Freistehende polykristalline Diamant-Nanomembranen: Nach der Wärmebehandlung ist der Diamant ins System integriert. (Bild: Fraunhofer USA, Center Midwest)
Steigende Leistungsdichten und damit verbunden höhere Wärmeableitungen in elektronischen Bauelementen erfordern neue Materialien: Diamant zeichnet sich durch eine vier- bis fünfmal höhere Wärmeleitfähigkeit als die von Kupfer aus. Damit ist das Material besonders interessant für die Kühlung von Leistungselektronik in der Elektromobilität, für Photovoltaik oder Speichersysteme. Wissenschaftler von Fraunhofer USA, 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 sollen die lokale Wärmebelastung der elektronischen Komponenten wie Stromregler in Elektromotoren um das Zehnfache reduzieren können. Energieeffizienz, Lebensdauer und Fahrleistung von E-Autos verbessern sich dadurch maßgeblich und in der Ladeinfrastruktur tragen die Diamantmembranen zu einer fünffach höheren Ladegeschwindigkeit bei.
Diamantmembran ersetzt 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 sollen die Diamant-Nanomembran ersetzen, die die Hitze sehr effektiv an das Kupfer weiterleitet, da sich Diamant zu leitenden Bahnen verarbeiten lässt. Da die Membran flexibel und freistehend ist, lässt sie sich beliebig am Bauteil oder am Kupfer positionieren oder direkt in den Kühlkreislauf integrieren.
Dazu haben die Forscher die polykristalline Diamant-Nanomembran auf einem separaten Siliziumwafer wachsen lassen, anschließend abgelöst, umgedreht und die Rückseite der Diamantschicht weggeätzt. So entsteht ein freistehender, glatter Diamant, der sich bei einer Niedrigtemperatur von 80 °C 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.
Die Nanomembran lässt sich im Wafer-Maßstab (4“ und mehr) realisieren und eignet sich dadurch für Industrieanwendungen; 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.
