Was ist ein Diamant-Wärmeverteiler?
Ein Diamant-Wärmeverteiler besteht aus einer dünnen (üblicherweise ≤2 mm) Schicht aus synthetischem (im Labor gezüchtetem) Diamant, die zur Ableitung von Wärme eingesetzt wird. Er wird üblicherweise zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke platziert.
Diamanten werden normalerweise nicht mit dem Wärmemanagement assoziiert, den Materialien und Technologien, mit denen Wärme kontrolliert wird, insbesondere in elektronischen Geräten.
Aber Diamanten sind nicht nur ewig, sondern besitzen auch eine herausragende Wärmeleitfähigkeit, sodass sie potenziell schädliche Wärme in spezialisierter Hochleistungselektronik ableiten können.
Viele elektronische Komponenten werden im Betrieb immer wärmer, und die Entfernung dieser Wärme ist essenziell für die Leistung und Langlebigkeit dieser Komponenten. Wärme kann die Eigenschaften elektronischer Teile verändern, ihre Effizienz senken und sie im Laufe der Zeit sogar beschädigen. Das Wärmemanagement ist die Wissenschaft, sie sich mit der Ableitung von Wärme aus elektronischen Teilen beschäftigt.
Diamant ist zwar allgemein für seine Härte bekannt, aber es gibt noch zwei weitere Eigenschaften – seine elektrische und thermische Leitfähigkeit – die für seine schnell wachsende Verwendung in Wärmeverteilern von entscheidender Bedeutung sind.
Hervorragende Leitfähigkeit, besser als Kupfer oder SiC
Die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu transportieren, wird als Wärmeleitfähigkeit gemessen. Die Wärmeleitfähigkeit wird in Watt pro Meter-Kelvin – W/mK – gemessen. Ein Material mit einem Leitfähigkeitswert von 1 W/mK transportiert Wärme im Umfang von 1 Watt pro Kelvin (oder Celsius) Temperaturunterschied über eine Dicke von 1 Meter.
Üblicherweise wird Kupfer verwendet, um Wärme von elektronischen Bauteilen weg zu transportieren. Er verfügt über eine Wärmeleitfähigkeit von rund 400 W/mK, was ihn für viele Anwendungsbereiche zu einer guten Wahl macht. Kupfer ist jedoch schwer und kann leicht anlaufen und korrodieren. Für das Wärmemanagement in Mikroelektronik, rauen Umgebungen oder im Weltraum, wo jedes Gramm zählt, ist Kupfer keine gute Wahl. Und schließlich ist Kupfer ein guter elektrischer Leiter, was bei der Verwendung für das Wärmemanagement in der Elektronik zu technischen Problemen führen kann.
Diamant besteht aus einer kristallinen Anordnung von gewöhnlichem Kohlenstoff. Mit 1.500–2.200 W/mK verfügt er über die beste Wärmeleitfähigkeit aller Materialien, rund fünfmal mehr als Kupfer. Wie transportiert ein Diamant Wärme so effizient? Die Antwort liegt in seiner Struktur.
Ansicht einer Diamantstruktur
Diamant hat eine kubische Kristallstruktur. Jedes Kohlenstoffatom ist kovalent mit vier anderen Kohlenstoffatomen verbunden und bildet so ein Tetrahedron (eine Pyramidenform). In dieser Struktur gibt es keine freien Elektronen, daher leiten Diamanten keine Elektrizität. Übliche Wärmeleiter wie Kupfer enthalten freie Elektronen, die sie zu starken elektrischen Leitern machen. Sie können Wärme über periphere Elektronen transportieren. Weil Diamant keine Elektrizität leitet, wird Wärme nur durch Atomvibrationen transportiert. In der festen, kontinuierlichen Kristallstruktur von Diamanten können sich diese Vibrationen schnell ausbreiten. Und das führt zu einem schnellen Wärmetransport.
Reinheit ist für die Wärmeleitfähigkeit eines Diamanten von zentraler Bedeutung. Unreinheiten in Diamanten können die Ausbreitung der Vibrationen im Kristallgitter verlangsamen oder unterbrechen, was zu einer geringeren Wärmeleitfähigkeit führt. (Manche Unreinheiten können sogar die zentralen Eigenschaften von Diamanten verändern. Beispielsweise enthält natürlicher blauer Diamant Bor, da ihn zu einem Halbleiter macht.)
Die Kristallstruktur von Diamanten macht sie auch enorm widerstandsfähig gegen Säuren, Basen, Oxidantien und andere Chemikalien. Sie sind das härteste natürlich vorkommende Material, das wir kennen. (Wir kennen härtere Materialien, die künstlich hergestellt werden können, aber diese besitzen nicht die anderen einzigartigen Eigenschaften von Diamanten.)
Diamanten sind ein gutes Material für das Wärmemanagement in Hochleistungselektronik. Diamant-Wärmeverteiler transportieren Wärme sehr viel besser als Kupfer oder Aluminium, die leiten keine Elektrizität, sind leicht, widerstandsfähig gegen Korrosion und extrem langlebig.
Warum Diamant statt Kupfer, Aluminium oder SiC
Es gibt mehrere Gründe dafür, Diamant statt anderen Materialien wie Kupfer, Aluminium oder SiC als Wärmeleiter zu verwenden:
Wärmeleitfähigkeit: Diamant hat eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 1.500 und 2.200 W/mK, der höchste bekannte Wert. Kupfer hat eine Wärmeleitfähigkeit von 400 W/mK, Aluminium liegt nur bei 220 W/mK.
Thermische Stabilität: Diamant weist keine hohe Expansion oder Kontraktion bei verschiedenen Temperaturen auf, er bleibt also über einen hohen Temperaturbereich hinweg sehr stabil. Er behält auch seine Wärmeleitfähigkeit über einen hohen Temperaturbereich bei. Beide dieser Eigenschaften sind wichtig in der Mikroelektronik, wo der verfügbare Platz knapp ist.
3. Widerstandsfähig gegen Korrosion: Diamant ist immun gegen starke Säuren, Basen und sogar organische Lösungsmittel.
4. Elektrische Leitfähigkeit: Diamant leitet keine Elektrizität und ist ein sehr guter Isolator.
5. Langlebigkeit: Diamant ist eines der härtesten bekannten Materialien.
6. Niedriges Gewicht: Diamant ist leicht im Vergleich zu anderen wärmeleitenden Materialien wie Kupfer.
7. Transparenz: Diamant kann transparent sein.
Wie Diamant-Wärmeverteiler hergestellt werden
Diamant-Wärmeverteiler werden wie andere synthetische Diamantmaterialien hergestellt. Starke Mikrowellen bestrahlen Methangas und setzen Kohlenstoffatome frei, die rund um eine Seed-Diamantschicht kristallisieren. Ein Diamant-Wafer wächst langsam mit der Zeit. Diamant-Wärmeverteiler können in vielen Formen und Größen hergestellt werden, sind aber üblicherweise nur 2 mm dick oder noch dünner. Viele sind lichtundurchlässig und schwarz, aber bei Bedarf können sie auch transparent hergestellt werden. Diamant-Wärmeverteiler werden mithilfe leistungsstarker Laser oder anderer Schneidewerkzeuge mit Diamantoberflächen geschnitten und geformt.
Wo werden Diamant-Wärmeverteiler eingesetzt?
Diamant-Wärmeverteiler kommen überall dort zum Einsatz, wo Ingenieure hocheffiziente, leichte, langlebige und isolierende Wärmeleiter benötigen. Sie werden häufig im Hochleistungs-Computing in Rechenzentren, in LED-Lichtsystemen, Elektrofahrzeugen, Radiofrequenzsendern (RF) und Hochleistungs-Lasern verwendet.
Zudem sind sie sehr hilfreich für Geräte, die extremen Bedingungen standhalten müssen, beispielsweise Mikroelektronik für Satelliten oder Flugzeuge. Sie sind ideal geeignet für viele Weltraumanwendungen, da sie leicht, extrem langlebig und elektrisch isolierend sind und auch bei extremen Temperaturen Wärme transportieren können.
Diamant-Wärmeverteiler werden üblicherweise zwischen den Wärme erzeugenden elektronischen Komponenten und größeren Passivkühlern aus anderen Materialien wie SiC, Kupfer oder Aluminium platziert. Sie transportieren die Wärme schnell weg von den elektronischen Bauteilen und in diese größeren Passiv- oder Aktivkühler, wo sie vollständig abgeleitet werden kann.
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