Coole harte Fakten über Diamant-Wärmeverteiler

Diamant-Wärmeverteiler – auch bekannt als thermische Verteiler aus Diamant oder Diamant-Kühlkörper – sind passive Komponenten aus synthetischem Diamant, die dazu beitragen, die potenziell schädliche Wärme abzuleiten, die in vielen elektronischen und photonischen Geräten entsteht. Beispiele hierfür sind Hochleistungs-HF-Geräte für die Satellitenkommunikation, Hochleistungslaserdioden, Hochleistungslaserspiegel und Scheibenlaser.

Ein typischer Diamant-Wärmeverteiler ist ein dünner (bis zu 2 mm) Streifen aus synthetischem Diamant, der zwischen der Wärmequelle und einem aktiv oder passiv gekühlten Kühlkörper angeordnet ist. Ein guter mechanischer Kontakt ist unerlässlich. Bei vielen Anwendungen kommt Löten oder Hartlöten zum Einsatz, gelegentlich wird auch eine mechanische Klemmung eingesetzt. Diese Diamant-Wärmeverteiler bieten mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Wärmemanagementmaterialien wie Kupfer oder Aluminium, was sie für Anwendungen wertvoll macht, bei denen eine effiziente Wärmeableitung von entscheidender Bedeutung ist. 

Eine unübertroffene Kombination aus elektrischen und thermischen Eigenschaften

Diamant ist zwar allgemein für seine Härte bekannt, aber es gibt noch zwei weitere Eigenschaften – seine elektrischen und thermischen Eigenschaften – die für die schnell wachsende Verwendung von Diamanten in Wärmeübertragern von entscheidender Bedeutung sind.

Höchste Wärmeleitfähigkeit. Diamant ist ein außergewöhnlicher Wärmeleiter mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 1.500–2.200 W/mK, abhängig von der Produktqualität. Dies ist deutlich höher als bei anderen gängigen Materialien wie Kupfer (bis zu 400 W/mK) und Aluminium (bis zu 220 W/mK). Dank dieser hohen Wärmeleitfähigkeit kann Diamant Wärme effizienter als jedes andere Material von Wärmequellen wegleiten.

Bester elektrischer Isolator: Wenn Sie einem elektronischen Bauteil Wärme entziehen und in einem Metallkühlkörper ableiten möchten, warum sollten Sie dann einen Diamant-Wärmeverteiler als zusätzliche Grenzschicht anstelle des direkten Kontakts verwenden? Der Hauptgrund dafür ist, dass Diamant nicht nur der beste Wärmeleiter, sondern auch ein hervorragender elektrischer Isolator ist. Er hat ähnliche elektrische Eigenschaften wie Glas und Keramik, die schon seit über einem Jahrhundert für die elektrische Isolierung verwendet werden. Ein Diamant-Wärmeverteiler ist also ein erstklassiger Kandidat für jede Anwendung, bei der Sie den höchstmöglichen Wärmefluss und eine elektrische Isolierung benötigen. Deshalb sind so viele seiner Anwendungen mit elektronischen oder photonischen Hochleistungskomponenten verbunden.

Mehrere weitere Vorteile von Diamant

Diamant bietet mehrere weitere Vorteile, die bei bestimmten Anwendungen von Wärmeverteilern eine wichtige Rolle spielen können.

Leicht. Diamond-Wärmeverteiler sind aus zwei Gründen leicht. Erstens ist Diamant ein von Natur aus leichtes Material. Und zweitens, weil es ein so effektiver Isolator mit extrem hohen Durchschlageigenschaften ist, können Wärmeverteiler sehr dünn gehalten werden. Dies ist ein Vorteil bei Satelliten und anderen Luft- und Raumfahrtanwendungen, bei denen das Gesamtgewicht des Systems minimiert werden muss.

Thermische Stabilität. Diamant hat einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, was bedeutet, dass er sich bei Temperaturänderungen nicht wesentlich ausdehnt oder zusammenzieht. Diese Eigenschaft trägt dazu bei, die Integrität von Geräten wie Wärmeverteilern aufrechtzuerhalten, die thermischen Gradienten ausgesetzt sind. Dadurch wird auch die Langzeitstabilität dieser Geräte verbessert.

Korrosionsbeständigkeit. Diamant ist äußerst beständig gegen chemische Korrosion, einschließlich Immunität gegenüber starken Säuren, Basen und sogar organischen Lösungsmitteln. Dies macht Diamant-Wärmeverteiler ideal für industrielle und andere Anwendungen, bei denen raue Umgebungsbedingungen herrschen können.

Außergewöhnliche Härte. Wie den meisten Lesern bereits bekannt sein dürfte, ist Diamant eines der härtesten bekannten Materialien, weshalb synthetischer Diamant zum Beispiel zur Beschichtung von Sägeblättern und anderen Schneidwerkzeugen verwendet wird. Im Zusammenhang mit der Wärmeausbreitung kann diese Zähigkeit für Anwendungen von Vorteil sein, bei denen mechanische Haltbarkeit und Abriebfestigkeit erforderlich sind.

Optisch transparent. Diamant ist optisch transparent, wenn er in hochreiner Form hergestellt wird. Für die meisten Anwendungen von Wärmeverteilern ist eine hohe optische Transparenz nicht erforderlich. Sollte dies jedoch der Fall sein, empfiehlt Coherent die Verwendung unseres optischen Materials anstelle eines unserer thermischen Materialien.

Wie wir bessere synthetische CVD-Diamant-basierte Verteiler herstellen

Coherent stellt Diamant durch einen chemischen Aufdampfungsprozess her. In einer speziellen Hochtemperaturkammer werden intensive Mikrowellen eingesetzt, um ein Plasma in kohlenstoffhaltigem Methangas zu erzeugen. Dadurch werden freie Kohlenstoffatome freigesetzt, die sich auf einer Keimschicht aus Diamant ablagern und langsam einen Wafer aus polykristallinem CVD-Diamant aufbauen. 

Durch die Optimierung dieses Wachstumsprozesses hat Coherent die Fähigkeit zur Erzeugung von polykristallinem CVD-Diamant für eine Vielzahl leistungsstarker Temperaturmanagementanwendungen perfektioniert. Wir bieten verschiedene Wärmequalitäten an, wobei die höchste Qualität eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 2200 W/mK bietet. 

Mit unserer erstklassigen Fertigungsanlage sind wir in der Lage, Teile nach Kundenspezifikationen mit Formen von bis zu 145 mm Durchmesser und Dicken von bis zu 2 mm und mehr herzustellen, die ultraflach und ultraglatt sind. Auf diese Weise können wir einen optimalen Wärmekontakt zu Ihrem Gerät gewährleisten. Unsere Diamant-Wärmeverteiler verteilen die Wärme effektiv und leiten sie von den wärmeerzeugenden Komponenten ab. Dadurch wird das Risiko einer Überhitzung reduziert und die Lebensdauer elektronischer Geräte verlängert.

Thermisches Modell einer Hochleistungslaserdiode auf SiC/Dia/Cu im Vergleich zu reinem Cu-Stack: Die Diode im Modell ist auf eine hohe interne Wärmeentwicklung von 2200 W/mm3 programmiert. Die sechs Strukturen auf der linken Seite sind ein Dioden/SiC/Ti/Diamant-Stack, während die sechs auf der rechten Seite ein Dioden/Cu-Stack sind. Alle zwölf Strukturen sind auf eine wassergekühlte Kupferplatte geklebt.

Wer nutzt also unsere Diamant-Wärmeverteiler?

Diamant-Wärmeverteiler bieten eine attraktive Lösung zur Bewältigung thermischer Probleme und zur Aufrechterhaltung der Leistung und Langlebigkeit kritischer elektronischer und photonischer Komponenten. Aus diesem Grund werden unsere Wärmeverteilerprodukte in Branchen eingesetzt, in denen Effizienz und Zuverlässigkeit von größter Bedeutung sind, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, im Militär und in der Hochleistungsinformatik.

Konkrete Beispiele sind Hochleistungs-CPUs und -GPUs in Computern und Servern, insbesondere in Rechenzentren, wo eine höhere Leistung erforderlich ist, um das Wachstum von Anwendungen für künstliche Intelligenz (AI) und maschinelles Lernen (ML) zu unterstützen. Sie werden auch in vielen LED-Beleuchtungssystemen verwendet, insbesondere in solchen mit hoher Lichtintensität. Weitere Anwendungen unserer Diamant-Wärmeverteiler umfassen Satelliten- und Luft- und Raumfahrtausrüstungen, beispielsweise Hochleistungs-Hochfrequenzgeräte (RF), die in der Satellitenkommunikation eingesetzt werden.

Zu den photonischen Anwendungen für unsere Wärmeverteiler gehören Hochleistungslaserdioden und Laseroptiken. Wir liefern diese auch für den Einsatz mit einigen leistungselektronischen Komponenten. Und schließlich schafft das rasante Wachstum der Elektromobilität und der autonomen Fahrzeuge einen weiteren Markt für unsere Diamant-Wärmeverteiler – für den Einsatz mit einigen der leistungsstarken elektronischen Komponenten.

Wenn Sie Diamant als thermischen Wärmeverteiler verwenden müssen, bietet Ihnen Coherent die coolste Lösung.

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