Cara Mengoptimalkan Manajemen Termal Perangkat Elektronik

Pengantar:

Semua perangkat bekerja dengan menghasilkan panas sebagai produk sampingan. Agar perangkat ini tidak terlalu panas, manajemen termal diperlukan. Efisiensi perangkat berbanding terbalik dengan suhu. Selanjutnya, komponen berperforma tinggi menghasilkan panas yang dapat mengurangi masa pakai perangkat dan mengurangi efisiensi. Oleh karena itu, kita perlu menjaga suhu tetap terkendali dengan menghilangkan panas yang dihasilkan dari perangkat ini.

Seiring waktu, perangkat kami semakin kecil, tetapi dengan peningkatan fungsionalitas. Hal ini menyebabkan pemrosesan lebih cepat dan sebagai hasilnya, lebih banyak panas yang dihasilkan dengan konsumsi daya yang meningkat. Demikian pula, alatnya juga dibuat mini untuk menyebarkan panas dan dapat menjadi tantangan bagi para insinyur. Umumnya, disipasi panas harus sebanding dengan disipasi daya, sesuai dengan persamaan daya. Tiga masalah utama yang dihadapi para insinyur dalam mengelola disipasi daya meliputi PCB yang padat, peningkatan kepadatan chip IC, serta ukuran dan mobilitas perangkat.

Beberapa komponen menghasilkan jumlah panas yang rendah sementara perangkat lain menghasilkan jumlah panas yang relatif lebih tinggi. Oleh karena itu, langkah-langkah harus diambil untuk memperpanjang umur dan keandalannya. Biasanya, komponen listrik terisolasi yang menghasilkan panas akan melakukannya sampai panas yang dihasilkan di dalam perangkat menjadi sama dengan panas yang hilang ke lingkungan dan perangkat mencapai keseimbangan. Panas biasanya dihasilkan karena adanya hambatan aliran elektron dalam bahan. Semakin rendah resistansi, semakin besar konduktivitas dan semakin rendah panas yang dihasilkan. Hal ini dibuktikan dengan hukum Joule H=I2Rt.

Manajemen Termal di Perangkat:

Manajemen panas adalah bagian utama dari desain elektronik. Untuk memastikan efisiensi dan akurasi komponen dan titik panas sistem, kelebihan panas harus dipindahkan darinya. Insinyur dapat menggunakan desain termal cerdas untuk mengurangi kesalahan terkait panas. Ada tiga kekuatan pendorong yang ketat yang menuntut bahan untuk manajemen termal.

Pertama, untuk meningkatkan kecepatan, desainer mengompresi inti mikroprosesor ke ukuran yang lebih kecil. Ini memberi kita generasi panas yang lebih tinggi per satuan luas. Akibatnya penurunan suhu yang disebabkan oleh konduksi di dalam mikroprosesor dan penyebar panas menjadi sebanding dengan penurunan suhu maksimum yang diizinkan. Kedua, ada peningkatan kenaikan suhu di interkoneksi antar transistor. Ini karena peningkatan lapisan logam dan peningkatan rapat arus di antara interkoneksi. Ketiga, ada peningkatan kenaikan suhu dalam teknologi transistor kontemporer dan terencana. Penurunan dimensi saluran menyebabkan peningkatan kepadatan daya dan non-keseimbangan elektron-fonon dalam perangkat. Ini menimbulkan tantangan untuk penelitian dalam bahan dan fisika solid-state.

Pendinginan Elektronik:

Menurut hukum pendinginan Newton, laju kehilangan panas sebanding dengan perbedaan suhu antara benda dan lingkungannya. Saat suhu tubuh naik, begitu juga kehilangan panas. Ketika laju kehilangan panas berada dalam keseimbangan dengan laju panas yang dihasilkan, perangkat mencapai suhu keseimbangannya. Suhu ini dapat mengurangi umur komponen dan tindakan tertentu harus diambil untuk manajemen termal.

Salah satu cara untuk mengontrol suhu di sirkuit atau perangkat adalah dengan meningkatkan aliran udara melalui ventilasi. Ini akan menghasilkan suhu operasi yang lebih rendah. Juga, perlu diingat bahwa pengurangan kepadatan atmosfer pada ketinggian yang lebih tinggi menghasilkan perpindahan panas yang kurang efektif ke lingkungan dan suhu pengoperasian yang lebih tinggi. Ada beberapa cara untuk mendinginkan perangkat seperti unit pendingin, pendingin termoelektrik, sistem udara, dan kipas, dll.  

1:Pendingin

Kehilangan panas terjadi pada permukaan komponen dan meningkat dengan bertambahnya luas permukaan. Salah satu cara untuk mengurangi suhu operasi adalah dengan meningkatkan luas permukaan. Ini dilakukan dengan memasang heat-sink logam ke perangkat. Heat-sink biasanya merupakan konduktor panas yang baik seperti tembaga, aluminium dll. Heat sink yang lebih efektif adalah seluruh unit berventilasi baik. Biasanya, dengan heat sink dan komponen bersentuhan, ada celah udara kecil di antara keduanya di atas permukaan. Udara adalah konduktor panas yang buruk sehingga membatasi kehilangan panas dari perangkat. Untuk mengatasi efek ini, senyawa perpindahan panas digunakan.

2:Penyebar panas

Penyebar panas juga digunakan sebagai perangkat pendingin. Mereka adalah pelat atau foil logam konduktif termal yang digunakan untuk mendistribusikan panas ke area yang lebih luas. Ini digunakan sebagai antarmuka termal perantara antara sumber panas dan penukar panas sekunder (heatsink dll.) Penyebar panas dapat diterapkan sebagai pelat pendukung ke PCB dengan komponen penghasil panas. Thermal vias digunakan sebagai saluran termal antara penyebar panas dan paket komponen untuk meningkatkan aliran panas.

3:Pipa panas

Pipa panas adalah tabung berongga tertutup yang berisi cairan atau pendingin. Salah satu ujungnya terpasang ke sumber panas dan ujung lainnya ke penukar panas sekunder (seperti heat sink). Panas yang dihasilkan mendidihkan cairan di salah satu ujung yang bergerak ke ujung yang lebih dingin di mana uap mengembun dan kembali ke ujung yang dipanaskan. Mereka biasanya terbuat dari logam konduktif dan cocok untuk desain papan dengan ruang terbatas.

4:Bahan antarmuka termal

Ini adalah bahan pra-produksi konduktif termal yang tersedia dalam berbagai bentuk (bantalan, perekat, gel, dll.) Bahan ini dirancang untuk mengisi celah udara di antara permukaan kontak. Akibatnya, luas permukaan maksimum digunakan untuk perpindahan panas dan suhu operasi berkurang. Senyawa perpindahan panas bisa banyak jenisnya. Electrolubes menghasilkan pasta konduktif termal yang terdiri dari pengisi mineral dalam cairan pembawa (yang mungkin berbasis non-silikon atau silikon). Pasta berbasis silikon memiliki suhu operasi yang lebih tinggi daripada pasta non-silikon. Penting bahwa saat menggunakan bahan konduktif termal, antarmuka antara perangkat dan unit pendingin terisi penuh.

5:Udara paksa

Memaksakan udara adalah metode lain yang umum digunakan untuk pendinginan. Ini dapat dilakukan dengan menggunakan kipas atau blower untuk meningkatkan aliran udara di atas komponen penghasil panas. Hal ini meningkatkan aliran udara panas menjauh dari heat-sink dan dapat meningkatkan pembuangan panas. Kipas dengan berbagai ukuran dapat digunakan dan penempatannya dapat dioptimalkan untuk meningkatkan jalur aliran.

6:Pompa panas solid-state

Juga dikenal sebagai TEC (pendingin termoelektrik), ini adalah perangkat semikonduktor tipis dan kompak yang ditempatkan di antara sumber panas dan unit pendingin untuk meningkatkan pembuangan panas. Tegangan diterapkan ke TEC yang menciptakan perbedaan suhu antara kedua sisi perangkat dan memungkinkan perpindahan panas melalui konduksi. Meskipun ini tidak terlalu efisien, mereka memindahkan panas dalam jumlah besar dan memiliki umur yang lebih panjang. Selain itu, saat arus dibalik, aliran perpindahan panas akan berbalik, yang mengubah perangkat menjadi pemanas dan terbukti ideal untuk aplikasi dalam kontrol suhu.