Heat sinks adalah komponen paling mudah diabaikan dalam mesin dan rangkaian listrik. Namun, ini bukan kasus saat merancang hardware karena heat sinks berfungsi sangat penting. Hampir semua teknologi termasuk CPU, dioda, dan transistor menghasilkan energi termal yang dapat menurunkan performa termal dan membuat operasi tidak efisien.
Untuk mengatasi tantangan penyerapan panas, berbagai jenis heat sinks dirancang untuk melayani berbagai elemen dan menjaga mereka operasi pada suhu yang paling cocok.
Dengan perkembangan cepat teknologi (terutama nano-tech) dan membuat hal semakin kompak dan efisien, desain heat sink yang tepat telah menjadi keseimbangan saat memproduksi produk listrik. Jadi, artikel ini akan membahas detail dan pertimbangan desain heat sinks.
Apa Itu Heat Sink?
Heat sink adalah perangkat yang menghilangkan panas berlebih dari komponen lain. Dalam rangkaian terpadu, heat sink terbuat dari material dengan konduktivitas termal tinggi untuk membuang panas yang tidak diinginkan. Ia bekerja dengan memperluas area permukaan dan memungkinkan udara atau cairan yang lebih dingin melewati area permukaannya.
Menurut hukum Fourier, panas berpindah dari area yang lebih panas ke area yang lebih dingin. Heat sink berdasarkan hukum ini bekerja melalui gradien suhu. Ia mengambil panas yang tidak diinginkan yang dihasilkan dalam komponen listrik dan mentransfernya ke udara atau cairan yang lebih dingin melalui metode transfer panas seperti konduksi atau konveksi alami.
Jenis Heat Sinks
Langkah pertama dalam mengidentifikasi desain heat sink adalah menentukan tipe konfigurasi. Ada dua tipe heat sink populer.
Heat Sink Pasif
Heat sink pasif adalah opsi konvensional, mereka menggunakan aliran udara alami. Konveksi alami terbentuk di seluruh heat sink yang memindahkan panas dari komponen. Mereka lebih murah untuk dioperasikan dan tidak memerlukan daya listrik tambahan untuk berfungsi.
Heat Sink Aktif
Heat sink aktif lebih efisien dan kuat, tetapi mereka memerlukan konveksi paksa yang menggunakan udara atau cairan untuk membuat transfer panas mungkin. Mereka dapat dengan mudah diidentifikasi karena mereka menggunakan perangkat yang dikaitkan listrik seperti kipas di dekat heat sink.
Memilih salah satu heat sink menghasilkan variasi dalam desain. Misalnya, heat sink aktif yang bergantung pada kipas memerlukan area permukaan yang lebih kecil dan material yang lebih ringan untuk membuang jumlah panas yang sama seperti konduktor pasif.
Faktor dan Pertimbangan dalam Desain Heat Sink
Setiap heat sink bekerja pada prinsip umum yang sama. Pertama, panas dihasilkan dalam komponen dan heat sink membantu dalam penyerapan panas tersebut. Heat sink yang terpasang pada komponen atau rangkaian menerima panas melalui konduksi atau melalui heat pipe. Konduktivitas termal material heat sink mempengaruhi proses ini secara signifikan.
Selanjutnya, transfer panas terjadi di seluruh heat sink. Heat exchanger pasif atau heat sink lebih panas di dekat sumber panas dan lebih dingin di ujung lainnya, sehingga konduksi alami mentransfer panas tidak merata di seluruh permukaan.
Setelah ini, panas membuang diri melalui konveksi alami dan paksa. Udara atau cairan yang melewati di atas permukaan heat sink menghapus panas yang dihasilkan menggunakan difusi dan mentransfernya ke udara sekitar.
Sampai saat ini, jelas banyak faktor mempengaruhi performa heat sink termasuk material, geometri, dan jenis pendingin. Desain heat sink sebelum membuatnya harus mempertimbangkan parameter ini.
1. Resistensi Termal
Resistensi termal dapat didefinisikan sederhana sebagai resistensi termal gabungan yang dihadapi panas yang dihasilkan saat bergerak melalui gradien suhu. Ini mencakup resistensi termal dalam assembly heat sink, gesekan apa pun, dan pemborosan energi termal karena resistensi antara pendingin dan permukaan heat exchanger.
Resistensi termal dapat dihitung menggunakan nilai resistensi termal. Sangat membantu untuk menemukan resistensi termal paling efektif untuk komponen dan IC.
2. Jenis Material
Desain heat sink sangat dipengaruhi oleh pilihan material. Material populer untuk heat sink termasuk alloy aluminium seperti AA 6063-T6 dan tungsten tembaga atau tembaga-molibdenum. Heat sink tembaga menawarkan konduktivitas termal yang baik dan resistensi korosi tetapi lebih berat dan lebih mahal dari pada aluminium. Selain itu, Chemical Vapor Diamonds (CVDs), batu permata yang ditanam di laboratorium digunakan karena konduktivitas termal mereka yang berasal dari getaran dalam struktur jaringannya.
Perangkat lain yang menghasilkan panas yang dipengaruhi oleh resistensi termal termasuk baterai lithium-ion yang digunakan dalam mobil dan memindahkan panas dari baterai ini sangat penting, jika tidak, thermal runaway dapat menyebabkan reaksi rantai yang merusak baterai. Heat sink serat karbon dengan konduktivitas lebih tinggi menawarkan solusi manajemen termal untuk industri mobil.
3. Fin Heat Sink
Fin adalah komponen heat sink yang memungkinkan transfer panas dari heat sink menuju suhu sekitar. Bentuk dan lokasi dapat secara besar mempengaruhi cara heat sink mentransfer energi sementara ukuran dan jumlah fin yang banyak menentukan efisiensinya.
3.1 Pengaturan, Bentuk, Ukuran, dan Lokasi Fin
Fin adalah tempat fluida pendingin seperti udara melewati heat sink yang memungkinkan penyerapan panas. Oleh karena itu, pengaturan dan ukuran penting dalam konstruksi heat sink. Meningkatkan faktor-faktor ini dapat menghasilkan penyerapan panas yang lebih baik dan aliran panas yang lebih mudah. Dalam studi di Science Direct, temuan laporan membahas bagaimana bentuk dapat mempengaruhi manajemen termal heat sink.
“Hasil menunjukkan bahwa fin lingkaran meningkatkan performa termal heat sink dan menurunkan resistensi termal sebesar 25% dan 12% dibandingkan dua bentuk lainnya” – Case Studies in Thermal Engineering
3.2 Efisiensi Fin
Komponen listrik dalam unit teknologi luas seperti server menghasilkan panas berlebih. Transfer panas yang lambat dapat mengurangi performa dan umur. Heat pipe dan pendingin cairan memiliki potensi besar, tetapi heat exchanger dengan fin esensial untuk menyerap panas secara andal dan berkelanjutan.
Fin memperluas permukaan untuk daya penyerapan dalam komponen listrik, dan faktor seperti ketebalan, tinggi, dan resistensi termal mempengaruhi efisiensi fin. Untuk meningkatkan efisiensi, lapisan batas termal dibuat lebih tipis, dan arah udara diatur pada sudut optimal dengan heat sink itu sendiri terbuat dari material dengan konduktivitas termal tinggi.
4. Material Antarmuka Termal
Heat sink harus dipasang pada komponen dan rangkaian listrik. Saat melakukannya, antarmuka antara heat exchanger dan komponen listrik biasa disebut material antarmuka termal.
Resistensi antarmuka termal dapat mengurangi efisiensi heat sink dan kekasaran permukaan, serta udara yang terperangkap dan void dapat meningkatkan resistensi kontak termal. Secara alami, dengan cacat dalam antarmuka ini, transfer panas buruk dan untuk menurunkan resistensi termal berbagai material antarmuka termal seperti yang mengubah fase digunakan. Resistensi termal komponen menurun saat udara dihapus dan void diisi, memastikan kontak yang sempurna.
5. Metode Pasang Heat Sink
Heat sink digunakan di berbagai tempat termasuk komponen mekanis. Pilihan pemasangan heat sink dapat secara signifikan meningkatkan daya penyerapan maksimum dan membuang lebih banyak energi panas. Metode yang banyak digunakan meliputi thermal tape, epoxy, klip, dan push-pins.
Banyak faktor dalam desain heat sink mempengaruhi pilihan pemasangan. Misalnya, heat sink berat tidak dapat didukung oleh thermal tape. Epoxy adalah pilihan yang baik dalam solusi manajemen termal tetapi mahal dan memerlukan keterampilan untuk diterapkan.
Desain Heat Sink: Perhitungan Resistensi Termal
Desain heat sink menyelesaikan geometri dan fungsionalitas untuk tujuan yang diinginkan. Namun, untuk menilai performa seberapa baik heat sink membuang panas, beberapa perhitungan resistensi termal diperlukan.
Beberapa istilah yang perlu diketahui:
Tjunction : Suhu operasi maksimum junction
Tambient : Suhu udara sekitar
Q : Panas yang dihasilkan
Tjunction-case : Resistensi junction ke casing
Tinterface : Resistensi material antarmuka
Theatsink : Resistensi termal heat sink
Total resistensi termal adalah resistensi terhadap aliran panas dari junction ke casing, resistensi termal material antarmuka, dan resistensi antara heat sink dan udara sekitar.
Perhitungan di atas juga digunakan pada tahap desain untuk membuat perbandingan antara berbagai material, dan antarmuka dan untuk menemukan resistensi termal yang tepat yang cocok dengan suhu operasi maksimum komponen.
Desain Heat Sink: Perhitungan Ukuran
Langkah pertama dalam mensizing heat sink adalah menentukan dimensi heat sink. Setelah dimensi ditetapkan, langkah berikutnya adalah mengikuti beberapa perhitungan yang disederhanakan oleh kalkulator heat sink.
Qc = 2hA(Tcompent – Tambient )
where
A = HL + t(2H + L)
h = 1.42[( Tcompent – Tambient )/H ] ＾0.25
Qc : 2hA( Tcompent – Tambient )
- Anda akan menemukan ada permukaan lain di mana panas dapat membuang, menemukan panas konveksi di A2
Qc = 2h2A2(Tcompent – Tambient )
where
A2 = L[2( H – b) + sb] + tL
s = 2.71 [ gβ(Tcompent – Tambient )/Lαv ]
- Menemukan Panas yang diemitkan melalui radiasi.
Sama seperti konveksi, panas dapat melarikan diri melalui radiasi dari dua permukaan.
Qr = 2ϵσA1( T4compent – T4ambient )
Qr2 = 2ϵσA2( T4compent – T4ambient )
where
A2 = L(t + s) + 2(tH + sb)
- Akhirnya jumlah fin diberikan oleh
Fn = 1 + [(Q – Qr2 – Qc2) / (Qr1 + Qc1)]
- Lebar setiap fin diberikan oleh
W = (N – 1) + Nt
Aplikasi Heat Sinks
Heat sink digunakan di mana sesuatu menghasilkan panas dan perlu diatur secara konstan untuk menjaga suhu operasi dalam batas maksimum yang diizinkan. Dalam unit listrik heat sink hampir dimana saja Anda lihat LED dan transistor. Ini untuk menjaga mereka bekerja di lingkungan suhu kamar tanpa overheat.
Aplikasi heat sink sebagian besar ditentukan oleh kecepatan di mana mereka memanaskan panas. Oleh karena itu, material dengan konduktivitas termal yang lebih tinggi digunakan untuk proses di mana kenaikan suhu adalah risiko bagi operasi.
CPUs
Ketika komputer digunakan dan chip CPU di-overclock, panas signifikan dihasilkan. Heat sink yang terhubung termal dengan CPU tidak hanya dapat menyimpan panas ini, dengan cepat menghapusnya dari chip, tetapi juga mentransfernya di seluruh permukaannya, akhirnya membuangnya ke udara sekitar.
Power Amplifiers
Dalam transistor daya, panas yang dihasilkan dapat menyebabkan kebocoran arus. Kenaikan arus kolektor ini dapat pada gilirannya meningkatkan daya yang diserap, yang dapat meningkatkan suhu lebih lanjut. Ini dapat menyebabkan loop thermal runaway yang merusak transistor. Heat sink dapat dengan cepat mentransfer panas yang dihasilkan melalui permukaannya, mencegah kerusakan apa pun.
Optoelectronics
Heat sink biasanya digunakan dengan LED karena komponen itu sendiri tidak dapat menstabilkan suhu operasionalnya.
Metode Pembuatan Umum Untuk Desain Heat Sink
Untuk menciptakan desain heat sink yang efektif, insinyur harus mempertimbangkan banyak faktor berbeda, seperti seleksi material, dan aluminium adalah material yang paling banyak digunakan untuk memproduksi heat sink. Dalam bagian ini, kami akan membahas 3 metode pembuatan paling umum untuk heat sink aluminium.
Extrusion Heat Sink
Proses extrusion cocok untuk desain heat sink yang lebih sederhana, yang ditandai dengan kuantitas produksi tinggi, investasi lebih sedikit, siklus pengembangan pendek, dan biaya produksi rendah.
Material aluminium extrusion yang umum digunakan adalah aluminium 6063, yang memiliki konduktivitas termal yang baik. Prinsip kerjanya adalah memanaskan ingot aluminium ke 520-540℃ pada tekanan tinggi untuk membiarkan cairan aluminium mengalir melalui cetakan extrusion dengan ranuran untuk membuat embrio heat sink. Lalu potong embrio heat sink, profil ranuran, dan pemrosesan lainnya adalah fin heat sink yang kita lihat biasanya.
CNC Machining Heat Sink
Pemesinan CNC melibatkan berbagai proses, seperti turning, drilling, milling, dan grinding. Proses ini dapat diterapkan secara fleksibel sesuai struktur bagian, penggunaan sebagian besar bagian struktural, seperti pembentukan plat, ranuran heat sink, pemolesan permukaan dasar, dll. Metode ini sangat cocok untuk desain heat sink dengan geometri kompleks.
Die Casting Heat Sink
Prinsip diecasting heat sink aluminium mirip dengan injection molding. Material baku alloy aluminium dicairkan menjadi cair pada tekanan tinggi, lalu material cair dengan cepat diisi ke dalam cetakan. Menurut model, mesin die casting mulai bekerja, dan die casting satu kali, setelah pendinginan dan perawatan selanjutnya, dibuat menjadi heat sink tunggal. Proses dapat diintegrasikan ke dalam desain fin heat sink yang tipis, padat, atau kompleks.
Kesimpulan
Penggunaan heat sink akan terus berkembang seiring dengan kemajuan teknis dan solusi yang lebih baik ditemukan untuk membuat proses lebih berguna. Desain heat sink juga akan lebih beragam dan disesuaikan.
Jika Anda mencari produsen untuk mengoptimalkan desain heat sink Anda untuk performa yang lebih baik, Di sini di WayKen, dengan pengalaman luas dalam pemrosesan heat sink, kami dapat mendukung persyaratan desain dan kustomisasi kustom Anda. Tim kami selalu memperhatikan setiap detail komunikasi dan antarmuka dengan Anda sehingga tidak akan ada kejutan untuk pengalaman pelanggan yang baik Anda. Dapatkan penawaran hari ini!
