Die Wärmeleitfähigkeit von Diamanten ist unerreicht. Forschenden von Fraunhofer USA ist es nun gelungen, hauchdünne Nanomembranen aus synthetischen Diamanten zu entwickeln, die sich in elektronische Bauteile integrieren lassen. Dort können sie die lokale Wärmebelastung um das bis zu Zehnfache reduzieren – besonders interessant für die Kühlung von Leistungselektronik in den Bereichen Elektromobilität, Photovoltaik oder Speichersysteme. Bei E-Autos beispielsweise wird den Forschenden zufolge Energieeffizienz, Lebensdauer und Fahrleistung durch die Diamantmembranen maßgeblich verbessert, und in der Ladeinfrastruktur tragen sie zu einer fünffach höheren Ladegeschwindigkeit bei.
Bislang verbessert in der Regel 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 soll die neue Diamant-Nanomembran ersetzen. Diese kann die Hitze höchst effektiv an das Kupfer weiterleiten, da Diamant zu leitenden Bahnen verarbeitet werden kann. Und da die Membran flexibel und freistehend ist, lässt sie sich beliebig am Bauteil oder am Kupfer positionieren oder direkt in den Kühlkreislauf integrieren.
Dafür lassen die Forschenden die polykristalline Diamant-Nanomembran auf einem separaten Siliziumwafer wachsen, lösen sie anschließend ab, drehen sie um und ätzen die Rückseite der Diamantschicht weg. So entsteht ein freistehender, glatter Diamant, der sich bei einer Niedrigtemperatur von 80 Grad Celsius 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.
Wie die Forschenden weiter mitteilen, lässt sich die Nanomembran im Wafer-Maßstab von vier Zoll und mehr realisieren, wodurch sie sich für Industrieanwendungen eignet. 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.