Was ist ein Diamant-Wärmeverteiler?
Ein Diamant-Wärmeverteiler eine dünne (in der Regel ≤ 2 mm) Platte aus synthetischem (oder im Labor gezüchtetem) Diamant, die zur Wärmeableitung dient. Er wird in der Regel zwischen einer Wärmequelle und einem Kühlkörper platziert.
Diamanten werden normalerweise nicht mit dem Wärmemanagement in Verbindung gebracht, also den Materialien und Technologien, die zur Wärmeableitung eingesetzt werden, insbesondere in elektronischen Geräten.
Diamanten sind jedoch nicht nur für die Ewigkeit, sondern auch hervorragende Wärmeleiter, die dazu beitragen, potenziell schädliche Wärme in speziellen Hochleistungs-Elektronikgeräten abzuleiten.
Viele elektronische Bauteile erwärmen sich im Betrieb, und die Ableitung dieser Wärme ist entscheidend für ihre Leistungsfähigkeit und Lebensdauer. Wärme kann die Eigenschaften elektronischer Bauteile verändern, wodurch diese an Effizienz verlieren und mit der Zeit sogar beschädigt werden können. Das Wärmemanagement befasst sich mit der Ableitung von Wärme aus Bauteilen.
Diamant ist zwar allgemein für seine Härte bekannt, doch gibt es noch zwei weitere Eigenschaften – seine elektrische Leitfähigkeit und seine Wärmeleitfähigkeit , die für seine zunehmend verbreitete Verwendung in Wärmeverteilern entscheidend sind.
Ein hervorragender Leiter, besser als Kupfer oder SiC
Die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten, wird als Wärmeleitfähigkeit bezeichnet. Wärmeleitfähigkeit in Watt pro Meter-Kelvin (W/mK) gemessen. Ein Material mit einem Wärmeleitfähigkeitswert von 1 W/mK leitet Wärme mit einer Rate von 1 Watt pro Grad Kelvin (oder Celsius) Temperaturunterschied über eine Dicke von 1 Meter.
Kupfer wird häufig verwendet, um Wärme von elektronischen Bauteilen abzuleiten. Es hat eine Wärmeleitfähigkeit etwa 400 W/mK, was es für viele Anwendungen zu einer guten Wahl macht. Kupfer ist jedoch schwer und neigt leicht zu Anlaufen und Korrosion. Es ist kein geeignetes Material für das Wärmemanagement in der Mikroelektronik, in rauen Umgebungen oder in der Luft- und Raumfahrt, wo jedes Gramm zählt. Schließlich ist Kupfer ein guter elektrischer Leiter, was bei der Verwendung für das Wärmemanagement in der Elektronik zu technischen Herausforderungen führen kann.
Diamant ist eine kristalline Anordnung von gewöhnlichem Kohlenstoff. Mit 1.500–2.200 W/mK weist er die höchste Wärmeleitfähigkeit Materialien auf, etwa das Fünffache derjenigen von Kupfer. Wie kommt es, dass Diamant Wärme so gut leitet? Der Schlüssel liegt in seiner Struktur.
Schematische Darstellung des Aufbaus von Diamant.
Diamant hat eine kubische Kristallstruktur. Jedes Kohlenstoffatom ist kovalent an vier andere Kohlenstoffatome gebunden und bildet so ein Tetraeder (Pyramidenform). In dieser Struktur gibt es keine freien Elektronen, daher leitet Diamant keinen Strom. Gängige Wärmeleiter wie Kupfer verfügen über freie Elektronen, die sie elektrisch sehr gut leitfähig machen. Sie können Randelektronen für die Wärmeübertragung nutzen. Da Diamant nicht elektrisch leitfähig ist, wird Wärme nur durch atomare Schwingungen übertragen. Die starre, durchgehende Kristallstruktur des Diamanten ermöglicht es diesen Schwingungen, sich sehr schnell durch ein Diamantstück auszubreiten. Und das führt zu einer schnellen Wärmeleitung.
Die Reinheit ist entscheidend für die Wärmeleitfähigkeit von Diamanten. Verunreinigungen im Diamanten können die Ausbreitung von Gitterschwingungen verlangsamen oder stören, wodurch er Wärme weniger effizient leitet. (Manche Verunreinigungen können sogar die wesentlichen Eigenschaften des Diamanten verändern. So enthält beispielsweise ein natürlicher blauer Diamant Bor, wodurch er zu einem Halbleiter wird.)
Die Kristallstruktur des Diamanten macht ihn zudem äußerst widerstandsfähig gegenüber Säuren, Laugen, Oxidationsmitteln und anderen Chemikalien. Er ist das härteste bekannte natürlich vorkommende Material. (Es gibt zwar speziell entwickelte künstliche Materialien, die noch härter sind, doch verfügen diese nicht über die übrigen einzigartigen Eigenschaften des Diamanten.)
Diamant ist ein hervorragendes Material für das Wärmemanagement in der Hochleistungs-Mikroelektronik. Diamant-Wärmeverteiler leiten Wärme wesentlich besser als Kupfer oder Aluminium, sind elektrisch nicht leitfähig, leicht, korrosionsbeständig und äußerst langlebig.
Warum Diamant statt Kupfer, Aluminium oder SiC?
Es gibt mehrere Gründe, Diamant anstelle anderer Materialien wie Kupfer, Aluminium oder SiC als Wärmeleiter zu verwenden:
Wärmeleitfähigkeit: Diamant hat eine Wärmeleitfähigkeit 1.500 und 2.200 W/mK, die höchste bekannte. Kupfer hat eine Wärmeleitfähigkeit 400 W/mK, Aluminium Wärmeleitfähigkeit 220 W/mK.
Thermische Stabilität: Diamant dehnt sich bei unterschiedlichen Temperaturen kaum aus oder zieht sich zusammen, was bedeutet, dass er über einen weiten Temperaturbereich hinweg sehr stabil bleibt. Außerdem behält er seine Wärmeleitfähigkeit einen weiten Temperaturbereich bei. Beide Eigenschaften sind in der Mikroelektronik, wo Platz Mangelware ist, von entscheidender Bedeutung.
3.Korrosionsbeständigkeit:Diamant ist unempfindlich gegenüber starken Säuren, Laugen und sogar organischen Lösungsmitteln.
4. Elektrische Leitfähigkeit: Diamant leitet keinen Strom und ist ein sehr guter Isolator.
5. Härte:Diamant ist eines der härtesten bekannten Materialien.
6.Geringes Gewicht:Diamant ist im Vergleich zu anderen gängigen wärmeleitenden Materialien wie Kupfer sehr leicht.
7.Transparenz: Diamanten können transparent sein.
Wie Diamant-Wärmeverteiler hergestellt werden
Diamant-Wärmeverteiler werden wie andere synthetische Diamantmaterialien hergestellt. Durch den Einwirkung starker Mikrowellen auf Methangas werden Kohlenstoffatome freigesetzt, die sich um eine Diamant-Keimschicht herum kristallisieren. So wächst im Laufe der Zeit langsam ein Diamantwafer heran. Diamant-Wärmeverteiler können in vielen Formen und Größen hergestellt werden, sind jedoch in der Regel nur 2 mm oder weniger dick. Viele sind undurchsichtig und schwarz, können aber bei Bedarf auch transparent hergestellt werden. Diamant-Wärmeverteiler werden mit leistungsstarken Lasern oder anderen Schneidwerkzeugen 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 in Hochleistungsrechnern in Rechenzentren, LED-Beleuchtungssystemen, Elektrofahrzeugen, Hochfrequenzsendern (HF) und Hochleistungslasern verwendet.
Sie eignen sich zudem besonders gut für Geräte, die extremen Bedingungen standhalten müssen, wie beispielsweise Mikroelektronik in Satelliten oder Flugzeugen. Sie sind ideal für viele Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, da sie leicht, äußerst langlebig und elektrisch isolierend sind und Wärme auch bei extremen Temperaturen leiten können.
Diamant-Wärmeverteiler werden in der Regel zwischen wärmeerzeugenden elektronischen Bauteilen und größeren passiven Kühlkörpern aus anderen Materialien wie SiC, Kupfer oder Aluminium platziert. Sie leiten die Wärmeenergie schnell von der Elektronik in diese größeren passiven oder aktiven Kühlkörper ab, wo sie vollständig abgeleitet werden kann.
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