Dans les machines et les circuits, les dissipateurs thermiques sont les composants les plus négligés. Cependant, ce n’est pas le cas lors de la conception de matériel, car les dissipateurs thermiques jouent un rôle très important. Presque toutes les technologies, y compris les processeurs, les diodes et les transistors, génèrent de la chaleur, ce qui peut dégrader les performances thermiques et rendre le fonctionnement inefficace.
Pour surmonter le défi de la dissipation thermique, différents types de dissipateurs thermiques sont conçus pour fonctionner avec différents composants et les maintenir en fonctionnement à des températures optimales. Avec les progrès rapides de la technologie (en particulier la nanotechnologie) et pour rendre les choses aussi compactes et efficaces que possible, une chaleur appropriée la conception des éviers est devenue un facteur de contrôle et d’équilibre dans la fabrication de produits électroniques. Par conséquent, cet article abordera les détails et les considérations de conception des dissipateurs thermiques.
A dissipateur de chaleur est une méthode largement utilisée pour refroidir des pièces ou des assemblages qui peuvent devenir chauds pendant leur utilisation. De nombreux types d'appareils ou de machines électroniques et mécaniques utilisent des dissipateurs de chaleur pour les aider à dissiper la chaleur qu'ils génèrent. Les dissipateurs de chaleur sont essentiels pour toute machine qui utilise des fils, des composants électroniques, des micropuces ou tout autre élément générant naturellement de la chaleur. Dans le monde moderne, cela couvre à peu près tout.
Si vous connaissez le terme « dissipateur de chaleur », vous pouvez l'associer aux ordinateurs portables, aux ordinateurs de bureau, aux processeurs ou à l'industrie. Évidemment, la taille de ces composants varie considérablement, mais ils reposent tous sur des dissipateurs thermiques pour la régulation thermique. Dans les ordinateurs portables ou PC et autres appareils électroniques, ils le font en faisant circuler la chaleur du processeur central ou de la puce électronique. Les machines des usines de production de masse et des entrepôts les utilisent souvent pour rediriger l’air chaud des composants et des fils électriques.
Types de dissipateurs de chaleur
La première étape pour déterminer la conception d’un dissipateur thermique consiste à déterminer le type de configuration. Il existe deux types populaires de dissipateurs thermiques.
Dissipateurs de chaleur passifs
Les dissipateurs de chaleur passifs sont le choix traditionnel ; ils utilisent le flux d'air naturel. La convection naturelle s'accumule sur les dissipateurs thermiques et éloigne la chaleur des composants. Ils sont moins chers à exploiter et ne nécessitent pas d’électricité supplémentaire.
Dissipateurs de chaleur actifs
Les dissipateurs thermiques actifs sont plus efficaces et plus puissants, mais ils nécessitent une convection forcée et utilisent de l'air ou un fluide pour rendre possible le transfert de chaleur. Ils sont facilement reconnaissables car ils utilisent des appareils motorisés tels que des ventilateurs à proximité des dissipateurs thermiques.
Le choix de n'importe quel type de dissipateurs thermiques peut entraîner des modifications de conception. Par exemple, un dissipateur thermique actif qui repose sur un ventilateur nécessite une surface plus petite et des matériaux plus légers pour dissiper la même quantité de chaleur qu'un conducteur passif.
Dissipateurs de chaleur en cuivre
Le cuivre est souvent utilisé comme matériau de base pour une large gamme de modèles de dissipateurs thermiques en raison de ses qualités impressionnantes de transfert de chaleur. C'est un excellent conducteur de chaleur et aide à évacuer rapidement et efficacement la chaleur de l'appareil ou du circuit que vous essayez de refroidir. En revanche, les dissipateurs thermiques en cuivre sont souvent plus chers (jusqu'à trois fois plus lourds) que les alternatives populaires telles que l'aluminium.
Dissipateurs de chaleur en aluminium
Bien que l’aluminium ne conduise pas la chaleur aussi efficacement que le cuivre, il est relativement léger et moins cher. Lorsqu'il est utilisé dans des feuilles minces (aluminium extrudé), il peut également s'agir d'un métal structurellement plus robuste, comme c'est le cas avec la plupart des constructions de dissipateurs thermiques en cuivre et en aluminium. Une caractéristique de conception de nombreux dissipateurs thermiques en aluminium est de permettre à la chaleur de monter à travers un certain nombre de fines ailettes métalliques – expliquée plus en détail dans la section suivante.
Certains types de dissipateurs thermiques, tels que les ailettes collées, peuvent être fabriqués à la fois en cuivre et en aluminium. Il n'est pas rare qu'un métal soit utilisé pour la base ou la plaque de contact (généralement du cuivre) et l'autre pour les ailettes.
Dissipateurs de chaleur à ailettes
Les dissipateurs thermiques à ailettes sont constitués d'un bloc de métal solide qui est en forme de plumes ou découpé en un certain nombre de plaques très fines qui s'étendent à partir d'un bloc central. Cette conception confère aux dissipateurs thermiques à ailettes une plus grande surface. Il peut transférer plus efficacement la chaleur de tout composant auquel le refroidisseur est fixé.
Plusieurs processus potentiels peuvent être utilisés lors de la conception et de la fabrication d’un dissipateur thermique. Aujourd'hui, les plus courants sont probablement les moules de forgeage ou de moulage sous pression, ou l'usinage CNC ou fraisage. Les dissipateurs thermiques à ailettes moulées sous pression sont plus courants dans les ventes moins chères et à volume élevé, tandis que les dissipateurs thermiques à ailettes fraisés CNC produisent généralement un produit plus cher mais de meilleure qualité qui a tendance à être expédié en quantités moindres.
Dissipateurs de chaleur fixes
Un dissipateur thermique avec des broches peut être appelé simplement un dissipateur thermique à broches ou un refroidisseur à ailettes. En fait, il s’agit simplement d’une conception alternative à la conception à ailettes plates plus courante décrite ci-dessus. Dans la construction à goupilles, le bloc central se compose d'un ensemble de broches ou de tiges qui s'étendent vers le haut ou vers l'extérieur à partir de sa base. Les broches elles-mêmes peuvent être cylindriques, ovales ou carrées.
Un dissipateur thermique épinglé est généralement calculé pour avoir une surface totale plus grande qu'un dissipateur thermique à ailettes. Cependant, ils ne vous apportent pas nécessairement une amélioration significative des performances dans de nombreuses applications quotidiennes, et ils ne sont généralement pas aussi largement utilisés que les modèles à ailerons.
Matériaux du dissipateur de chaleur
Les dissipateurs thermiques sont généralement fabriqués à partir d'alliages d'aluminium ou de cuivre et le matériau est généralement déterminé par l'application, la résistance thermique, la méthode de production et le budget.
Les dissipateurs thermiques en aluminium sont généralement fabriqués à partir d'aluminium 1050 (très conducteur thermique mais peu résistant) ou d'aluminium 6060, 6061 ou 6063 (moins conducteur mais avec de meilleures propriétés mécaniques). Les dissipateurs thermiques les plus abordables sont généralement fabriqués à partir d’alliages d’aluminium.
Les dissipateurs thermiques en cuivre ont une excellente conductivité thermique – il est deux fois plus conducteur que l’aluminium – ainsi qu’une résistance à la corrosion, des propriétés antimicrobiennes et d’autres propriétés souhaitables. Cela fait des dissipateurs thermiques en cuivre une option premium ; Cependant, non seulement le cuivre est plus cher que les alliages d'aluminium, mais il est aussi souvent plus difficile à façonner.
Graphite
Le graphite et les autres matériaux carbonés ont des propriétés thermiques proches de celles du cuivre, mais sont nettement plus légers. Ils sont utilisés dans des applications où le poids est un facteur critique.
Diamond
Le diamant possède la meilleure conductivité thermique de tous les matériaux, mais son coût élevé et sa complexité de fabrication limitent son utilisation dans des applications spécialisées haut de gamme telles que le refroidissement des semi-conducteurs.
Types de fabrication de dissipateurs de chaleur
Qu'est-ce qui transforme un simple morceau de métal en ces dispositifs de refroidissement complexes ? Jetons un coup d'œil à six processus de fabrication de dissipateurs thermiques.
Extruded
L'extrusion est un processus continu dans lequel l'aluminium ou un autre matériau de dissipateur thermique est chauffé et forcé à travers une filière avec un profil de section spécifique. Le matériau est rendu en longueurs continues avec la forme souhaitée et peut ensuite être coupé à la taille requise. Sa vitesse de production élevée et sa rentabilité le rendent adapté à la production en grand volume. Des propriétés matérielles constantes sont conservées tout au long du processus d’extrusion.
Coulée sous pression
Au cours du processus de moulage sous pression, du métal en fusion, tel que l'aluminium ou le zinc, est injecté dans une matrice en acier (moule) sous haute pression. Ce processus actif garantit que le métal en fusion remplit complètement la cavité du moule. Comme le métal est activement poussé dans la cavité, il se solidifie rapidement et épouse la forme du moule. La haute pression maintenue garantit que chaque détail du moule est rempli avec précision, ce qui donne lieu à un dissipateur thermique aux caractéristiques complexes et aux surfaces lisses.
Aileron d'estampage
L'emboutissage implique l'utilisation de matrices et de poinçons pour couper et façonner la tôle dans la forme souhaitée. Ce processus produit des dissipateurs thermiques avec des dimensions et des motifs spécifiques. L'estampage convient à la création de motifs répétitifs tels que des ailettes, est rentable pour les volumes moyens à élevés et offre des vitesses de production relativement rapides.
L'usinage à commande numérique par ordinateur (CNC) est le processus par lequel un ordinateur indique à une machine exactement comment sculpter un dissipateur thermique dans un bloc de métal. Ce processus permet la création de formes géométriques complexes et de détails complexes. La technologie d'usinage avancée offre plusieurs avantages, notamment une exactitude et une précision élevées, la possibilité de personnaliser les conceptions et l'adéquation à la production de petits et moyens volumes.
Découpe de métal
Le skiving est un processus de découpe de précision qui transforme un bloc de métal solide (généralement de l'aluminium ou du cuivre) en un dissipateur thermique doté d'une série d'ailettes fines et régulièrement espacées. Le processus commence par un bloc de métal rectangulaire, qui est ensuite usiné pour produire la surface à ailettes souhaitée. Les épaisseurs des ailerons vont de 0.25 à 0.8 mm, permettant des efficacités thermiques élevées dans les ailerons légers.
Forgeage du métal
Le forgeage consiste à façonner le métal en appliquant une force de compression à l'aide d'outils tels que des matrices, des marteaux ou des presses. Le procédé améliore l'organisation des grains et les propriétés mécaniques du matériau. Le forgeage est le choix pour fabriquer un dissipateur thermique car il produit des structures monobloc solides avec un excellent transfert de chaleur et une faible résistance, parfaites pour les tâches de refroidissement exigeantes.
Comparaison de l'usinage CNC et de l'extrusion d'aluminium pour le dissipateur thermique
Malgré le fait qu'il existe de nombreuses façons d'usiner un dissipateur thermique, les plus courantes et les plus utilisées sont la CNC et l'extrusion.
Avantages du dissipateur thermique d'usinage CNC
L'usinage CNC offre plusieurs avantages pour la production de dissipateurs thermiques en aluminium :
Précision et exactitude
L'usinage CNC permet la création de conceptions de dissipateurs thermiques très précises et précises avec des tolérances serrées et des géométries complexes. Cela permet la production de dissipateurs thermiques avec des performances thermiques optimales, adaptées aux exigences spécifiques de l'application.
Polyvalence des matériaux
L'usinage CNC permet l'usinage d'une grande variété d'alliages d'aluminium, chacun ayant ses propres propriétés et caractéristiques uniques. Cette flexibilité permet aux fabricants de sélectionner le matériau de dissipateur thermique optimal en fonction de facteurs tels que la conductivité thermique, la résistance à la corrosion et le poids.
Délais réduits
Les processus d'usinage CNC peuvent produire un dissipateur thermique en aluminium relativement rapidement, surtout par rapport à d'autres méthodes de fabrication. Cela permet de réduire les délais de livraison et d’augmenter la productivité globale.
Personnalisation
L'usinage CNC permet de réaliser des conceptions de dissipateurs thermiques hautement personnalisées, permettant aux fabricants de proposer des solutions sur mesure à leurs clients. Ceci est particulièrement avantageux pour les applications de niche ou les industries spécialisées où les solutions standard peuvent ne pas convenir.
Avantages du dissipateur thermique en aluminium extrudé
L'extrusion d'aluminium offre également plusieurs avantages clés pour la fabrication de dissipateurs thermiques.
Production efficace
L'extrusion est un processus de fabrication intrinsèquement efficace car il crée des profilés en aluminium continus avec un minimum de déchets. Cela peut entraîner des économies de coûts, en particulier pour les séries de production en série.
Flexibilité de conception
Bien qu'elle ne soit pas aussi polyvalente en termes de complexité de conception que l'usinage CNC, l'extrusion d'aluminium permet néanmoins une large gamme de formes et de tailles de dissipateurs thermiques. Ceci est avantageux pour les fabricants qui cherchent à trouver un équilibre entre flexibilité de conception et efficacité de production.
Qualité constante
Le processus d'extrusion produit un dissipateur thermique en aluminium avec une qualité constante et des propriétés matérielles uniformes. Cela permet de garantir que le dissipateur thermique fonctionne de manière fiable et efficace tout au long de sa durée de vie.
Évolutivité
L'extrusion d'aluminium est hautement évolutive, ce qui la rend idéale pour les fabricants qui doivent produire de grandes quantités de dissipateurs thermiques. Le processus d'extrusion peut être facilement étendu ou réduit pour répondre à différentes exigences de production sans impact significatif sur les coûts ou les délais de livraison.
Dissipateurs de chaleur usinés CNC | Dissipateurs de chaleur en aluminium extrudé | |
Précision et exactitude | Précision et exactitude élevées avec des tolérances serrées et des géométries complexes pour des performances thermiques optimales. | Bien que précis, ils pourraient ne pas atteindre la complexité que l'usinage CNC peut fournir. |
Polyvalence des matériaux | Peut fonctionner avec une large gamme d'alliages d'aluminium, permettant une sélection optimale des matériaux en fonction de la conductivité thermique, de la résistance à la corrosion et du poids. | Généralement limité à des alliages d'aluminium spécifiques adaptés au processus d'extrusion. |
Vitesse de production | Production relativement rapide, réduisant les délais. | Le processus de production très efficace, est adapté aux séries de production à grande échelle. |
Personnalisation | Le degré élevé de personnalisation permet des solutions sur mesure. | Un certain degré de flexibilité de conception, mais pas aussi élevé que l'usinage CNC. Idéal pour les formes et tailles standards. |
Cohérence et qualité | Qualité constante, dépendante de la précision de la machine CNC et du programme. | Qualité constante avec des propriétés de matériau uniformes, en raison de la nature du processus d'extrusion. |
Évolutivité | Évolutif, mais le temps de configuration et de programmation peut augmenter pour différentes conceptions. | Hautement évolutif, idéal pour les gros volumes, avec un impact minimal sur les coûts ou les délais lors de la modification du volume de production. |
L'usinage CNC et l'extrusion d'aluminium ont tous deux leurs propres avantages et inconvénients en matière d'efficacité de fabrication. L'usinage CNC peut produire des dissipateurs thermiques très complexes et personnalisés, mais le processus peut être plus long et plus coûteux, en particulier pour les grandes séries de production. L'extrusion d'aluminium, en revanche, est une méthode plus efficace et plus rentable pour produire de grandes quantités de dissipateurs thermiques, bien que le processus puisse ne pas convenir à des conceptions très complexes ou spécialisées.
En fin de compte, le choix entre l'usinage CNC et l'extrusion d'aluminium pour la fabrication de dissipateurs thermiques dépendra de facteurs tels que la complexité de la conception, le volume de production requis et les exigences spécifiques de gestion thermique de l'application.
Comment choisir le bon dissipateur thermique
Lorsque vous vous demandez : « Quel type de dissipateur thermique dois-je acheter ? » la réponse dépend presque toujours de votre configuration spécifique et de vos besoins de refroidissement. La première étape pour comprendre comment choisir un dissipateur thermique consiste à déterminer quelques détails de base concernant votre application prévue.
Les principales considérations pour la sélection optimale du dissipateur thermique incluent.
Quel type de consommation d’énergie le composant en question utilisera-t-il ? Ceci est souvent appelé TDP (Thermal Design Power, ou Thermal Design Profile). Le TDP est souvent utilisé comme indication de base de la consommation électrique d'un composant, en particulier du CPU (processeur) et du GPU (carte vidéo). spécifie la quantité maximale de chaleur en watts qu'un composant peut utiliser. Il s'agit souvent d'un bon indicateur de la température à laquelle un composant particulier est susceptible d'être soumis à une charge. Idéalement, la température à laquelle le composant doit rester froid pour des performances optimales.
Combien d'espace est disponible pour installer un refroidisseur, un radiateur ou un radiateur ? Ils sont disponibles dans une variété de tailles, des minuscules radiateurs modulaires aux installations beaucoup plus grandes. Quel type de conception ou de disposition de radiateur fournira les meilleures performances thermiques pour les spécifications de votre système.
Avez-vous besoin d'un radiateur actif ou passif ?
Combien êtes-vous prêt à dépenser pour une glacière ?
Pour aller plus loin
En résumé, les dissipateurs thermiques jouent un rôle essentiel dans la gestion des niveaux de température des appareils électroniques, offrant ainsi une solution efficace et rentable pour la gestion thermique. En comprenant les matériaux, les considérations de conception et les facteurs de performances associés aux dissipateurs thermiques, vous pouvez prendre des décisions éclairées pour optimiser la solution de refroidissement pour votre application. Chez AN PROTOTYPE, nous fournissons des dissipateurs thermiques de haute qualité adaptés à vos besoins, garantissant des performances fiables et une longévité à vos systèmes électroniques.