Conception du dissipateur thermique : bases, principe et conseils pratiques

Qu’est-ce qu’un dissipateur thermique ?

Les dissipateurs thermiques sont des dispositifs mécaniques qui empêchent un échauffement extrême dans un appareil utilisant la convection naturelle et forcée. Un dissipateur thermique dans un circuit intégré aide à dissiper la chaleur générée grâce à son matériau à haute conductivité thermique.

Le dissipateur thermique refroidit un composant chauffant électrique, en particulier un transistor de puissance, en étendant la chaleur sur toute la surface et en permettant à l'appareil de refroidir jusqu'à une température de fonctionnement parfaite. En règle générale, la plupart des fabricants installent souvent des dissipateurs de chaleur dans les processeurs et les transistors avec un ventilateur intégré pour empêcher efficacement l'augmentation de la température.

Différents types de dissipateurs thermiques

Il existe deux types de dissipateurs thermiques standard en fonction de leur type de flux d'air, de l'efficacité des ailettes, de leur orientation et de leur matériau :

Dissipateurs de chaleur actifs

Ces types sont les plus puissants et efficaces qui fonctionnent sur la source d’alimentation de l’appareil. Ils utilisent un mécanisme de convection forcée dans lequel le fluide ou l'air est déplacé à travers la zone chaude pour réaliser un transfert de chaleur dans les composants. Ils utilisent un ou plusieurs ventilateurs pour forcer l'air à travers les éléments, assurant ainsi le refroidissement progressif du composant.

Les échangeurs de chaleur actifs sont équipés de ventilateurs installés à côté ou au-dessus du dissipateur thermique, tandis que certains utilisent des mécanismes de refroidissement liquide. Les composants électriques typiques dotés d'échangeurs de chaleur actifs comprennent les refroidisseurs de GPU, les refroidisseurs de CPU, etc.

Dissipateurs de chaleur passifs

Un dissipateur thermique passif est une alternative courante qui utilise la convection naturelle/le flux d’air pour dissiper la chaleur. Cependant, il n’est pas aussi efficace qu’un dissipateur thermique actif. Néanmoins, ils sont généralement peu coûteux et ne nécessitent aucune alimentation électrique supplémentaire pour faire fonctionner un ventilateur. Les exemples courants de composants dotés d'un échangeur de chaleur passif incluent les microcontrôleurs, les microprocesseurs, les chipsets, etc.

L’utilisation de l’un ou l’autre de ces dissipateurs thermiques entraîne des variations significatives dans la conception. Par exemple, les dissipateurs thermiques actifs utilisent un ventilateur en matériau léger et nécessitent une surface plus petite pour transférer le même degré de chaleur qu'un conducteur passif.

Pourquoi le dissipateur thermique est-il important ?

Un dissipateur thermique est essentiel dans tout appareil électronique car il permet d’éviter la surchauffe des composants électriques. Voici d’autres raisons pour lesquelles un dissipateur thermique est essentiel dans les produits électriques :

• Augmente la fiabilité électronique. Un dissipateur thermique augmente la fiabilité des produits électroniques en raison de sa capacité à protéger un composant contre la surchauffe ou la panne.
• Maintien de l'énergie thermique. Les dissipateurs thermiques contrôlent l’énergie thermique de l’appareil électrique en transférant la chaleur créée par les composants du circuit vers l’air ambiant.
• Production de chaleur. Les dissipateurs thermiques sont une bonne source de génération ou d’apport de chaleur dans les circuits électriques chaque fois qu’il y a une baisse de température.

Outre ces avantages, ils font généralement partie intégrante de nombreux appareils électroniques. Par exemple, ils constituent l’unité centrale de traitement des systèmes informatiques.

Applications courantes des dissipateurs de chaleur

Il existe une vaste gamme d’applications de dissipateurs thermiques, principalement dans les appareils électroniques. La raison en est que les appareils électroniques génèrent une chaleur élevée lorsqu’ils fonctionnent et ne peuvent pas atténuer leur température. La chaleur générée par ces appareils peut affecter les performances du semi-conducteur à l’intérieur de l’appareil. D'où la nécessité de réguler constamment la température de tels appareils pour maintenir des conditions de travail favorables.

Voici quelques applications des dissipateurs thermiques :

Amplificateurs de puissance

La chaleur générée dans les transistors de puissance peut entraîner une fuite de courant. Cette augmentation du courant du collecteur peut conduire à une puissance dissipée élevée, ce qui provoque une augmentation de la température, conduisant finalement à une boucle d'emballement thermique endommageant le transistor. Cependant, un dissipateur thermique peut éviter les dommages en transférant rapidement la chaleur via sa surface.

CPU

Les ordinateurs produisent une chaleur importante pendant leur fonctionnement lorsque les puces du processeur et les cartes graphiques sont overclockées. Un dissipateur thermique couplé thermiquement au processeur extrait rapidement la chaleur de la puce, la déplace sur sa surface et la dissipe dans l'air ambiant.

Optoélectronique

Les dissipateurs thermiques sont souvent utilisés avec des diodes électroluminescentes (DEL) et des lasers, car ces dispositifs ne peuvent pas minimiser les niveaux de température de fonctionnement. Un fluide de refroidissement est crucial dans ces appareils pour garantir leur longévité, car leurs températures de fonctionnement influencent leur durée de vie.

Techniques de fabrication courantes pour les dissipateurs thermiques

Cette section traite des trois techniques les plus compatibles pour fabriquer des dissipateurs thermiques en aluminium :

Usinage CNC

L'usinage CNC est une technologie polyvalente qui regroupe les opérations de fraisage, de perçage, de rectification et de tournage. Ce procédé offre une grande flexibilité dans la fabrication de pièces, permettant d'adapter leur structure à leur usage prévu. L'usinage CNC est particulièrement adapté à la conception de dissipateurs thermiques aux spécifications les plus complexes. Les dissipateurs thermiques usinés CNC sont idéaux pour les dispositifs exigeant une conductivité thermique élevée ou des options de conception complexes. Cependant, ce procédé peut s'avérer très coûteux.

Extrusion

L'extrusion est un procédé courant qui consiste à donner aux matériaux, comme les alliages d'aluminium , les formes souhaitées. C'est le procédé de fabrication de dissipateurs thermiques le plus répandu dans tous les secteurs industriels. L'extrusion de dissipateurs thermiques est moins coûteuse et permet de fabriquer facilement des dissipateurs sur mesure. Les alliages d'aluminium, tels que l'aluminium 6063, offrent une excellente conductivité thermique, idéale pour les applications de dissipateurs thermiques. Cependant, la largeur maximale d'extrusion limite les dimensions des dissipateurs thermiques extrudés.

Tracy Gestionnaire des ventes

Tracy est un directeur des ventes avec 18 ans d'expérience dans l'usinage CNC, spécialisé dans les composants de précision et les solutions clients.

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Meilleures pratiques pour la conception des dissipateurs thermiques en aluminium

Concevoir des ailettes de dissipateur thermique en aluminium d'une épaisseur minimale de 1.0 mm et maintenir les rapports hauteur/épaisseur en dessous de 10:1 afin de minimiser les vibrations, les broutages, la déviation de l'outil et les défauts de finition de surface lors des opérations d'usinage CNC.

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Coulée sous pression

Le processus de moulage sous pression dissout l’alliage d’aluminium dans un liquide à haute pression, après quoi l’aluminium liquide est versé dans un moule. Ce procédé offre une flexibilité de conception impressionnante, de bonnes performances thermiques et un faible coût unitaire pour une production à grande échelle. Les dissipateurs thermiques moulés sous pression conviennent bien aux dissipateurs thermiques plus épais et aux applications à convection naturelle. De plus, ce procédé est idéal pour fabriquer des dissipateurs thermiques de conception fine, solide et complexe.

Calcul de la résistance thermique pour la conception du dissipateur thermique

Vous devez comprendre les calculs spécifiques de résistance thermique pour concevoir un dissipateur thermique qui correspond parfaitement à l'usage prévu. Cela vous donne une idée de la capacité du dissipateur thermique à dissiper la chaleur. Ainsi, vous pouvez calculer la résistance thermique des composants électroniques à l’aide de l’équation ci-dessous :

Rhs = (Tj-Tmb/P) – (Rth-jc) – Rinterface

• Tjunction – température de fonctionnement de jonction la plus élevée d'un appareil électronique en 0c
• P : Chaleur transférée de la source de chaleur
• Rth-jc : Résistance thermique de jonction à l'enveloppe
• kinterface : conductivité thermique du matériau d'interfaceRinterface = (teinte/Ls x Ws x kinterface)
• Rinterface : résistance du matériau de l'interface thermique
• Interface: Épaisseur du matériau de l'interface thermique
• Ambiant: Température de l'air ambiant à 0c
• Ws : largeur de la source de chaleur
• Ls : longueur de la source de chaleur

La résistance thermique totale fait référence à la résistance au transfert de chaleur de la jonction au boîtier, à la résistance thermique du matériau d'interface et à la résistance entre l'air ambiant et le dissipateur thermique.

Comprendre les calculs ci-dessus permet de connaître la résistance thermique idéale compatible avec la température de fonctionnement de la chaleur. Ainsi, intégrer ces paramètres dans la conception de votre dissipateur thermique devient facile. Plus important encore, il permet d’obtenir une résistance thermique plus importante que la température maximale de fonctionnement d’un semi-conducteur. De plus, vous pouvez calculer la dimension la plus élevée du dissipateur thermique pour déterminer la température la plus basse de la source de chaleur.

Calcul de la taille pour la conception du dissipateur thermique

Sam Fondateur et ingénieur en chef

Fort de 30 ans d'expérience dans le domaine des machines CNC, Sam se consacre à la résolution de problèmes complexes de conception et d'usinage, garantissant précision et efficacité pour chaque projet client.

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Meilleures pratiques pour l'usinage des dissipateurs thermiques en aluminium

Choisissez des alliages d'aluminium comme le 6063 ou le 6061-T6 pour les dissipateurs thermiques afin d'équilibrer la conductivité thermique, l'usinabilité, la stabilité dimensionnelle et la finition de surface uniforme.

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Déterminer les dimensions de votre dissipateur thermique est l'une des premières étapes du calcul de sa taille. Après avoir défini ces dimensions, quelques calculs sont simplifiés à l'aide du calculateur de dissipateur thermique.

• Trouver la chaleur de convection :

Qc = 2hA(Tcomposant – Tambiant) Où

h = 1.42[( Tcomposant – Tambiant )/H ] ＾0.25

A = HL + t(2H + L)

Qc  : 2hA (Tcompent – Tambient )

• Vous découvrirez qu'il existe une surface distincte sur laquelle la chaleur peut être transférée, déterminant la chaleur de convection en A2 :

Qc = 2h²A²(Tcomposant – Tambient) où

s = 2.71 [ gβ (Tcomposant – Tambient )/Lαv ]

A2 = L[2( H – b) + qn] + tL

• Le calcul pour trouver la chaleur générée par rayonnement :

Qr2 = 2ϵσA2 (T4compent – T4ambient )

Qr = 2ϵσA1( T4composant – T4ambiant 

Destination

A2 = L(t + s) + 2(tH + qn

• Le nombre total d'ailerons est calculé par :

Fn = 1 + [( Q – Qr2 – Qc2) / (Qr1 + Qc1)]

• La largeur d'une aileron est calculée par :

W = (N – 1) + Nt

Conseils à prendre en compte lors de la conception du dissipateur thermique

La bonne conception du dissipateur thermique offre une solution de gestion thermique fiable dans un appareil électronique. Le mécanisme de forçage thermique passif dans un dissipateur thermique passif devrait faciliter le transfert de chaleur transparent vers l’air ambiant.

Ce transfert de chaleur s'effectue souvent par rayonnement, conduction ou convection. Il combine parfois ces trois modes de transfert. Lors de la conception d'un dissipateur thermique pour un usinage sur mesure, il est essentiel de prendre en compte les facteurs suivants :

Matériau approprié pour le dissipateur thermique

Le matériau utilisé pour le dissipateur thermique a un impact significatif sur la conception. Il existe différents types de matériaux à considérer dans ce cas :

• Matériaux d'interface

Les matériaux d'interface thermique comprennent le matériau qui remplit l'espace entre le dissipateur thermique. La plupart des fabricants utilisent souvent des matériaux comme le mica autres que l'air ordinaire. Les matériaux d'interface thermique offrent aux composants électriques une résistance thermique inférieure, permettant leur dissipation rapide de l'énergie thermique. L'énergie thermique créée par l'appareil électronique est une combinaison de la chaleur générée par ses composants.

Cependant, il est difficile de garantir un transfert thermique productif car chaque composant a une résistance thermique différente. Vous devez donc incorporer un matériau d’interface thermique pour assurer un transfert de chaleur réussi depuis l’appareil électronique, minimisant ainsi la résistance thermique.

• Matériau dissipateur de chaleur

Grâce à leur conductivité élevée, le cuivre et l'aluminium sont des matériaux couramment utilisés pour la fabrication de dissipateurs thermiques. L'aluminium, économique et flexible, est idéal pour cette application et facile à mettre en œuvre. Le cuivre, quant à lui, offre une excellente résistance à la corrosion et une conductivité thermique élevée. Bien que le cuivre soit un alliage standard utilisé dans la conception des dissipateurs thermiques, l'aluminium reste le matériau le plus répandu. Toutefois, une combinaison judicieuse de ces alliages permet d'obtenir d'excellents résultats.

Forme et disposition des ailettes du dissipateur thermique

Les ailettes sont des composants essentiels des dissipateurs thermiques qui facilitent un transfert de chaleur rapide et efficace vers l'air ambiant. Leur forme et leur disposition peuvent avoir un impact sur le flux d’énergie thermique, tandis que leur nombre et leur taille influencent considérablement l’efficacité.

Ainsi, l'emplacement ou le placement de ces ailettes doit faciliter un passage de l'air facile et efficace. Vous devez vous assurer que les ailettes de votre dissipateur thermique ont les meilleures formes, tailles et dispositions pour permettre un flux de chaleur efficace depuis le composant électrique.

Résistance thermique

Cela signifie la résistance du dissipateur thermique à la chaleur se déplaçant entre les semi-conducteurs et l’environnement. L'environnement peut être un fluide caloporteur ou de l'air ambiant. Lors du choix d'un dissipateur thermique pour votre appareil, il est crucial de déterminer sa résistance thermique.

Le chemin de transfert de chaleur doit avoir un degré important de résistance à la chaleur. Cela détermine la vitesse à laquelle la dissipation de la chaleur se produit. La résistance thermique révèle si la température diminue. Il garantit l’efficacité d’un dissipateur thermique.

Méthodes de fixation du dissipateur thermique

Les dissipateurs thermiques sont utilisés dans différents appareils, principalement des composants mécaniques, et la technique de fixation a souvent un impact significatif sur leur efficacité à dissiper la chaleur. Avant de choisir la technique de fixation idéale, tenez compte des exigences mécaniques et thermiques de votre appareil. Plusieurs méthodes sont utilisées pour fixer un dissipateur thermique à un appareil électronique. Les plus typiques comprennent :

• Clips métalliques
• Punaises
• Bandes thermiques
• époxy
• Clips en plastique
• Vis à ressort

Certains facteurs freinent cependant la compatibilité de ces techniques de fixation avec vos composants. Par exemple, bien que l’époxy soit une option idéale en matière de gestion thermique, son coût est élevé et nécessite des compétences plus élevées. De même, les rubans thermiques ne conviennent pas aux dissipateurs thermiques grands et lourds.

Conclusion

La conception du dissipateur thermique est fondamentale pour garantir des performances adéquates des dissipateurs thermiques. Les dissipateurs thermiques sont essentiels dans les appareils électroniques ; par conséquent, vous devez être méticuleux dans leur conception. Par conséquent, vous devez comprendre les différences entre les types de dissipateurs thermiques et prendre en compte les facteurs qui facilitent la conception.

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