Carga más rápida con diamantes
Aumentar el rendimiento en carretera y la vida útil de los coches eléctricos y reducir significativamente los tiempos de carga
El diamante es conocido por su extraordinaria conductividad térmica. Por eso resulta ideal para refrigerar componentes electrónicos de alta densidad de potencia, como los utilizados en procesadores, láseres semiconductores o vehículos eléctricos. Investigadores de Fraunhofer USA, una filial internacional independiente de Fraunhofer-Gesellschaft, han logrado desarrollar nanomembranas delgadas como obleas a partir de diamantes sintéticos que pueden integrarse en componentes electrónicos, reduciendo así hasta diez veces la carga térmica local. Esto contribuye a mejorar las prestaciones en carretera y la vida útil de los coches eléctricos y reduce significativamente el tiempo de carga de las baterías.
Fotografías de nanomembranas independientes de diamante policristalino
© Fraunhofer USA, Center Midwest
El aumento de la densidad de potencia y la consiguiente mayor disipación del calor en los componentes electrónicos requieren nuevos materiales. El diamante es conocido por su alta conductividad térmica, entre cuatro y cinco veces superior a la del cobre. Por esta razón, es un material especialmente interesante cuando se trata de refrigerar componentes electrónicos de potencia en el transporte eléctrico, la energía fotovoltaica o los sistemas de almacenamiento. Hasta ahora, los disipadores de calor fabricados con placas de cobre o aluminio aumentaban la superficie emisora de calor de los componentes que producen calor, evitando así daños por sobrecalentamiento. Científicos del Fraunhofer USA Inc., Center Midwest CMW de East Lansing en Michigan, una filial internacional independiente de la Fraunhofer-Gesellschaft, han desarrollado ahora nanomembranas a partir de diamantes sintéticos que son más finas que un cabello humano. Este material flexible puede integrarse directamente en componentes electrónicos para refrigerar la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos, que transfiere la energía de tracción de la batería al motor eléctrico y convierte la corriente continua en alterna. Las nanomembranas flexibles y eléctricamente aislantes desarrolladas por Fraunhofer USA tienen el potencial de reducir diez veces la carga térmica local de los componentes electrónicos, como los reguladores de corriente de los motores eléctricos. La eficiencia energética, la vida útil y el rendimiento en carretera de los coches eléctricos mejoran considerablemente gracias a ello. Otra ventaja es el hecho de que, cuando se utilizan en la infraestructura de carga, las membranas de diamante contribuyen a que la velocidad de carga sea cinco veces mayor.
Las membranas de diamante sustituyen a la capa intermedia aislante
En general, la aplicación de 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 aislante de la electricidad, que tiene poca conductividad térmica. "Queremos sustituir esta capa intermedia por nuestra nanomembrana de diamante, que es extremadamente eficaz a la hora de transferir calor al cobre, ya que el diamante puede procesarse en trayectorias conductoras", explica el Dr. Matthias Mühle, jefe del grupo de Tecnologías del Diamante del Centro Fraunhofer USA Midwest CMW. "Como nuestra membrana es flexible e independiente, puede colocarse en cualquier parte del componente o del cobre o integrarse directamente en el circuito de refrigeración".
Mühle y su equipo lo consiguen cultivando la nanomembrana de diamante policristalino en una oblea de silicio independiente, separándola después, dándole la vuelta y grabando la parte posterior de la capa de diamante. El resultado es un diamante liso y autónomo que puede calentarse a una temperatura baja de 80 grados Celsius y fijarse posteriormente al componente. "El tratamiento térmico adhiere automáticamente la membrana micrométrica al componente electrónico. Así, el diamante deja de ser independiente y se integra en el sistema", explica el investigador.
La nanomembrana puede fabricarse a escala de oblea (a partir de 4 pulgadas), lo que la hace idónea para aplicaciones industriales. Ya se ha solicitado la patente de este desarrollo. Está previsto que este año comiencen las pruebas de aplicación con inversores y transformadores en campos como el transporte eléctrico y las telecomunicaciones.
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