Il diamante è noto per la sua eccezionale conduttività termica. Ciò rende il materiale ideale per il raffreddamento di componenti elettronici con densità di potenza elevate, come quelli utilizzati nei processori, nei laser a semiconduttore o nei veicoli elettrici.
I ricercatori della Fraunhofer U.S., un'affiliata internazionale indipendente della Fraunhofer-Gesellschaft, sono riusciti a sviluppare nanomembrane sottilissime da diamanti sintetici che possono essere integrate in componenti elettronici, riducendo così il carico termico locale fino a dieci volte. Ciò contribuisce a migliorare le prestazioni su strada e la durata delle auto elettriche e riduce significativamente il tempo di ricarica della batteria.
L'aumento della densità di potenza e la conseguente maggiore dissipazione del calore nei componenti elettronici richiedono nuovi materiali. Il diamante è noto per la sua elevata conduttività termica, da quattro a cinque volte superiore a quella del rame. Per questo motivo è un materiale particolarmente interessante quando si tratta di raffreddare l'elettronica di potenza nei sistemi di trasporto elettrico, fotovoltaico o di accumulo.
Finora i dissipatori realizzati con piastre di rame o alluminio aumentavano la superficie di emissione del calore dei componenti che producono calore, prevenendo così danni dovuti al surriscaldamento. Gli scienziati della Fraunhofer U.S. Inc., Center Midwest CMW di East Lansing nel Michigan, un'affiliata internazionale indipendente della Fraunhofer-Gesellschaft, hanno ora sviluppato nanomembrane da diamanti sintetici più sottili di un capello umano. Il materiale flessibile può essere integrato direttamente nei componenti elettronici per raffreddare l'elettronica di potenza nei veicoli elettrici, che trasferiscono l'energia di trazione dalla batteria al motore elettrico e convertono la corrente da corrente continua a corrente alternata.
Le nanomembrane flessibili ed elettricamente isolanti sviluppate da Fraunhofer U.S. hanno il potenziale di ridurre di un fattore dieci il carico termico locale dei componenti elettronici, come i regolatori di corrente nei motori elettrici. Di conseguenza, l’efficienza energetica, la durata e le prestazioni su strada delle auto elettriche migliorano notevolmente. Un altro vantaggio è il fatto che, se utilizzate nell'infrastruttura di ricarica, le membrane diamantate contribuiscono a raggiungere velocità di ricarica cinque volte superiori.
Le membrane diamantate sostituiscono lo strato intermedio isolante
In generale, l’applicazione di uno strato di rame sotto il componente migliora il flusso di calore. Tuttavia, tra il rame e il componente è presente uno strato di ossido o nitruro elettricamente isolante, che ha una scarsa conduttività termica.
"Vogliamo sostituire questo strato intermedio con la nostra nanomembrana di diamante, che è estremamente efficace nel trasferire il calore al rame, poiché il diamante può essere trasformato in percorsi conduttivi", afferma il Dr. Matthias Mühle, capo del gruppo Diamond Technologies presso il Fraunhofer U.S. Centro Midwest CMW. "Poiché la nostra membrana è flessibile e indipendente, può essere posizionata ovunque sul componente o sul rame o integrata direttamente nel circuito di raffreddamento."
Mühle e il suo team ottengono questo risultato facendo crescere la nanomembrana di diamante policristallino su un wafer di silicio separato, quindi staccandolo, capovolgendolo e incidendo via la parte posteriore dello strato di diamante. Il risultato è un diamante liscio e indipendente che può essere riscaldato a una temperatura bassa di 80°C e successivamente fissato al componente. "Il trattamento termico lega automaticamente la membrana spessa un micrometro al componente elettronico. Il diamante quindi non è più indipendente ma integrato nel sistema", spiega il ricercatore.
La nanomembrana può essere prodotta su scala wafer (4 pollici e più), rendendola particolarmente adatta per applicazioni industriali. È già stato depositato un brevetto per lo sviluppo. Quest'anno dovrebbero iniziare i test applicativi con inverter e trasformatori in campi applicativi come il trasporto elettrico e le telecomunicazioni.
Fornito da Fraunhofer-Gesellschaft
