La course à l’efficacité énergétique passe par le diamant synthétique

Les chercheurs ont réussi à développer des nanomembranes ultra-fines en diamant synthétique capables d’être intégrées dans des composants électroniques. Cette innovation permet de réduire jusqu’à dix fois la charge thermique locale, améliorant ainsi les performances routières et la durée de vie des voitures électriques, tout en réduisant considérablement le temps de charge des batteries.

Le diamant est reconnu pour sa conductivité thermique exceptionnelle, quatre à cinq fois supérieure à celle du cuivre. Cette caractéristique en fait un matériau particulièrement intéressant pour le refroidissement des composants électroniques à forte densité de puissance, tels que ceux utilisés dans les processeurs, les lasers à semi-conducteurs ou les véhicules électriques.

Jusqu’à présent, des dissipateurs thermiques en plaques de cuivre ou d’aluminium étaient utilisés pour augmenter la surface d’émission de chaleur des composants produisant de la chaleur, évitant ainsi les dommages dus à la surchauffe.

Les scientifiques de Fraunhofer USA Inc., Center Midwest CMW à East Lansing dans le Michigan, ont développé des nanomembranes en diamant synthétique plus fines qu’un cheveu humain. Ce matériau flexible peut être intégré directement dans les composants électroniques pour refroidir l’électronique de puissance des véhicules électriques, qui transfère l’énergie de traction de la batterie au moteur électrique et convertit le courant continu en courant alternatif.

Les nanomembranes flexibles et électriquement isolantes développées par Fraunhofer USA ont le potentiel de réduire d’un facteur dix la charge thermique locale des composants électroniques, tels que les régulateurs de courant dans les moteurs électriques. Cela permet d’améliorer significativement l’efficacité énergétique, la durée de vie et les performances routières des voitures électriques.

L’équipe du Dr. Matthias Mühle, responsable du groupe Diamond Technologies chez Fraunhofer USA Center Midwest CMW, a mis au point un procédé permettant de faire croître la nanomembrane en diamant polycristallin sur une plaquette de silicium séparée, puis de la détacher, de la retourner et de graver l’arrière de la couche de diamant.

Il en résulte un diamant lisse et autoportant qui peut être chauffé à basse température (80 degrés Celsius) et ensuite fixé au composant. « Le traitement thermique permet de lier automatiquement la membrane d’une épaisseur de quelques micromètres au composant électronique. Le diamant n’est alors plus autoportant mais intégré au système », explique le chercheur.

La nanomembrane peut être produite à l’échelle d’une plaquette (4 pouces et plus), ce qui la rend bien adaptée aux applications industrielles. Un brevet a déjà été déposé pour cette innovation.

Des tests d’application avec des onduleurs et des transformateurs dans des domaines tels que le transport électrique et les télécommunications devraient débuter cette année. Un autre avantage est que, lorsqu’elles sont utilisées dans l’infrastructure de charge, les membranes en diamant contribuent à des vitesses de charge cinq fois plus élevées.

En synthèse

Les nanomembranes en diamant synthétique développées par Fraunhofer USA représentent une avancée dans le domaine du refroidissement des composants électroniques à forte densité de puissance. Grâce à leur conductivité thermique exceptionnelle et à leur flexibilité, ces membranes peuvent être intégrées directement dans les systèmes électroniques, réduisant ainsi considérablement la charge thermique locale.

Cette innovation ouvre la voie à des améliorations significatives des performances, de la durée de vie et de l’efficacité énergétique des véhicules électriques, ainsi qu’à une réduction des temps de charge des batteries. Les applications potentielles de cette technologie s’étendent à divers domaines, tels que le transport électrique, les télécommunications et la photovoltaïque.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qui rend le diamant si intéressant pour le refroidissement des composants ?

Le diamant possède une conductivité thermique exceptionnelle, quatre à cinq fois supérieure à celle du cuivre, ce qui en fait un matériau idéal pour dissiper la chaleur des composants électroniques à forte densité de puissance.

Comment les nanomembranes en diamant synthétique sont-elles fabriquées ?

Les nanomembranes en diamant polycristallin sont d’abord cultivées sur une plaquette de silicium séparée, puis détachées, retournées et gravées à l’arrière de la couche de diamant. Le résultat est un diamant lisse et autoportant qui peut être fixé au composant électronique après un traitement thermique à basse température.

Avantages des nanomembranes en diamant pour les véhicules électriques ?

Les nanomembranes en diamant peuvent réduire jusqu’à dix fois la charge thermique locale des composants électroniques, améliorant ainsi les performances routières, la durée de vie et l’efficacité énergétique des voitures électriques. Elles contribuent également à des vitesses de charge cinq fois plus élevées lorsqu’elles sont utilisées dans l’infrastructure de charge.

Quelles sont les autres applications potentielles de cette technologie ?

En plus du transport électrique, les nanomembranes en diamant synthétique peuvent trouver des applications dans des domaines tels que les télécommunications, la photovoltaïque et les systèmes de stockage d’énergie.

Où en est le développement de cette technologie ?

Un brevet a déjà été déposé pour cette innovation, et des tests d’application avec des onduleurs et des transformateurs dans des domaines tels que le transport électrique et les télécommunications devraient débuter cette année.

Références

Fraunhofer USA Inc., Center Midwest CMW. (2023). Des nanomembranes en diamant synthétique pour un refroidissement efficace des composants électroniques. East Lansing, Michigan, États-Unis.