Kylning av elektronik är problem som växer i takt med ökande effekttäthet och stigande frekvenser. Det bästa vore om man kunde kyla de delar av kretsarna som blir varmast. Idealet vore att kunna kyla direkt i den punkt i kretsen där värmeutvecklingen är som störst. Det skulle kunna göras med hjälp av kylkanaler i chipset, där kanalerna går genom hål i substratet.

En tidig och djärv idé var att använda diamant - som är elektriskt isolerande men en ypperlig värmeledare - med inbyggda kapillärer, där en vätska skulle transportera bort värmen.

- Det visade sig inte fungera så bra som vi hoppades, säger Klas Hjort, professor vid centrumet för avancerad mikroteknik (Center for Advanced Microengineering, AME) vid ångströmlaboratoriet vid Uppsala Universitet.

- Istället är det bättre att kyla elektroniken direkt genom att låta diamanten leda värmen från elektroniken bort till en kylkropp, eller till ett peltierelement, säger han.

Till kylningen används en tunn film av diamant, som tillverkas genom deponering på en kiselskiva. Själva diamanten framställs då genom att metan (CH4) bryts ned i en atmosfär av väte. Diamanten ångdeponeras i ett 20 µm tjockt skikt ovanpå kislet.

- Det är en enkel och billig metod, och det är faktiskt billigare att göra diamantskivor än att göra kiselskivor. Metoderna för att göra diamantskivor och kiselskivor är faktiskt väldigt lika varandra.

Om diamantfilmen sedan ska användas för att kyla elektronik fäster man diamanten till kylaren genom elektroplätering.

Om kapillärer i diamanten inte visat sig vara den perfekta kyltekniken så är den desto mer lovande för att utnyttja i framtidens biomedicinska analysverktyg som vätskekromatografer. Kapillärerna i diamant kan formas som gångar som leder vätskan från till exempel ett blodprov till olika givare som analyserar den. Där är diamanten perfekt, dels för att det går att göra mikroskopiskt smala gångar, dels för att den är kemiskt resistent.

Processen för att göra kapillärer i diamant börjar med att man lägger ett diamantskikt på kiselskivans ena sida. Sedann etsar man bort kislet så att det bara återstår ett mönster av strängar av kisel på diamanten. Därefter deponerar man ett nytt diamantskikt ovanpå den sida av det första diamantskiktet där kiselsträngarna finns. Då blir kiselsträngarna helt inneslutna av diamant.

För att skapa kapillärerna måste man på något sätt komma åt kiselsträngarna. Det gör man genom att ta bort diamant på de ställen där man vill komma åt kislet. Till sist etsar man bort kiselsträngarna via de öppningarna i diamantskiktet. Den färdiga strukturen är en diamantfilm med långa kapillärer i.

Diamantfilmer kan dock användas till mycket mer, inom såväl mikromekanik och mikroelektronik som optik, något som forskarna i Uppsala koncentrerar sig på att visa.

Det har till exempel visat sig att det går utmärkt att täta pumpar med diamantfilm - där kommer diamantens mekaniska tålighet och låga friktionskoefficient till nytta.

Olika optiska tillämpningar, särskilt med kopplingar till laserteknik ser ut att vara ett stort framtidsområde för diamanttekniken. Det går till exempel utmärkt att göra diffraktiv optik som fresnellinser i diamantfilm, liksom att lägga optiska skikt på polymera strukturer.

Inom optotillämpningar samarbetar Uppsalaforskarna med Chalmers kollegor vid Chalmers för att utveckla mikrooptik. Forskarna vid Chalmers finns på institutionen för mikrovågsteknik samt den helt nya institutionen för mikroelektronik.

Fredrik Nikolajeff forskar i mikrooptik vid ångströmlaboratoriet, men han har ett förflutet som forskare Chalmers institutionen för mikrovågsteknik. Hans specialitet är att integrera de mikrooptiska och de mikroelektroniska systemen i varandra.

- Enkelt uttryckt är vi bra på att duplicera strukturer till större enheter, medan forskarna på Chalmers är bra på att ta fram komponenter.

Mikrooptiken är det som Klas Hjort tycker är mest intressant.

- Diffraktiv optik är roligast att arbeta med, och där lämpar sig diamant väldigt väl. Vi gör till exempel fresnellinser i diamant.

- Diamant har en väldigt stor fördel, och det är att den bildar jämntjocka skikt vid deponeringen. Därför får man en väldefinierad och jämn yta, något som behövs när man arbetar med optik.

- Diamantlinser kan på sikt ersätta de speglar som idag används i högeffektlasrar. Idag åldras materialen i speglarna snabbt, medan diamanten knappt åldras alls. Det skulle vara högintressant för företag som använder högeffektlasrar för svetsning och skärande bearbetning.

- Det borde också gå att använda diamant för att göra optiska routrar. Med hjälp av mikromekaniska routrar skulle man kunna föra ljuset vidare utan att förlora något i intensitet.

Klas Hjort menar att Sverige ligger bra till inom diamantmikroteknik.

- I Sverige ligger vi bland de främsta i världen på det här området, trots att amerikanerna har en mycket större bredd i sitt kunnande än vad vi har. Jag tycker att det finns verkligt bra förutsättningar för att vi ska få framgångsrika svenska företag som utvecklar produkter i den här tekniken.

Text: Per Stymne