Les dissipateurs thermiques sont largement utilisés dans tous types d'appareils électroniques, des ordinateurs aux éclairages à diodes électroluminescentes (LET). Ce dispositif conducteur absorbe et évacue la chaleur des composants, évitant ainsi toute surchauffe et tout dommage potentiel. Un dissipateur thermique bien conçu est essentiel à la dissipation thermique d'un appareil, afin de garantir des performances et une longévité optimales. Ce guide aborde les bases des caractéristiques, des types et des matériaux de conception des dissipateurs thermiques. Poursuivez votre lecture sur les techniques de fabrication et des conseils utiles pour la conception de dissipateurs thermiques.
Qu’est-ce qu’un dissipateur thermique ?
Dissipateurs de chaleur Les dissipateurs thermiques sont des dispositifs mécaniques qui empêchent la surchauffe d'un appareil grâce à la convection naturelle et forcée. Un dissipateur thermique permet de dissiper la chaleur générée en la répartissant sur sa surface et en refroidissant l'appareil à une température idéale grâce à des matériaux à haute conductivité thermique. Par conséquent, la plupart des fabricants accordent une attention particulière à la recherche d'une compatibilité thermique optimale entre le processeur et les transistors, afin d'éviter que la température et le ventilateur ne soient trop élevés. Ces composants à rayonnement thermique ne se limitent pas à un seul type ; les trois types courants dépendent de leur mode de dissipation thermique du système.
Le dissipateur thermique actif s'appuie sur la source d'alimentation du composant. Un mécanisme de convection forcée permet au fluide ou à l'air de circuler sur la zone chaude afin de transférer la chaleur vers le composant. Les fabricants utilisent généralement un ou deux ventilateurs pour faire circuler l'air vers le composant et ainsi le refroidir.
Le dissipateur thermique passif est une alternative courante. Cependant, il n'est pas aussi efficace pour dissiper la chaleur qu'un dissipateur thermique actif. Néanmoins, les dissipateurs thermiques passifs sont largement utilisés en raison de leur faible coût et de leur absence d'électricité. Cependant, lorsque vous choisissez un dissipateur thermique passif, les échangeurs thermiques passifs incluent les microcontrôleurs, les microprocesseurs, les chipsets, etc.
Le dissipateur thermique hybride utilise des méthodes de transfert thermique passives et actives. En cas de faible dissipation thermique, il n'utilise pas de ventilateur. La chaleur peut être transférée par convection naturelle. En revanche, en cas de température extrêmement élevée, le ventilateur s'ouvre automatiquement à l'automne, permettant ainsi un transfert thermique rapide et efficace.
Matériaux appropriés pour la conception de dissipateurs thermiques
Une conductivité thermique élevée, une légèreté et un bon rapport qualité-prix contribuent à une meilleure évacuation de la chaleur. Parmi les matériaux adaptés à la conception de dissipateurs thermiques, on peut citer :
- Aluminium
L'aluminium est largement utilisé en raison de son excellente conductivité thermique, de sa légèreté et de son prix avantageux. C'est une option courante dans les appareils électriques. Par exemple, les LED utilisent souvent l'aluminium comme dissipateur thermique.
- Alliages d'aluminium
Combiner l'aluminium avec d'autres métaux offre une meilleure résistance qu'avec de l'aluminium pur. Les alliages d'aluminium conservent leur légèreté. L'alliage le plus couramment utilisé est l'aluminium 1050.
- Copper
Le cuivre offre une conductivité thermique supérieure à celle de l'aluminium et convient parfaitement aux appareils et composants grâce à ses meilleures propriétés d'échange. Les processeurs utilisent souvent le cuivre comme composant sensible des dissipateurs thermiques en raison de son efficacité.
- Graphite
Comparé au cuivre, le graphite présente une conductivité thermique supérieure. De plus, il est extrêmement léger. Utilisé dans certaines situations nécessitant une évacuation légère de la chaleur, le graphite est plus coûteux et fragile.
- Céramique
Ce matériau présente une conductivité thermique inférieure à celle des autres métaux. Par conséquent, la céramique ne peut être utilisée que dans certaines applications spécifiques en raison de ses propriétés d'isolation thermique et électrique.
Techniques de fabrication courantes pour les dissipateurs thermiques
Différents types et matériaux sont nécessaires pour différentes méthodes de fabrication de dissipateurs thermiques. Par exemple, l'usinage CNC est souvent utilisé comme technique avancée, tandis que le moulage sous pression est adapté aux procédés simples.
Pour la construction complexe d'un dissipateur thermique, les machines CNC constituent la solution idéale pour une usinage efficace. Ces machines offrent des fonctions de perçage, de fraisage et de tournage. Il suffit de réaliser la conception dans un logiciel de CAO et de la transférer à l'usine pour la fabrication des composants. Une méthode précise permet de concevoir les pièces structurelles du dissipateur thermique, y compris le traitement de la surface inférieure.
L'extrusion est idéale pour la fabrication de dissipateurs thermiques simples et uniformes en grandes quantités. Bien qu'elle ne soit pas adaptée à la conception complexe des dissipateurs thermiques, sa production économique peut vous intéresser. L'aluminium 6063 est un matériau couramment utilisé dans l'extrusion de dissipateurs thermiques en raison de son excellent conducteur thermique.
Si vous connaissez le procédé de moulage par injection, vous comprendrez sans doute facilement le moulage sous pression. Ces deux techniques sont similaires. Dans le moulage sous pression, l'aluminium est chauffé à haute température, puis liquéfié et coulé dans le moule pour fabriquer le dissipateur thermique. Une fois le moulage terminé, le produit final est obtenu. Cette technique est largement utilisée et permet de réparer des structures plus complexes.
Conseils à prendre en compte lors de la conception du dissipateur thermique
Une conception adéquate du dissipateur thermique est essentielle pour une solution de gestion thermique efficace. Les facteurs suivants peuvent être pris en compte lors de la conception du dissipateur thermique :
- Forme et disposition of Ailettes du dissipateur de chaleur
Les ailettes sont des éléments essentiels d'un dissipateur thermique. Elles contribuent à transférer efficacement et rapidement la chaleur à l'air ambiant. Leur forme et leur disposition influencent le flux de chaleur, tout comme leur nombre et leur taille. Par conséquent, la conception et la disposition des ailettes doivent être étudiées pour assurer une circulation d'air fluide et efficace. Pour une dissipation thermique optimale, il est essentiel d'optimiser la forme, la taille et la disposition du dissipateur thermique afin de garantir une bonne conduction et une bonne dissipation des composants électriques.
- Résistance thermique
La résistance thermique est un facteur clé de l'efficacité du transfert de chaleur des semi-conducteurs vers l'environnement via le dissipateur thermique. Il est donc crucial de choisir la résistance thermique adéquate pour votre dissipateur thermique. La résistance thermique influence la température et la qualité du refroidissement du dissipateur thermique.
Trouver la chaleur de convection :
Qc = 2hA(Tcomposant – Tambiant) Où
h = 1.42[( Tcomposant – Tambiante )/H ] ＾0.25
A = HL + t(2H + L)
Qc : 2hA( Tcompent – Tambiant )
Vous remarquerez qu'il y a une surface séparée en A2 où la chaleur peut être transférée, ce qui détermine la valeur calorifique convective ici :
Qc = 2h2A2(Tcomposant – Tambiant) Où
s = 2.71 [ gβ(Tcomposant – Tambiant )/Lαv ]
A2 = L[2( H – b) + sb] + tL
Le calcul pour trouver la chaleur générée par rayonnement :
Qr2 = 2ϵσA2( T4composant – T4ambiant )
Qr = 2ϵσA1( T4composant – T4ambiant
Où
A2 = L(t + s) + 2(tH + sb
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
- Méthodes de fixation du dissipateur thermique
Les dissipateurs thermiques sont utilisés dans différents appareils, principalement les composants mécaniques. Leur fixation a une grande influence sur la dissipation thermique. Avant de choisir votre méthode, tenez compte des exigences mécaniques et thermiques de l'appareil. Les méthodes courantes de fixation sont les suivantes :
Clips en plastique
Clips métalliques
Punaises
Bandes thermiques
Epoxy
Applications courantes des dissipateurs thermiques
Les dissipateurs thermiques sont largement utilisés, principalement dans les appareils électroniques. En effet, ces appareils génèrent une chaleur importante en fonctionnement et peuvent refroidir leur température. Ces dispositifs influencent les performances des semi-conducteurs. Par conséquent, un dissipateur thermique peut réguler en continu la température du dispositif en fonctionnement. Les applications des dissipateurs thermiques sont les suivantes :
- Amplificateurs de puissance
La chaleur générée par le transistor de puissance peut provoquer une fuite de courant. Une augmentation du courant de collecteur entraîne une dissipation de puissance accrue, ce qui peut entraîner une augmentation de la température. Pire encore, un emballement thermique peut parfois survenir et endommager le transistor. Cependant, les dissipateurs thermiques peuvent prévenir ces dommages en réduisant rapidement la chaleur à leur surface.
- CPU
Lors du fonctionnement de l'ordinateur, les puces du processeur et de la carte graphique sont surchargées, ce qui génère une chaleur importante. Le dissipateur thermique peut rapidement évacuer la chaleur du CPS vers la puce, la conduisant le long de la surface et la dissipant dans l'air.
- Optoélectronique
Les diodes électroluminescentes (DEL) et les lasers sont des applications courantes des dissipateurs thermiques. Ces dispositifs ne permettent pas de minimiser les températures de fonctionnement. Le fluide de refroidissement joue donc un rôle essentiel pour garantir la longévité du dispositif, car la température de fonctionnement influence sa durée de vie.
Commencez à concevoir facilement votre dissipateur thermique
La conception du dissipateur thermique est essentielle pour garantir son bon fonctionnement. Dans tout appareil électronique, les dissipateurs thermiques sont indispensables. Par conséquent, la conception d'un dissipateur thermique est essentielle. Avant de vous lancer dans ce projet, il est important de comprendre les bases et d'améliorer continuellement la conception de votre dissipateur thermique en fonction de vos besoins.
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