Enam Metode Pendinginan untuk Perangkat Elektronik

Dengan pesatnya perkembangan teknologi frekuensi tinggi, kecepatan tinggi, dan sirkuit terpadu, kerapatan daya total komponen elektronik telah meningkat pesat sementara ukuran fisiknya terus menyusut, sehingga menghasilkan kerapatan fluks panas yang lebih tinggi. Suhu tinggi tak pelak lagi memengaruhi kinerja komponen elektronik, sehingga kontrol termal yang efisien menjadi penting. Oleh karena itu, pemecahan masalah pembuangan panas pada perangkat elektronik menjadi fokus utama. Artikel ini memberikan analisis singkat tentang metode pembuangan panas untuk komponen elektronik.

Pendinginan komponen elektronik yang efisien dipengaruhi oleh prinsip perpindahan panas dan mekanika fluida. Mendinginkan perangkat listrik berarti mengendalikan suhu operasi peralatan elektronik untuk memastikan stabilitas dan keamanan, yang melibatkan pembuangan panas, material, dan lainnya. Saat ini, metode pendinginan utama meliputi pendinginan alami, pendinginan paksa, pendinginan cair, refrigerasi, konduksi termal, dan teknologi pipa panas.

1. Metode Pendinginan Alami

Pendinginan alami terjadi dalam kondisi alami tanpa energi tambahan eksternal, menggunakan konduksi, konveksi, dan radiasi untuk menghilangkan panas dari komponen ke lingkungan sekitarnya. Di antara mekanisme ini, konveksi alami adalah yang paling umum diterapkan.

Metode ini terutama digunakan untuk perangkat berdaya rendah dengan persyaratan kontrol suhu rendah dan kerapatan fluks panas rendah. Metode ini juga dapat diterapkan pada perangkat tertutup atau rakitan rapat jika tidak memerlukan teknologi pendinginan tambahan.

Ketika persyaratan pembuangan panas rendah, konduksi atau radiasi dapat ditingkatkan melalui optimalisasi struktural untuk meningkatkan konveksi alami dan memperkuat kinerja pendinginan sistem secara keseluruhan.

2. Metode Pendinginan Paksa

Pendinginan paksa mempercepat aliran udara di sekitar komponen elektronik menggunakan kipas atau perangkat serupa, sehingga menghilangkan panas secara efektif. Metode ini sederhana, praktis, dan menawarkan kinerja pendinginan yang signifikan.

Hal ini dapat diterapkan ketika tersedia ruang yang cukup untuk aliran udara atau untuk memasang struktur pendingin. Perpindahan panas konveksi dapat ditingkatkan dengan meningkatkan luas total disipasi panas dan meningkatkan koefisien perpindahan panas konveksi.

Struktur sirip banyak digunakan untuk memperluas luas permukaan dan memperkuat perpindahan panas. Untuk perangkat berdaya tinggi, struktur peningkat turbulensi dapat ditambahkan untuk mengubah medan aliran di atas unit pendingin dan meningkatkan efisiensi pertukaran panas.

3. Metode Pendinginan Cair

Pendinginan cair menghilangkan panas dari chip dan modul chip dan dapat diklasifikasikan menjadi pendinginan langsung dan tidak langsung.

Pendinginan cairan tidak langsung menggunakan media perantara—seperti modul cair, modul perpindahan panas, modul semprot, atau substrat berpendingin cairan—untuk mentransfer panas dari komponen elektronik.

Pendinginan cairan langsung (pendinginan imersi) memungkinkan cairan pendingin bersentuhan langsung dengan komponen elektronik. Cairan pendingin menyerap dan membuang panas secara efisien. Metode ini terutama digunakan untuk perangkat dengan kerapatan fluks panas tinggi atau yang beroperasi di lingkungan bersuhu tinggi.

4. Metode Pendinginan Berbasis Refrigerasi

Pendinginan berbasis refrigerasi mencakup pendinginan perubahan fase refrigeran dan pendinginan Peltier, tergantung pada lingkungan aplikasi.

Pendinginan Perubahan Fase Refrigeran

Metode ini menggunakan perubahan fase refrigeran untuk menyerap panas dalam jumlah besar, sehingga cocok untuk skenario pendinginan tertentu. Metode ini mencakup tipe perebusan kolam dan perebusan aliran. Teknologi kriogenik juga dapat diterapkan dalam sistem komputasi berdaya tinggi, menawarkan efisiensi siklus yang lebih tinggi, rentang suhu operasi yang luas, dan desain sistem yang ringkas.

Pendinginan Peltier (Pendinginan Termoelektrik)

Pendinginan Peltier menawarkan keunggulan seperti ukuran yang ringkas, kemudahan pemasangan, dan keandalan yang tinggi. Sistem ini memanfaatkan efek Peltier dari material semikonduktor—panas diserap di satu sambungan dan dilepaskan di sambungan lainnya.

Meskipun memberikan resistansi termal negatif, biayanya yang lebih tinggi dan efisiensinya yang lebih rendah membatasi penggunaannya pada sistem kompak dengan kebutuhan pendinginan yang sederhana. Kinerja tipikal: suhu pendinginan ≤100°C; beban pendinginan ≤300W.

5. Konduksi Termal (Transfer Energi)

Konduksi termal memindahkan panas dari komponen elektronik ke lingkungan lain menggunakan elemen pemindah panas. Seiring sirkuit elektronik menjadi lebih terintegrasi dan kepadatan daya meningkat sementara ukuran perangkat mengecil, struktur pendingin harus mempertahankan kinerja termal yang tinggi.

Teknologi pipa kalor menawarkan konduktivitas termal yang sangat baik, kinerja isotermal yang baik, adaptabilitas fluks kalor yang bervariasi, dan respons yang cepat. Teknologi ini banyak digunakan dalam peralatan elektronik, pendinginan komponen, dan aplikasi semikonduktor. Desain pipa kalor bergantung pada faktor-faktor seperti gravitasi, gaya eksternal, pemilihan material, proses manufaktur, dan kebersihan. Kontrol kualitas dan pemantauan suhu yang ketat sangat penting.

6. Pendinginan Pipa Panas

Pipa kalor pada umumnya terdiri dari cangkang, struktur sumbu berpori, dan fluida kerja. Dalam lingkungan vakum, fluida kerja menyerap panas di bagian evaporator dan menguap. Didorong oleh perbedaan tekanan yang kecil, uap mengalir ke kondensor, melepaskan kalor laten, dan mengembun. Kondensat kembali ke evaporator melalui aksi kapiler di sumbu.

Siklus berkelanjutan ini mentransfer panas secara efisien dari evaporator ke kondensor.

Pipa kalor dapat mentransfer panas dalam jumlah besar dengan perbedaan suhu minimal—konduktivitas termal efektifnya ratusan kali lebih besar daripada tembaga, sehingga dijuluki "konduktor panas hampir superkonduktif". Namun, pipa kalor memiliki batas perpindahan panas maksimum. Ketika masukan panas melebihi batas ini, semua fluida kerja menguap, siklus termal berhenti, dan pipa kalor rusak.