Un dissipateur thermique est un élément essentiel de la gestion thermique. Il est conçu pour évacuer la chaleur des appareils électroniques afin de maintenir des performances et une longévité optimales. Des études montrent qu'une chaleur excessive peut réduire la durée de vie des composants et provoquer des pannes système. Les dissipateurs thermiques sont classés en fonction du matériau, de la conception et du mécanisme de refroidissement. L'aluminium et le cuivre sont les matériaux les plus courants en raison de leur conductivité thermique élevée. Le choix du dissipateur thermique adapté dépend des exigences de l'application, de la circulation de l'air, des propriétés du matériau et du procédé de fabrication. Cet article détaille les différents types de dissipateurs thermiques selon ces critères.
1. Dissipateurs thermiques par flux d'air
a. Dissipateur thermique passif
Un dissipateur thermique passif utilise la convection naturelle pour transférer la chaleur de l'appareil vers l'air ambiant. Sans pièces mobiles, il est plus fiable et ne nécessite pas d'alimentation externe. Les dissipateurs thermiques passifs sont utilisés dans les applications basse consommation et servent souvent de boîtier à double usage. Par exemple, un boîtier métallique sert à la fois de structure et de dissipateur thermique.
b. Dissipateur de chaleur actif
Un dissipateur thermique actif est doté de mécanismes de refroidissement supplémentaires, tels que des ventilateurs, des souffleries ou des systèmes de refroidissement liquide. Ces dissipateurs améliorent l'efficacité de la dissipation thermique en forçant l'air ou le liquide à traverser l'échangeur thermique. Bien que plus performants, ils nécessitent une alimentation externe, ce qui les rend moins fiables que les solutions passives. Les dissipateurs thermiques actifs sont utilisés dans le calcul haute performance, les équipements industriels et les applications nécessitant une capacité de refroidissement élevée.
2. Dissipateurs thermiques par matériau
a. Dissipateur de chaleur en aluminium
L'aluminium est le matériau le plus utilisé pour les dissipateurs thermiques, car il est léger, abordable et facile à fabriquer. Les alliages d'aluminium les plus courants sont :
- 6061 et 6063 – Équilibre la résistance et la conductivité thermique.
- 1050 et 1100 – Pureté supérieure et meilleures performances thermiques. Bien que l'aluminium présente une conductivité thermique modérée, il peut ne pas convenir aux applications nécessitant des taux de transfert thermique élevés.
b. Dissipateur de chaleur en cuivre
Le cuivre est un meilleur conducteur thermique, avec une conductivité thermique d'environ 400 W/mK, ce qui le rend idéal pour les applications de refroidissement haute performance. Cependant, plus lourd et plus cher que l'aluminium, il limite son utilisation dans les applications où le poids et le coût sont des facteurs importants. Les dissipateurs thermiques en cuivre sont utilisés dans les centres de données, les machines industrielles et les systèmes de refroidissement critiques.
c. Dissipateur thermique hybride (cuivre-aluminium)
Un dissipateur thermique hybride est doté d'une base en cuivre et d'ailettes en aluminium pour un équilibre parfait entre performances, poids et coût. La base en cuivre extrait la chaleur de la source tandis que les ailettes en aluminium la dissipent. Cette conception est utilisée pour le refroidissement électronique, où un coût modéré et des performances élevées sont requis.
3. Dissipateurs de chaleur utilisant de l'eau
a. Dissipateur thermique en métal massif
Les dissipateurs thermiques en métal massif sont les plus courants. Ils sont constitués d'une base métallique solide et d'un ensemble d'ailettes qui dissipent la chaleur dans l'air. Fabriqués en aluminium ou en cuivre, ces dissipateurs constituent une solution de refroidissement économique pour divers appareils électroniques. Leur simplicité et leur durabilité en font le type de dissipateur thermique le plus utilisé dans l'électronique grand public et les applications industrielles.
b. Dissipateur thermique à liquide pompé
Les dissipateurs thermiques à liquide pompé utilisent un liquide de refroidissement circulant à travers une plaque froide fixée à la source de chaleur. Le liquide absorbe la chaleur et la transporte vers un échangeur thermique séparé où elle est dissipée. Bien que très efficace, cette méthode nécessite des composants supplémentaires tels que des pompes et des tubes, ce qui réduit la fiabilité globale. Le refroidissement par liquide pompé est utilisé dans le calcul haute performance, les dispositifs médicaux et les applications industrielles où des charges thermiques extrêmes doivent être gérées.
c. Dissipateur thermique biphasé
Les dissipateurs thermiques biphasés sont équipés de chambres à vapeur ou de caloducs pour améliorer le transfert thermique. Ces dispositifs utilisent la technologie de changement de phase pour déplacer efficacement la chaleur sur une surface. Les caloducs transfèrent la chaleur via un fluide actif qui s'évapore et se condense cycliquement, tandis que les chambres à vapeur répartissent la chaleur uniformément sur une grande surface. Les dissipateurs thermiques biphasés sont aussi fiables que les modèles en métal massif, mais offrent de meilleures performances de refroidissement pour un coût légèrement supérieur.
4. Dissipateurs thermiques par procédé de fabrication
a. Dissipateur thermique usiné CNC
Les dissipateurs thermiques usinés CNC permettent des conceptions complexes et de haute précision, avec d'excellentes propriétés thermiques. Cependant, ce procédé de fabrication est coûteux et long, ce qui le rend inadapté à la production de masse. Les dissipateurs thermiques usinés CNC sont utilisés dans des applications personnalisées où la performance et la précision priment sur les considérations de coût.
b. Dissipateur thermique forgé et moulé sous pression
Les dissipateurs thermiques forgés et moulés sous pression constituent des solutions économiques pour la production en grande série. Le forgeage permet des conceptions de dissipateurs thermiques complexes, tandis que le moulage sous pression est idéal pour les ailettes épaisses utilisées dans les applications de convection naturelle. Cependant, ces deux procédés nécessitent un coût d'outillage initial important, ce qui les rend plus adaptés à la production à grande échelle.
c. Dissipateur thermique à ailettes zippées.
Les dissipateurs thermiques à ailettes Zipper sont dotés d'ailettes fines et denses pour des performances élevées. Ils sont souvent utilisés avec des caloducs ou des chambres à vapeur pour maximiser la dissipation thermique. Leur bon rapport performances/prix les rend adaptés aux applications de moyennes à hautes performances.
d. Dissipateur thermique à ailettes biseautées
Les dissipateurs thermiques à ailettes biseautées sont dotés d'ailettes fines et à rapport hauteur/largeur élevé, taillées directement dans un bloc de métal massif, pour des performances élevées. Cette méthode permet un assemblage serré des ailettes sans collage ni assemblage supplémentaire. Bien que les dissipateurs thermiques biseautés soient efficaces, leurs ailettes peuvent être fragiles et sujettes à la flexion.
e. Dissipateur thermique à ailettes collées
Les dissipateurs thermiques à ailettes collées sont destinés aux applications de refroidissement de grande envergure nécessitant une dissipation thermique maximale. Cette méthode permet d'utiliser différents matériaux pour la base et les ailettes, offrant ainsi une grande flexibilité de conception. Les dissipateurs thermiques à ailettes collées sont utilisés dans l'électronique de puissance et les systèmes de refroidissement industriels.
f. Dissipateur thermique extrudé
Les dissipateurs thermiques extrudés constituent l'option la plus économique. Ils sont fabriqués en forçant l'aluminium à travers une matrice pour créer une forme continue, qui est ensuite découpée à la taille souhaitée. Si l'extrusion limite la flexibilité de conception, l'usinage secondaire peut améliorer les performances. Les dissipateurs thermiques extrudés sont utilisés dans l'électronique grand public et les applications à performances modérées.
Conclusion
Le choix d'un dissipateur thermique implique de prendre en compte les performances, le matériau, le coût et les exigences de l'application. Les dissipateurs thermiques passifs et actifs répondent à des besoins de flux d'air différents, tandis que les dissipateurs thermiques en aluminium et en cuivre présentent des avantages différents en termes de coût et de performances. Les dissipateurs thermiques biphasés améliorent les performances dans les applications hautes performances.
Les avancées futures en matière de développement de dissipateurs thermiques se concentreront sur de nouveaux matériaux et techniques de fabrication, comme la fabrication additive (impression 3D) et les nouveaux matériaux à changement de phase. À mesure que l'électronique gagne en puissance et en compacité, les solutions de gestion thermique évolueront pour garantir efficacité et fiabilité dans tous les secteurs.
