, zentraler CMW. „Da unsere Membran flexibel und selbsttragend ist, kann sie überall auf dem Bauteil oder Kupfer positioniert oder direkt in den Kühlkreislauf integriert werden.“

Mühle und sein Team erreichen dies, indem sie die polykristalline Diamant-Nanomembran auf einem separaten Siliziumwafer wachsen lassen, sie dann abziehen, umdrehen und die Rückseite der Diamantschicht ätzen. Dadurch entsteht ein glatter, freistehender Diamant, der auf eine niedrige Temperatur von 80 °C erhitzt und dann am Bauteil befestigt werden kann. „Durch die Wärmebehandlung wird die einen Mikrometer dicke Membran automatisch mit dem elektronischen Bauteil verbunden. Der Diamant ist dann nicht mehr autonom, sondern in das System integriert“, erklärt der Forscher.

Die Nanomembran kann im Wafer-Maßstab (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 Anwendungsbereichen wie Elektrotransport und Telekommunikation werden voraussichtlich noch in diesem Jahr beginnen.