Pendingin (heat sink) adalah salah satu komponen paling mendasar yang digunakan untuk mendinginkan perangkat elektronik. Setiap kali sumber panas tidak dapat menghilangkan panas secara efektif melalui konduksi sendiri dan membutuhkan pendinginan yang lebih efisien, pendingin digunakan untuk memindahkan panas dari sumber dan menghilangkannya melalui konduksi dan konveksi yang dioptimalkan.

Pendingin panas banyak digunakan dalam elektronika daya, peralatan telekomunikasi, server, penerangan LED, elektronik otomotif, dan perangkat industri.

struktur dasar dari sebuah heat sink

Pendingin panas (heat sink) pada umumnya terdiri dari dua bagian:

• basis

• sampai

Bagian dasarnya biasanya berupa permukaan datar yang bersentuhan langsung dengan sumber panas. Fungsinya adalah untuk mentransfer panas dari titik panas dan mendistribusikannya secara merata ke seluruh sirip.

Sirip-sirip tersebut dirancang untuk meningkatkan total luas permukaan heat sink. Sirip-sirip ini dapat diproduksi dalam berbagai bentuk geometri dan biasanya diposisikan secara vertikal dari alas untuk memaksimalkan pembuangan panas.

Tujuan desain utama dari heat sink adalah untuk memaksimalkan luas permukaan, sehingga memungkinkan lebih banyak panas dipindahkan ke udara sekitarnya.

bahan pendingin panas

Dengan sangat sedikit pengecualian, heat sink terbuat dari logam penghantar panas, yang paling umum adalah aluminium atau tembaga.

aluminium

Aluminium adalah material yang paling banyak digunakan untuk pendingin panas (heat sink).

• Konduktivitas termal: 235 w/mk

• ringan

• hemat biaya

• mudah diproduksi

Karakteristik ini menjadikan aluminium ideal untuk solusi pendingin panas yang ringan dan ekonomis.

tembaga

Tembaga adalah material populer lainnya untuk pendingin panas.

• Konduktivitas termal: ~400 w/mk

• kemampuan perpindahan panas yang lebih tinggi

Meskipun tembaga lebih berat dan lebih mahal, tembaga sering dibutuhkan dalam aplikasi termal berkinerja tinggi.

konveksi alami vs konveksi paksa

Pendingin panas biasanya diklasifikasikan menjadi dua kategori berdasarkan kondisi aliran udara.

konveksi alami (pendinginan pasif)

Pendingin pasif hanya mengandalkan aliran udara alami untuk menghilangkan panas.

Mereka dirancang untuk:

• memaksimalkan luas permukaan

• biarkan udara bersirkulasi secara alami

• beroperasi tanpa komponen aktif tambahan

Pendingin pasif umumnya digunakan pada perangkat elektronik berdaya rendah.

konveksi paksa (pendinginan aktif)

Pendingin aktif menggunakan kipas atau peniup untuk mendorong udara melewati sirip-siripnya.

Aliran udara paksa ini menciptakan turbulensi, yang secara signifikan meningkatkan efisiensi perpindahan panas dan kinerja pendinginan.

Solusi pendinginan aktif banyak digunakan dalam:

• server

• elektronika daya

• sistem komputasi berkinerja tinggi

jenis-jenis heat sink yang umum

Beberapa teknologi manufaktur digunakan untuk memproduksi heat sink, masing-masing sesuai untuk kebutuhan dan aplikasi termal yang berbeda.

1. Pendingin panas tercetak (tingkat papan)

Pendingin panas yang dicetak diproduksi dari lembaran logam menggunakan proses pencetakan progresif. Setiap langkah pencetakan menambahkan fitur dan detail saat logam melewati cetakan.

Pendingin ini biasanya dirancang untuk jenis kemasan elektronik tertentu untuk memastikan kesesuaian optimal pada papan sirkuit tercetak (PCB).

Perangkat tersebut dapat beroperasi dalam mode pasif atau menyertakan kipas untuk meningkatkan aliran udara secara keseluruhan.

keuntungan

• ideal untuk aplikasi daya rendah (0–5w)

• perakitan cepat dan sederhana

• biaya produksi rendah

• dapat diskalakan untuk produksi volume tinggi

• tersedia untuk berbagai jenis paket

kekurangan

• tidak cocok untuk aplikasi di atas 5w

• Ukuran terbatas (umumnya di bawah 50 mm)

• dirancang untuk mendinginkan hanya satu perangkat saja

2. pendingin aluminium ekstrusi

Ekstrusi adalah salah satu metode pembuatan heat sink yang paling populer dan hemat biaya.

Pendingin panas ekstrusi bervariasi ukurannya tergantung pada aplikasinya. Versi yang lebih kecil digunakan untuk pendinginan tingkat papan sirkuit, sedangkan versi yang lebih besar dirancang untuk manajemen termal daya menengah.

Kipas tersebut dapat dioptimalkan untuk pendinginan pasif maupun aktif, tergantung pada geometri dan jarak antar sirip.

Pendingin panas ekstrusi tingkat papan umumnya digunakan untuk komponen seperti:

• bga

• FPGA

Proses ekstrusi dimulai dengan cetakan profil yang menentukan struktur sirip, jarak, dan dimensi dasar. Aluminium yang dipanaskan kemudian didorong melalui cetakan untuk membuat profil panjang, yang kemudian dipotong sesuai panjang yang diinginkan dan diproses lebih lanjut.

keuntungan

• ideal untuk aplikasi daya menengah

• produksi yang hemat biaya

• sangat mudah diskalakan untuk produksi massal

• kustomisasi mudah

• konstruksi satu bagian dengan resistansi termal rendah

kekurangan

• tidak cocok untuk aplikasi daya sangat tinggi

• Batasan ukuran (sekitar 23 inci lebar dan 47 inci panjang)

• Profil berukuran besar mungkin memiliki keterbatasan dalam penyelesaian akhir.

3. pendingin sirip yang dipotong

Pengikisan adalah proses pemesinan yang membentuk sirip langsung dari blok logam padat. Lapisan tipis diiris dari dasar dan dilipat ke atas untuk membuat sirip.

Karena sirip dan alasnya dibentuk dari satu bagian material yang sama, tidak ada sambungan atau antarmuka, sehingga mengurangi hambatan termal.

Proses ini juga memungkinkan pembuatan sirip yang sangat tipis dan kepadatan sirip yang tinggi, sehingga secara signifikan meningkatkan total luas permukaan.

Tidak seperti ekstrusi, proses skiving tidak memerlukan peralatan khusus, sehingga menurunkan biaya peralatan dan memungkinkan pembuatan prototipe yang lebih cepat.

keuntungan

• efisiensi pendinginan tinggi

• sirip tipis dan kepadatan sirip tinggi

• biaya perkakas yang lebih rendah

• ekonomis untuk heat sink tembaga

kekurangan

• tidak ideal untuk aplikasi daya sangat tinggi

• batasan ukuran

• Sirip tipis mungkin lebih rapuh.

• kurang cocok untuk volume produksi yang sangat besar

4. pendingin panas sirip terikat dan sirip yang disolder

Pendingin heat sink bersirip terikat terdiri dari dua komponen utama:

• alas (ekstrusi atau hasil mesin)

• Sirip-sirip individual dipasang menggunakan perekat konduktif termal, epoksi, atau patri.

Sirip-siripnya biasanya dicetak dari lembaran logam tipis, sedangkan bagian dasarnya dapat dibuat dengan cara ekstrusi, cetakan, atau pemesinan.

Teknologi termal tambahan seperti pipa panas atau ruang uap juga dapat diintegrasikan ke dalam basis untuk meningkatkan kinerja.

Pendingin heat sink dengan sirip terikat memberikan fleksibilitas desain yang lebih besar dan memungkinkan kepadatan sirip yang lebih tinggi dalam ukuran yang lebih kecil.

keuntungan

• desain ringkas untuk aplikasi dengan keterbatasan ruang

• kinerja termal tinggi

• cocok untuk konveksi paksa

• jarak sirip yang rapat

• rasio aspek sirip tinggi

• integrasi desain yang fleksibel

• biaya perkakas yang lebih rendah

kekurangan

• tidak ideal untuk lingkungan dengan getaran tinggi

• Tidak cocok jika resistansi termal yang dibutuhkan di bawah 0,01°C/W.

5. pendingin sirip ritsleting

Sirip ritsleting terbuat dari serangkaian sirip lembaran logam yang dicetak satu per satu, kemudian dilipat dan dikunci bersama.

Sirip-sirip ini dapat disusun dalam dua cara:

• saluran tertutup untuk aliran udara terarah

• konfigurasi terbuka untuk aliran udara multiarah

Susunan sirip biasanya dipasang ke dasar heat sink atau pipa panas melalui penyolderan, pematrian, atau perekat epoksi.

Desain ini menawarkan stabilitas mekanik yang sangat baik dan fleksibilitas tinggi untuk solusi termal terintegrasi.

keuntungan

• kinerja termal tinggi

• ideal untuk aplikasi aliran udara paksa

• integrasi desain yang fleksibel

• biaya perkakas yang lebih rendah

• ringan

• dapat meningkatkan efisiensi pipa panas

• peningkatan stabilitas mekanik

kekurangan

• beberapa keterbatasan untuk persyaratan resistansi termal yang sangat rendah

6. pendingin panas sirip lipat

Sirip lipat dibuat dengan menekuk lembaran logam tipis menjadi bentuk-bentuk kompleks untuk meningkatkan luas permukaan.

Sirip-sirip ini biasanya direkatkan atau disolder ke alas untuk membentuk rakitan pendingin akhir. Teknologi sirip lipat juga dapat digunakan dalam solusi pelat pendingin cair.

keuntungan

• peningkatan luas permukaan

• efisiensi sirip tinggi

• kompatibel dengan berbagai material

• struktur ringan

kekurangan

• Berkinerja paling baik saat aliran udara dialirkan langsung melalui sirip-siripnya.

• biaya produksi yang lebih tinggi dalam beberapa kasus

7. pendingin panas cor

Pendingin panas cor die diproduksi sebagai struktur satu bagian menggunakan logam cair yang disuntikkan ke dalam cetakan khusus.

Metode manufaktur ini ideal untuk produksi volume tinggi dan memungkinkan geometri kompleks yang sulit dicapai melalui proses lain.

Setelah proses pengecoran, hanya diperlukan sedikit pengerjaan mesin dan penyelesaian akhir untuk menghasilkan produk akhir.

keuntungan

• ideal untuk produksi volume tinggi

• cocok untuk bentuk yang kompleks

• hambatan termal rendah atau mendekati nol

kekurangan

• biaya awal perkakas dan cetakan yang tinggi