Strategi Pendinginan Baru Mengatasi Tantangan Termal Elektronik

Karena perangkat elektronik menghadapi tantangan manajemen termal yang semakin ketat, solusi pendingin tradisional terbukti tidak memadai.Pertanyaan penting tentang bagaimana memecahkan kemacetan termal untuk meningkatkan kinerja dan keandalan perangkat telah menjadi fokus utama bagi para insinyur elektronik dan ilmuwan bahanArtikel ini meneliti faktor-faktor utama yang mempengaruhi disipasi panas pada perangkat elektronik, dengan penekanan khusus pada konduktivitas termal,dan mengeksplorasi strategi pengoptimalan dari berbagai perspektif termasuk pemilihan bahan, desain struktural, dan aplikasi teknologi mutakhir.

Konduktivitas termal, properti fisik dasar yang mengukur kemampuan bahan untuk mentransfer energi panas,didefinisikan sebagai jumlah panas yang ditransfer per satuan waktu di seluruh area satuan dengan gradien suhu satuanDalam aplikasi pendinginan elektronik, konduktivitas termal berfungsi sebagai faktor penentu untuk efisiensi disipasi panas.Bahan dengan konduktivitas termal tinggi dapat dengan cepat mentransfer panas dari sumber (seperti chip) ke sink panas atau media pendingin lainnya, sehingga mengurangi suhu chip dan memastikan operasi perangkat yang stabil.

Konduktivitas termal biasanya ditandai dengan simbol k dengan satuan W/mK (Watt per meter-kelvin) atau Btu/hr-ft-°F (British thermal units per hour-foot-Fahrenheit).Generasi panas terjadi di berbagai komponenSaat operasi, arus yang melewati resistensi menghasilkan pemanasan Joule, menyebabkan kenaikan suhu.suhu komponen terus meningkat, yang berpotensi menyebabkan penurunan kinerja, memperpendek umur, atau bahkan kegagalan bencana.

Pendinginan perangkat elektronik melibatkan proses yang kompleks di mana panas biasanya ditransfer dari sumber ke lingkungan eksternal melalui beberapa tahap.Memahami jalur konduksi ini memungkinkan optimasi termal yang lebih ditargetkan:

• Transfer panas pada tingkat chip:Panas awalnya dihasilkan di dalam chip dan dilakukan melalui bahan chip (biasanya silikon) ke permukaan.Konduktivitas termal dari bahan chip secara langsung mempengaruhi distribusi suhu internal.
• Interface chip-to-heat sink:Transfer panas antara permukaan chip dan komponen pendingin (heat sinks, pipa panas) mengalami resistensi termal antarmuka karena kontak dan celah udara yang tidak sempurna.Bahan antarmuka termal (TIM) seperti lemak termal atau bantalan biasanya digunakan untuk mengurangi resistensi ini.
• Konduktivitas internal sumur panas:Transfer panas melalui struktur sumur panas dan pertukaran dengan lingkungan sekitar melalui permukaan.dan metode pendinginan (konveksi alami, udara paksa, pendinginan cair) secara kolektif menentukan efisiensi pendinginan.
• Antarmuka pemanas panas ke lingkungan:Transfer panas akhir terjadi dari permukaan sink panas ke lingkungan sekitar di mana suhu lingkungan dan kondisi aliran udara mempengaruhi kinerja.

Setiap jalur konduksi berkontribusi pada resistensi termal yang secara kolektif membentuk total resistensi sistem. resistensi total yang lebih rendah menghasilkan kinerja pendinginan yang lebih baik,membuat pengurangan resistensi termal menjadi fokus utama desain pendingin elektronik.

Konduktivitas termal bervariasi sesuai dengan beberapa faktor yang menginformasikan pemilihan bahan dan pengoptimalan desain pendingin:

• Jenis bahan:Logam umumnya menunjukkan konduktivitas termal yang tinggi sedangkan non-logam (plastik, keramik) menunjukkan nilai yang lebih rendah.aluminium (237 W/mK), silikon (148 W/mK), kaca (1,0 W/mK), plastik (0,1-0,5 W/mK), dan udara (0,026 W/mK).
• Efek suhu:Untuk logam, konduktivitas biasanya berkurang dengan meningkatnya suhu karena peningkatan penyebaran elektron.Bahan non-logam menunjukkan ketergantungan suhu yang lebih kompleks berdasarkan karakteristik mikrostruktur dan transportasi fonon.
• Kemurnian bahan dan cacat:Bahan kemurnian yang lebih tinggi dengan cacat yang lebih sedikit menunjukkan konduktivitas yang lebih besar karena kotoran dan cacat menyebarkan pembawa panas (elektron atau fonon), mengurangi rata-rata jalur bebas.
• Struktur kristal:Bahan kristal menunjukkan konduktivitas anisotropik dengan variasi arah. Grafit menunjukkan konduktivitas dalam bidang yang sangat tinggi tetapi konduktivitas tegak lurus yang jauh lebih rendah.

Pengukuran konduktivitas panas yang akurat sangat penting untuk desain pendingin.

• Metode keadaan stabil:Menerapkan perbedaan suhu konstan di seluruh bahan dan mengukur aliran panas dan gradien suhu pada keseimbangan, cocok untuk bahan konduktivitas tinggi seperti logam.
• Metode sementara:Menerapkan impuls termal dan mengukur respons suhu temporal, efektif untuk bahan konduktivitas rendah seperti plastik dan keramik.
• Analisis flash laser:Sebuah metode transien yang menonjol menggunakan impuls laser untuk memanaskan permukaan sambil mengukur respons suhu permukaan belakang untuk menghitung difusivitas termal dan konduktivitas.
• Metode 3ω:Teknik AC untuk mengukur respon tegangan terhadap arus bolak-balik, terutama cocok untuk pengukuran konduktivitas film tipis.

Pendinginan elektronik yang efektif membutuhkan pengoptimalan konduktivitas termal dengan berbagai aspek:

• Pilihan bahan konduktivitas tinggi:Memprioritaskan bahan dengan konduktivitas superior di seluruh sistem pendingin, termasuk pemanas panas logam dan TIM berkinerja tinggi.
• Optimasi antarmuka:Meminimalkan resistensi antarmuka melalui finishing permukaan, penyesuaian tekanan kontak, dan implementasi TIM.
• Peningkatan struktur sumur panas:Meningkatkan luas permukaan, mengoptimalkan geometri sirip, dan menggabungkan elemen transfer panas canggih seperti pipa panas dan ruang uap.
• Teknologi pendinginan canggih:Menerapkan pendinginan cair, sistem perubahan fase, pendinginan termoelektrik, dan solusi saluran mikro untuk aplikasi daya tinggi.
• Integrasi Nanomaterial:Mengintegrasikan tabung karbon, graphene, atau nanofluid untuk meningkatkan kinerja termal.

Inovasi berkelanjutan dalam pendinginan elektronik mencakup beberapa perkembangan yang menjanjikan:

• Struktur pendingin terintegrasi chip tiga dimensi
• Sistem pendingin adaptif yang responsif terhadap kondisi operasi
• Strategi manajemen termal yang dioptimalkan oleh AI
• Bahan konduktivitas tinggi generasi berikutnya
• Teknologi penebangan energi panas

Smartphone memiliki tantangan pendinginan yang unik karena dimensi kompak dan kepadatan komponen yang tinggi.

• Kamar uap untuk penyebaran panas
• Gel termal untuk mengurangi resistensi antarmuka
• Film grafit untuk disipasi yang ditingkatkan
• Sistem pendingin cair dalam model premium

Konduktivitas termal tetap menjadi parameter landasan dalam desain pendingin elektronik.insinyur dapat secara efektif mengelola tantangan termal untuk memastikan keandalan dan kinerja perangkatKarena kepadatan daya terus meningkat, inovasi berkelanjutan dalam teknologi dan bahan pendingin akan sangat penting untuk memenuhi persyaratan manajemen termal di masa depan.