Menguasai Manajemen Termal untuk Elektronik Berkinerja Tinggi

Pendahuluan:

Semua perangkat bekerja dengan menghasilkan panas sebagai produk sampingan. Untuk mencegah perangkat ini terlalu panas, diperlukan manajemen termal. Efisiensi sebuah perangkat berbanding terbalik dengan suhu. Selanjutnya, komponen berkinerja tinggi menghasilkan panas yang dapat mengurangi umur perangkat dan mengurangi efisiensi. Oleh karena itu, kita perlu menjaga suhu tetap terkontrol dengan menghapus panas yang dihasilkan dari perangkat ini.

Seiring waktu perangkat kita menjadi lebih kecil, namun dengan fungsionalitas yang meningkat. Ini mengarah pada pemrosesan yang lebih cepat dan sebagai akibatnya, lebih banyak generasi panas dengan konsumsi daya yang meningkat. Demikian pula, alat-alat juga dikecilkan untuk mendistribusikan panas dan dapat menjadi tantangan bagi insinyur. Secara umum, pembuangan panas harus sebanding dengan pembuangan daya, sesuai dengan persamaan daya. Tiga masalah utama yang dihadapi insinyur dalam mengelola pembuangan daya meliputi PCB yang padat, kepadatan chip IC yang meningkat dan ukuran serta 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 keandalan mereka. Biasanya, komponen listrik terisolasi yang menghasilkan panas akan melakukannya hingga panas yang dihasilkan dalam perangkat menjadi sama dengan panas yang hilang ke lingkungan dan perangkat mencapai keseimbangan. Panas biasanya dihasilkan karena hambatan terhadap aliran elektron dalam material. Semakin rendah hambatan, semakin besar konduktivitas dan semakin rendah panas yang dihasilkan. Ini terbukti dengan hukum Joule H=I2Rt.

Manajemen Termal dalam Perangkat:

Manajemen panas adalah bagian besar dari desain elektronik. Untuk memastikan efisiensi dan akurasi komponen dan sistem titik panas, panas berlebih harus diangkut dari mereka. Insinyur dapat menggunakan desain termal cerdas untuk mengurangi kesalahan terkait panas. Ada tiga daya dorong yang ketat yang membuat permintaan pada bahan untuk manajemen termal.

Pertama, untuk meningkatkan kecepatan, para desainer memcompress inti mikroprosesor menjadi ukuran yang lebih kecil. Ini memberikan kita generasi panas yang lebih tinggi per satuan luas. Akibatnya penurunan suhu yang disebabkan oleh konduksi di dalam mikroprosesor dan spreader panas menjadi sebanding dengan penurunan suhu maksimum yang diizinkan. Kedua, ada peningkatan kenaikan suhu di seluruh interkoneksi antara transistor. Ini disebabkan oleh peningkatan lapisan logam dan kepadatan arus yang meningkat di antara interkoneksi. Ketiga, ada peningkatan kenaikan suhu dalam teknologi transistor kontemporer dan yang direncanakan. Penurunan dimensi saluran mengarah pada kepadatan daya yang meningkat dan non-keseimbangan elektron-fonon dalam perangkat. Ini menimbulkan tantangan untuk penelitian dalam materi dan fisika padatan.

Pendinginan Elektronik:

Menurut hukum pendinginan Newton, laju hilangnya panas sebanding dengan selisih suhu antara benda dan lingkungannya. Seiring bertambahnya suhu benda, hilangnya panas juga bertambah. Ketika laju hilangnya panas seimbang dengan laju panas yang dihasilkan, perangkat mencapai suhu keseimbangannya. Suhu ini dapat mengurangi umur komponen dan langkah-langkah tertentu harus diambil untuk manajemen termal.

Salah satu cara untuk mengontrol suhu dalam rangkaian atau perangkat adalah dengan meningkatkan aliran udara melalui ventilasi. Ini akan menghasilkan suhu operasi yang lebih rendah. Juga, ingat bahwa kepadatan atmosfer yang berkurang di ketinggian yang lebih tinggi menghasilkan transfer panas yang kurang efektif ke lingkungan dan suhu operasi yang lebih tinggi. Ada beberapa cara untuk mendinginkan perangkat seperti heat-sink, pendingin termolistrik, sistem udara, dan kipas angin dll.

1: Heat-sinks

Hilangnya panas terjadi di permukaan komponen dan bertambah seiring bertambahnya luas permukaan. Salah satu cara untuk mengurangi suhu operasi adalah dengan meningkatkan luas permukaan. Ini dicapai dengan memasang heat-sink logam pada perangkat. Heat-sink biasanya adalah konduktor panas yang baik seperti tembaga, aluminium dll. Heat sink lebih efektif jika seluruh unit memiliki ventilasi yang baik. Biasanya, dengan heat sink dan komponen yang bersentuhan, ada celah udara kecil di antara keduanya di atas permukaan. Udara adalah konduktor panas yang buruk dan ini membatasi hilangnya panas dari suatu perangkat. Untuk mengatasi efek ini, digunakan senyawa transfer panas.

2: Heat spreaders

Heat spreaders juga digunakan sebagai perangkat pendingin. Mereka adalah plat atau foil logam yang konduktif termal yang digunakan untuk mendistribusikan panas di luas yang lebih luas. Digunakan sebagai antarmuka termal perantara antara sumber panas dan exchanger panas sekunder (heatsink dll.) Heat spreader dapat diterapkan sebagai pelapis belakang pada PCB dengan komponen yang menghasilkan panas. Via termal digunakan sebagai saluran termal antara heat spreader dan kemasan komponen untuk meningkatkan aliran panas.

3: Heat pipes

Heat pipe adalah tabung longgong terampai yang mengandung cairan atau pendingin. Salah satu ujung dipasang pada sumber panas dan ujung lainnya pada exchanger panas sekunder (seperti heat sink). Panas yang dihasilkan mendidihkan cairan di satu ujung yang bergerak ke ujung yang lebih dingin di mana uapnya mengembun dan kembali ke ujung yang dipanaskan. Mereka biasanya terbuat dari logam konduktif dan cocok untuk desain papan yang terbatas ruang.

4: Thermal interface materials

Ini adalah bahan terbuatan sebelumnya yang konduktif termal yang tersedia dalam berbagai bentuk (pengalir, perekat, gel dll.) Mereka dirancang untuk mengisi celah udara di antara permukaan kontak. Akibatnya, luas permukaan maksimum digunakan untuk transfer panas dan suhu operasi berkurang. Senyawa transfer panas dapat berupa banyak jenis. Electrolubes menghasilkan pasta konduktif termal yang terdiri dari filler mineral dalam cairan pengemudi (yang mungkin non-silikon atau berbasis silikon). Pasta berbasis silikon memiliki suhu operasi yang lebih tinggi dari pasta non-silikon. Penting saat menggunakan bahan konduktif termal antarmuka antara perangkat dan heat-sink terisi sepenuhnya.

5: Forced air

Udara terpaksa adalah metode pendingin umum lainnya. Ini dapat dilakukan dengan menggunakan kipas atau blower untuk meningkatkan aliran udara di atas komponen yang menghasilkan panas. Ini meningkatkan aliran udara panas yang diangkut dari heat-sink dan dapat meningkatkan pembuangan panas. Kipas dengan berbagai ukuran dapat digunakan dan penempatannya dapat dioptimalkan untuk meningkatkan jalur aliran.

6: Solid-state heat pumps

Juga dikenal sebagai TECs (pendingin termolistrik), ini adalah perangkat semiconductor tipis dan kompak yang ditempatkan di antara sumber panas dan heat sink untuk meningkatkan pembuangan panas. Tegangan diterapkan ke TEC yang menciptakan selisih suhu di antara kedua sisi perangkat dan memungkinkan transfer panas melalui konduksi. Meskipun ini tidak sangat efisien, mereka memindahkan jumlah panas yang besar dan memiliki umur yang lebih lama. Juga, saat arus dibalik aliran transfer panas terbalik, yang mengubah perangkat menjadi pemanas dan dapat terbukti ideal untuk aplikasi kontrol suhu.