Nanomembranas de diamantes sintéticos para refrigerar la electrónica de potencia de vehículos eléctricos

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, de cuatro a cinco veces superior a la del cobre. Por este motivo, es un material especialmente interesante para 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 aumentaban la superficie emisora de calor de los componentes que producen calor, evitando así daños por sobrecalentamiento. Científicos de Fraunhofer USA Inc., Center Midwest CMW de East Lansing, Michigan, una filial internacional independiente de Fraunhofer-Gesellschaft, han desarrollado nanomembranas de diamantes sintéticos 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.

En general, 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 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 Matthias Mühle, jefe del grupo de Tecnologías del Diamante del Centro Fraunhofer USA Midwest CMW. “Como nuestra membrana es flexible y de soporte libre, 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. 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. El desarrollo ya ha sido patentado. Está previsto que este año comiencen las pruebas de aplicación con inversores y transformadores en campos como el transporte eléctrico y las telecomunicaciones.