Perbandingan Kelebihan dan Kekurangan Material Heat Sink Tembaga vs Aluminium

Seiring dengan perangkat elektronik yang semakin ringkas dan berkinerja tinggi, manajemen termal telah muncul sebagai tantangan rekayasa yang kritis. Heat sink—pahlawan tanpa tanda jasa dari regulasi termal—memainkan peran penting dalam menjaga stabilitas dan umur panjang perangkat dengan mentransfer panas dari komponen ke lingkungan sekitar. Pilihan material secara fundamental menentukan efisiensi heat sink, dengan tembaga dan aluminium memimpin pasar. Analisis ini mengkaji sifat-sifat, trade-off, strategi aplikasi, dan alternatif yang muncul untuk memandu keputusan rekayasa.

Berfungsi sebagai pengangkut termal, heat sink memerlukan material dengan konduktivitas termal yang luar biasa—diukur dalam watt per meter-kelvin (W/m·K). Aluminium dan tembaga mendominasi ruang ini, masing-masing menawarkan keunggulan yang berbeda.

Menyumbang sekitar 80% dari heat sink komersial, paduan aluminium seperti A6061 (167 W/m·K) dan A6063 mendominasi melalui kombinasi karakteristik yang menguntungkan:

• Efisiensi Berat: Pada 2,7 g/cm³, aluminium memiliki berat sepertiga dari tembaga, menjadikannya ideal untuk perangkat seluler dan aplikasi dirgantara.
• Keserbagunaan Manufaktur: Proses ekstrusi memungkinkan desain sirip yang kompleks dengan biaya rendah, dengan kecepatan produksi mencapai 60 meter per menit.
• Ketahanan Korosi: Lapisan oksida asli memberikan perlindungan, ditingkatkan oleh teknik anodisasi yang mencapai ketebalan 15-25μm.
• Kelayakan Ekonomi: Kelimpahan aluminium menjaga biaya material 60-70% lebih rendah daripada tembaga per volume unit.

• 6061: Optimal untuk heat sink yang dikerjakan dengan mesin (kekuatan tarik: 124 MPa)
• 6063: Pilihan untuk desain ekstrusi (konduktivitas termal: 201 W/m·K)
• 1050: Konduktivitas maksimum (229 W/m·K) untuk aplikasi khusus

Meskipun mewakili kurang dari 15% dari pasar, konduktivitas tembaga yang tak tertandingi (401 W/m·K) membuatnya sangat diperlukan untuk skenario berkinerja tinggi:

• Keunggulan Termal: Mengurangi resistansi termal sebesar 40-50% dibandingkan dengan aluminium dalam desain yang setara.
• Integritas Struktural: Mempertahankan stabilitas mekanis pada suhu di atas 200°C.

Keterbatasan kritis meliputi:

• Penalti Berat: Kepadatan 8,9 g/cm³ mempersulit aplikasi portabel
• Kerentanan Oksidasi: Membutuhkan pelapisan nikel (5-10μm) untuk perlindungan korosi
• Premi Biaya: Biaya material 3-4× lebih tinggi daripada aluminium

Kombinasi tembaga-aluminium yang inovatif memanfaatkan konduktivitas tembaga pada sumber panas dengan sifat ringan aluminium di tempat lain. Teknik pengikatan canggih—termasuk:

• Pengelasan eksplosif
• Penyambungan gesekan-aduk
• Pengikatan fase cair transien

—dapat mencapai resistansi termal antarmuka di bawah 0,05 cm²·K/W.

Metode produksi secara signifikan memengaruhi kinerja termal:

• Kepadatan sirip hingga 40 sirip/inci
• Variasi ketebalan dasar <0.05mm
• Kekasaran permukaan Ra <1.6μm

Solusi generasi berikutnya mengatasi keterbatasan logam tradisional:

• Komposit CarbAl: Campuran 80% karbon/20% aluminium mencapai konduktivitas 450 W/m·K pada kepadatan seperti aluminium
• Grafit Anisotropik: Konduktivitas dalam bidang melebihi 1500 W/m·K untuk penyebaran panas terarah
• Desain Ruang Uap: Konduktivitas termal efektif >5000 W/m·K dalam konfigurasi yang dioptimalkan

Pemilihan material yang optimal memerlukan evaluasi:

1. Beban Termal: Hitung θ _JA persyaratan berdasarkan TDP komponen
2. Faktor Bentuk: Perhitungkan volume yang tersedia dan batasan aliran udara
3. Faktor Lingkungan: Pertimbangkan kelembaban, getaran, dan persyaratan EMI
4. Biaya Siklus Hidup: Evaluasi kepemilikan total termasuk manufaktur dan pemeliharaan

Lanskap manajemen termal terus berkembang seiring dengan kepadatan daya perangkat yang melampaui 100W/cm². Sementara aluminium tetap menjadi pilihan pragmatis untuk sebagian besar aplikasi, kinerja tembaga yang unggul membenarkan premi dalam sistem kritis. Material komposit yang muncul dan teknik manufaktur canggih menjanjikan untuk mendefinisikan kembali kemampuan heat sink, memastikan solusi termal tetap sejalan dengan kemajuan teknologi.