Forschung zu Diamant-Membranen als neues Kühlmaterial für E-Auto-Elektronik
Diamant zeichnet sich den Wissenschaftlern zufolge durch eine „unerreichte Wärmeleitfähigkeit“ aus. Diese soll vier- bis fünfmal höher liegen als die von Kupfer. Das Material eignet sich daher sehr gut zur Kühlung von elektronischen Komponenten mit hohen Leistungsdichten, wie sie etwa in Prozessoren, Halbleiterlasern oder in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Angesiedelt ist die Forschung zu Nanomembranen aus synthetischem Diamant bei Fraunhofer USA Center Midwest CMW, einer selbständigen Auslandsgesellschaft der deutschen Fraunhofer-Gesellschaft.
Dortigen Forschern ist es gelungen, hauchdünne Membranen aus diesem Material zu entwickeln, die sich in elektronische Bauteile integrieren lassen, „wo sie die lokale Wärmebelastung um das bis zu Zehnfache reduzieren können“, wie es in einer begleitenden Mitteilung heißt. Als mögliche Anwendungsfelder erwähnen die Initiatoren des Projekts die Kühlung der Leistungselektronik in Elektrofahrzeugen oder die Kühlung von Ladeinfrastruktur-Komponenten, was zu einer „fünffach höheren Ladegeschwindigkeit“ beitragen soll.
Bis dato verbessert eine unter den Bauteilen angebrachte Kupferschicht den Wärmefluss. Zwischen Kupfer und dem jeweiligen Bauteil befindet sich eine elektrisch isolierende Oxid- oder Nitridschicht, die jedoch Wärme schlecht leitet. „Diese Zwischenschicht wollen wir durch unsere Diamant-Nanomembran ersetzen, die die Hitze höchst effektiv an das Kupfer weiterleitet, da Diamant zu leitenden Bahnen verarbeitet werden kann“, äußert Dr. Matthias Mühle, Leiter der Gruppe Diamanttechnologien am Fraunhofer USA. „Da unsere Membran flexibel und freistehend ist, lässt sie sich beliebig am Bauteil oder am Kupfer positionieren oder direkt in den Kühlkreislauf integrieren.“
Dies gelingt, indem Mühle und sein Team die polykristalline Diamant-Nanomembran auf einem separaten Siliziumwafer wachsen lassen, sie anschließend ablösen, umdrehen und die Rückseite der Diamantschicht wegätzen. So entsteht ein freistehender, glatter Diamant, der sich bei einer Niedrigtemperatur von 80 Grad Celsius aufheizen und nachträglich auf das Bauteil aufsetzen lässt. „Durch die Wärmebehandlung verbindet sich die mikrometerdicke Membran automatisch mit der elektronischen Komponente. Der Diamant ist dann nicht mehr freistehend, sondern ins System integriert“, erläutert der Forscher.
Die Nanomembran lässt sich im Wafer-Maßstab – 4 Zoll und mehr – realisieren, wodurch sie sich für Industrieanwendungen eigne, heißt es weiter. Und: Die Entwicklung sei bereits zum Patent angemeldet. Noch in diesem Jahr sollen Applikationstests mit Invertern und Transformatoren in Anwendungsfeldern wie der Elektromobilität oder der Telekommunikation starten.
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