Een flinterdun laagje diamant is uitermate geschikt om de hitte af te voeren die in elektronische componenten ontstaat. Op termijn kan dat ertoe leiden dat bijvoorbeeld het opladen van de elektrische auto veel sneller gaat. Dat laten onderzoekers van de Amerikaanse afdeling van het Duitse Fraunhofer Gesellschaft zien.
Wie wel eens een computer of een audioversterker heeft opengemaakt, kent de omhoog staande vinnen van aluminium of koper, zie de foto boven dit artikel. Die zijn bedoeld om de warmte af te voeren die ontstaat in de elektronische componenten. Dankzij zijn grote oppervlakte draagt het metaal die warmte effectief over aan de lucht.
Onderzoekers van het Fraunhofer Institut in de Verenigde Staten werken nu aan een nieuwe, aanvullende manier om overtollige warmte in elektronica af te voeren. De ontwerpers van computers, accupakketten en andere apparaten kunnen over een paar jaar ook gebruikmaken van een membraan van diamant. Dat verlaagt de lokale warmtebelasting met een factor tien, is de inschatting van de betrokken ingenieurs.
‘Diamant is één van de materialen die het beste warmte geleiden’, vertelt Matthias Mühle via Zoom vanuit Michigan. Hij is hoofd van de Diamond Technologies-groep van het Fraunhofer USA Center Midwest CMW in East Lansing, Michigan. Deze onderzoeksgroep houdt zich al twintig jaar bezig met coatings en diamant-technologie.
‘Onze oorspronkelijke opzet was om de gehele heat sink – de koelplaat – uit diamant te maken.’ Het bleek voorlopig echter nog te ingewikkeld om warmte-afvoerende vinnen volledig van diamant te maken, dus daarom kozen Mühle en collega’s voor een dun laagje diamant. Dat komt tussen de chip – of een andere elektronische component – en de koelplaat van aluminium te zitten, en voert de warmte veel beter af dan het laagje metaaloxide dat hier nu vaak zit.
‘In de toekomst verwachten we dat de hele koelplaat van diamant zal zijn, maar voor nu is dit de best haalbare oplossing, die past bij Fraunhofers doel: bestaande technologie verbeteren met maximale positieve impact voor de maatschappij.’
Peperduur
Een vraag die Mühle vaker krijgt: diamant is toch peperduur? Maar het gaat hier om synthetisch diamant, een verschijningsvorm van koolstof die in het laboratorium wordt gemaakt. ‘Daarnaast is het polykristallijn diamant’, voegt Mühle toe. ‘Het membraan bestaat uit miljoenen kleine kristallen van koolstofatomen die per domeintje zijn geordend in een diamantrooster.’ Deze vorm van het materiaal is veel gemakkelijker te produceren dan monokristallijn diamant. Het diamant dat bekend is van de glimmende edelsteen is monokristallijn diamant.
Het membraan is ongeveer 1,5 micrometer dik en wordt gemaakt met een techniek die microwave plasma enhanced chemical vapor deposition (CVD) heet. Een hele mond vol, maar het komt erop neer, legt Mühle uit, dat ‘je de gassen waterstof en methaan in een reactor brengt. Er vindt een reeks chemische reacties plaats, waarbij de koolstofatomen loskomen en rondzweven. Die slaan dan neer op het gewenste substraat en ze klikken dan in het gewenste atoomrooster van diamant, alsof het legoblokjes zijn. Het groeien van een laag duurt ongeveer een dag. De apparatuur die we gebruiken is redelijk standaard in de halfgeleiderindustrie.’
Flexibel
Bijkomend voordeel van de geringe dikte van het membraan is dat het diamant er flexibel van wordt. In de vorm van een zeer dun plakje is het heel buigzaam, wat te zien is op de foto hieronder.
Hitte noodgedwongen afvoeren
Het afvoeren van warmte in elektronica wordt steeds belangrijker, omdat de componenten kleiner worden en dichter op elkaar komen te zitten. Zou je de hitte niet afvoeren, dan gaan er dingen stuk. ‘Een goed voorbeeld is de elektrische auto. De elektromotoren daarin zijn begrensd. Eigenlijk kunnen ze best meer vermogen leveren, maar dan zou je de warmte beter moeten afvoeren’, legt Mühle uit. ‘Andersom kun je er ook voor kiezen om de betere koeling in te zetten om de efficiëntie van de aandrijflijn te verbeteren.’ Dan zou de auto zuiniger worden.
Sneller accu's opladen
Een vergelijkbaar verhaal gaat op voor het opladen van accu’s. Wil je dat sneller doen, dan moet het vermogen omhoog. Mühle: ‘Bij gelijkblijvende spanning moet dan de stroomsterkte omhoog. Dat veroorzaakt meer warmteontwikkeling, die moet worden weggekoeld.’
Het nieuwe materiaal van het Fraunhofer-instituut voorziet dus in een behoefte. Mogelijk dat over een paar jaar hierdoor de accupakketten van elektrische auto’s sneller kunnen worden opgeladen. ‘De toepassingen van het diamanten membraan zijn legio’, zegt Mühle.
Product op de markt brengen
‘We gaan nu een demonstrator bouwen, waarmee we aan bedrijven kunnen laten zien hoe het diamanten membraan werkt. Binnen een jaar of drie hopen we dan klaar te zijn om met een industriële partner samen een product op de markt te brengen.’
Openingsfoto: koelvinnen op een printplaat vol elektronische componenten. Foto Depositphotos. Overige foto's Fraunhofer Gesellschaft
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.