Fotografias de nanomembranas de diamante policristalino independentes. Crédito:Fraunhofer-Gesellschaft O diamante é conhecido por sua excelente condutividade térmica. Isso torna o material ideal para resfriar componentes eletrônicos com altas densidades de potência, como aqueles usados em processadores, lasers semicondutores ou veículos elétricos.
Pesquisadores da Fraunhofer U.S., uma afiliada internacional independente da Fraunhofer-Gesellschaft, conseguiram desenvolver nanomembranas finas a partir de diamantes sintéticos que podem ser integradas em componentes eletrônicos, reduzindo assim a carga de calor local em até dez vezes. Isto ajuda a melhorar o desempenho na estrada e a vida útil dos carros elétricos e reduz significativamente o tempo de carregamento da bateria.
Um aumento na densidade de potência e a consequente maior dissipação de calor em componentes eletrônicos requerem novos materiais. O diamante é conhecido por sua alta condutividade térmica, quatro a cinco vezes maior que a do cobre. Por esta razão, é um material particularmente interessante quando se trata de resfriamento de eletrônica de potência em transporte elétrico, energia fotovoltaica ou sistemas de armazenamento.
Até agora, os dissipadores de calor feitos de placas de cobre ou alumínio aumentaram a superfície emissora de calor dos componentes que produzem calor, evitando assim danos devido ao superaquecimento. Cientistas da Fraunhofer U.S. Inc., Center Midwest CMW em East Lansing, Michigan, uma afiliada internacional independente da Fraunhofer-Gesellschaft, desenvolveram agora nanomembranas a partir de diamantes sintéticos que são mais finos que um fio de cabelo humano. O material flexível pode ser integrado diretamente em componentes eletrônicos para resfriar a eletrônica de potência em veículos elétricos, que transferem a energia de tração da bateria para o motor elétrico e convertem a corrente de corrente contínua em corrente alternada.
As nanomembranas flexíveis e eletricamente isolantes desenvolvidas pela Fraunhofer U.S. têm o potencial de reduzir a carga de calor local de componentes eletrônicos, como reguladores de corrente em motores elétricos, por um fator de dez. Como resultado, a eficiência energética, a vida útil e o desempenho na estrada dos carros elétricos são melhorados significativamente. Outra vantagem é o facto de, quando utilizadas na infraestrutura de carregamento, as membranas diamantadas contribuem para velocidades de carregamento cinco vezes superiores. Imagens SEM de nanomembrana de diamante que é dobrada elasticamente sob impacto externo de força mecânica. Crédito:Fraunhofer-Gesellschaft Membranas diamantadas substituem a camada intermediária isolante
De um modo geral, a aplicação de uma camada de cobre por baixo do componente melhora o fluxo de calor. No entanto, existe uma camada de óxido ou nitreto eletricamente isolante entre o cobre e o componente, que possui baixa condutividade térmica.
“Queremos substituir esta camada intermediária pela nossa nanomembrana de diamante, que é extremamente eficaz na transferência de calor para o cobre, já que o diamante pode ser processado em caminhos condutores”, diz o Dr. Matthias Mühle, chefe do grupo Diamond Technologies no Fraunhofer U.S. Centro Centro-Oeste CMW. "Como nossa membrana é flexível e independente, ela pode ser posicionada em qualquer lugar do componente ou do cobre ou integrada diretamente no circuito de resfriamento."
Mühle e sua equipe conseguem isso cultivando a nanomembrana de diamante policristalino em um wafer de silício separado, depois separando-o, virando-o e gravando a parte de trás da camada de diamante. Isso resulta em um diamante liso e independente que pode ser aquecido a uma temperatura baixa de 80°C e posteriormente fixado ao componente. “O tratamento térmico liga automaticamente a membrana de espessura micrométrica ao componente eletrônico. O diamante deixa de ser independente e passa a ser integrado ao sistema”, explica o pesquisador.
A nanomembrana pode ser produzida em escala de wafer (4 polegadas e maior), tornando-a adequada para aplicações industriais. Uma patente já foi registrada para o desenvolvimento. Os testes de aplicação com inversores e transformadores em áreas de aplicação como transporte elétrico e telecomunicações devem começar este ano.
