El diamante es conocido por su excelente conductividad térmica. Esto hace que el material sea ideal para enfriar componentes electrónicos con altas densidades de potencia, como los utilizados en procesadores, láseres semiconductores o vehículos eléctricos.
Investigadores de Fraunhofer U.S., una filial internacional independiente de Fraunhofer-Gesellschaft, han logrado desarrollar nanomembranas finísimas a partir de diamantes sintéticos que pueden integrarse en componentes electrónicos, reduciendo así la carga de calor local hasta diez veces. Esto ayuda a mejorar el rendimiento en carretera y la vida útil de los coches eléctricos y reduce significativamente el tiempo de carga de la batería.
El aumento de la densidad de potencia y la consiguiente mayor disipación de calor en los componentes electrónicos requieren nuevos materiales. El diamante es conocido por su alta conductividad térmica, que es de cuatro a cinco veces mayor que la del cobre. Por este motivo, es un material especialmente interesante a la hora de refrigerar la electrónica de potencia en sistemas de transporte eléctrico, fotovoltaicos o de almacenamiento.
Hasta ahora, los disipadores de calor fabricados con placas de cobre o aluminio han aumentado la superficie emisora de calor de los componentes que producen calor, evitando así daños por sobrecalentamiento. Los científicos de Fraunhofer U.S. Inc., Center Midwest CMW en East Lansing, Michigan, una filial internacional independiente de Fraunhofer-Gesellschaft, han desarrollado nanomembranas a partir de diamantes sintéticos que son más delgadas que un cabello humano. El material flexible se puede integrar directamente en componentes electrónicos para enfriar la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos, que transfieren la energía de tracción de la batería al motor eléctrico y convierten la corriente de corriente continua a corriente alterna.
Las nanomembranas flexibles y eléctricamente aislantes desarrolladas por Fraunhofer U.S. tienen el potencial de reducir en un factor de diez la carga de calor local de los componentes electrónicos, como los reguladores de corriente de los motores eléctricos. Como resultado de ello, la eficiencia energética, la vida útil y el rendimiento en carretera de los coches eléctricos mejoran significativamente. Otra ventaja es el hecho de que, cuando se utilizan en la infraestructura de carga, las membranas de diamante contribuyen a velocidades de carga cinco veces mayores.
Membranas de diamante reemplazan la capa intermedia aislante
En términos generales, aplicar una capa de cobre debajo del componente mejora el flujo de calor. Sin embargo, entre el cobre y el componente hay una capa de óxido o nitruro eléctricamente aislante, que tiene una conductividad térmica deficiente.
"Queremos sustituir esta capa intermedia por nuestra nanomembrana de diamante, que es extremadamente eficaz para transferir calor al cobre, ya que el diamante se puede transformar en caminos conductores", afirma el Dr. Matthias Mühle, jefe del grupo Diamond Technologies en Fraunhofer U.S. Centro Medio Oeste CMW. "Como nuestra membrana es flexible y autónoma, puede colocarse en cualquier lugar del componente o del cobre o integrarse directamente en el circuito de refrigeración."
Mühle y su equipo logran esto haciendo crecer la nanomembrana de diamante policristalino en una oblea de silicio separada, luego separándola, dándole la vuelta y grabando la parte posterior de la capa de diamante. Esto da como resultado un diamante liso e independiente que puede calentarse a una temperatura baja de 80 °C y posteriormente fijarse al componente. "El tratamiento térmico une automáticamente la membrana de un micrómetro de espesor al componente electrónico. El diamante ya no está independiente, sino integrado en el sistema", explica el investigador.
La nanomembrana se puede producir a escala de oblea (4 pulgadas y más), lo que la hace muy adecuada para aplicaciones industriales. Ya se ha presentado una patente para el desarrollo. Este año comenzarán las pruebas de aplicación con inversores y transformadores en campos de aplicación como el transporte eléctrico y las telecomunicaciones.
Proporcionado por Fraunhofer-Gesellschaft
