Schneller laden mit Diamanten

Diamant zeichnet sich durch eine unerreichte Wärmeleitfähigkeit aus. Das
Material eignet sich daher ideal zur Kühlung von elektronischen
Komponenten mit hohen Leistungsdichten, wie sie etwa in Elektrofahrzeugen
eingesetzt werden. Forschenden von Fraunhofer USA, einer selbständigen
Auslandsgesellschaft der Fraunhofer-Gesellschaft, ist es gelungen,
hauchdünne Nanomembranen aus synthetischem Diamant zu entwickeln, die sich
in elektronische Bauteile integrieren lassen, wo sie die lokale
Wärmebelastung um das bis zu Zehnfache reduzieren können. Auf diese Weise
können die Fahrleistung und Lebensdauer von E-Autos gesteigert werden.
Auch die Ladezeit der Batterie verkürzt sich deutlich.

Steigende Leistungsdichten und damit verbunden höhere Wärmeableitungen in
elektronischen Bauelementen erfordern neue Materialien: Diamant zeichnet
sich durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit aus, die vier- bis fünfmal höher
ist als die von Kupfer. Damit ist das Material besonders interessant für
die Kühlung von Leistungselektronik in der Elektromobilität, für
Photovoltaik oder Speichersysteme. Dort vergrößern bislang Kühlkörper aus
Kupfer- oder Aluminiumplatten die wärmeabgebende Oberfläche eines
wärmeproduzierenden Bauteils und beugen damit einer Beschädigung durch
Überhitzung vor. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von Fraunhofer
USA Inc., Center Midwest CMW in East Lansing in Michigan, einer
selbständigen Auslandsgesellschaft der Fraunhofer-Gesellschaft, haben nun
Nanomembranen aus synthetischem Diamant entwickelt, die dünner sind als
ein menschliches Haar. Das flexible Material lässt sich direkt in
elektronische Bauteile integrieren, etwa zur Kühlung der
Leistungselektronik in Elektrofahrzeugen, die dort beispielsweise die
Traktionsenergie von der Batterie in den E-Motor weiterleitet und dabei
den Strom von Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Die flexiblen,
elektrisch isolierenden Nanomembranen von Fraunhofer USA haben das
Potenzial, die lokale Wärmebelastung der elektronischen Komponenten wie
Stromregler in Elektromotoren um das Zehnfache zu reduzieren.
Energieeffizienz, Lebensdauer und Fahrleistung von E-Autos werden dadurch
maßgeblich verbessert. Ein weiterer Vorteil: In der Ladeinfrastruktur
tragen die Diamantmembranen zu einer fünffach höheren Ladegeschwindigkeit
bei.

Diamantmembran ersetzt isolierende Zwischenschicht

In der Regel verbessert eine unter dem Bauteil angebrachte Kupferschicht
den Wärmefluss. Zwischen Kupfer und 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«, sagt Dr. Matthias
Mühle, Leiter der Gruppe Diamanttechnologien am Fraunhofer USA Center
Midwest CMW. »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 eignet. Die Entwicklung ist
bereits zum Patent angemeldet. Noch in diesem Jahr sollen
Applikationstests mit Invertern und Transformatoren in Anwendungsfeldern
wie der Elektromobilität oder der Telekommunikation starten.