Que sont les dissipateurs thermiques et comment sont-ils fabriqués ?

Les appareils électroniques tels que les ordinateurs personnels génèrent de la chaleur lorsqu'ils sont utilisés. L'électricité traverse les différents fils et composants de l'appareil, rencontrant une résistance au fur et à mesure, et cette résistance génère de la chaleur , augmentant rapidement la température de l'appareil.

Si elle n'est pas contrôlée, cette chaleur peut avoir des conséquences désastreuses pour l'appareil :les composants comme l'unité centrale de traitement (CPU) sont fragiles et ne sont pas capables de supporter des températures extrêmement élevées; une surchauffe peut donc entraîner un dysfonctionnement ou des dommages permanents.

Heureusement, de nombreux appareils électroniques et mécaniques évitent ce problème en utilisant des dissipateurs de chaleur (ou radiateurs) :composants spéciaux qui dissipent la chaleur des zones importantes de l'appareil afin de le garder frais et fonctionnel.

Malgré leur petite taille, les dissipateurs thermiques sont des composants extrêmement importants et peuvent être fabriqués de différentes manières. Cet article examine le fonctionnement des dissipateurs thermiques, les avantages des dissipateurs thermiques, les différents types de dissipateurs thermiques et la fabrication des dissipateurs thermiques.

Qu'est-ce qu'un dissipateur de chaleur ?

Un dissipateur de chaleur est une sorte d'échangeur de chaleur passif dont la fonction est de réguler la température d'un appareil électronique ou mécanique. Il transfère la chaleur d'un composant générant de la chaleur à un fluide (air ou liquide de refroidissement), permettant à la chaleur de se dissiper loin de l'appareil.

Les dissipateurs thermiques fonctionnent en utilisant un conducteur thermique pour évacuer la chaleur d'une source de chaleur, l'attirant vers sa propre grande surface qui entre en contact avec le fluide de refroidissement, c'est-à-dire l'air ou un autre fluide. Le besoin d'une grande surface est la raison pour laquelle les dissipateurs thermiques se composent généralement d'une base reliée à un certain nombre d'ailettes ou de broches très étroites :cette forme est la meilleure façon d'adapter autant de surface que possible dans un volume donné.

Utilisés dans de nombreux secteurs, les dissipateurs thermiques sont souvent utilisés pour refroidir les composants informatiques tels que les processeurs et les GPU, ainsi que les transistors de puissance et les lasers.

Déterminer si un dissipateur thermique est nécessaire - et quel type de dissipateur thermique - implique d'établir la température de fonctionnement de jonction maximale d'un circuit. Si la température de fonctionnement est dépassée, cela entraînera un dysfonctionnement ou une rupture de la pièce. En général, les composants avec une température de fonctionnement maximale inférieure (ou ceux qui génèrent simplement beaucoup de chaleur) nécessitent des dissipateurs thermiques plus efficaces.

Avantages des dissipateurs de chaleur

La fonction principale d'un dissipateur thermique est de réguler la température et d'empêcher la surchauffe. Cela offre des avantages tels que les suivants :

• Éviter la surchauffe
• Prévenir la défaillance ou la casse des pièces
• Fournit de la chaleur au cas où la température chuterait trop bas

Types de dissipateur thermique

Les dissipateurs thermiques consistent généralement en une base solide avec des protubérances qui en sortent. Mais la forme et la taille de ces protubérances affectent les performances du dissipateur thermique. Les variétés de dissipateurs thermiques les plus courantes incluent :

• Dissipateur thermique Pin-fin :Les dissipateurs thermiques Pin-fin ont des broches qui s'étendent à partir de la base. Ils offrent la plus grande surface de tous les types de dissipateurs thermiques et sont les meilleurs dans les situations de faible débit d'air (ou de flux d'air aléatoire/multidirectionnel). Les broches peuvent avoir différentes formes :
  • Cylindrique
  • Elliptique
  • Carré
• Dissipateur thermique à ailettes :Plus courants que les dissipateurs thermiques à ailettes, les dissipateurs thermiques à ailettes à plaques ont des ailettes rectangulaires qui s'étendent à partir de la base. Ils constituent le meilleur type de dissipateur thermique lorsque le flux d'air est unidirectionnel.
• Dissipateur thermique à ailettes évasées  :Une variante du dissipateur thermique à ailettes à plaques, les dissipateurs thermiques à ailettes évasées ont une disposition d'ailettes évasées et diminuent la résistance à l'écoulement.

Certains dissipateurs thermiques sont équipés de ventilateurs , et les dissipateurs thermiques de ce type peuvent être appelés dissipateurs thermiques actifs ou dissipateurs thermiques refroidis par ventilateur. Ceux sans ventilateurs peuvent être appelés dissipateurs thermiques passifs. Les ventilateurs fournissent une source constante de flux d'air, ce qui améliore la fonctionnalité du dissipateur thermique.

Matériaux du dissipateur de chaleur

Les dissipateurs thermiques sont généralement constitués d'alliages d'aluminium ou de cuivre, le matériau étant généralement déterminé par l'application, l'intensité thermique, la méthode de production et le budget.

Aluminium les dissipateurs thermiques sont généralement en aluminium 1050 (très conducteur thermique mais peu résistant) ou en aluminium 6060, 6061 ou 6063 (moins conducteur mais avec de meilleures propriétés mécaniques). Les dissipateurs thermiques les plus abordables sont généralement en alliage d'aluminium.

Cuivre Les dissipateurs thermiques offrent une excellente conductivité thermique - il est deux fois plus conducteur que l'aluminium - ainsi qu'une résistance à la corrosion, une résistance antimicrobienne et d'autres propriétés souhaitables. Cela fait des dissipateurs de chaleur en cuivre un choix de première qualité ; cependant, le cuivre est à la fois plus cher que les alliages d'aluminium et généralement plus difficile à former.

Méthodes de fixation du dissipateur de chaleur

La méthode de fixation du dissipateur thermique est la façon dont le dissipateur thermique est monté sur le composant dont il tente de réguler la température, par ex. le processeur d'un ordinateur.

Les méthodes de fixation comprennent le ruban thermoconducteur (pour les dissipateurs de chaleur de faible masse), l'époxy (liaison mécanique solide mais irréversible), les clips, les clips en Z en forme de fil, les punaises en laiton/plastique ou les entretoises filetées (pour les très grands dissipateurs de chaleur).

Facteurs affectant les performances du dissipateur thermique

Plusieurs variables affectent les performances d'un dissipateur thermique et son efficacité à dissiper la chaleur d'un composant tel qu'un processeur. Les facteurs de performance importants du dissipateur thermique incluent :

• La conductivité thermique du matériau du dissipateur thermique (par exemple, cuivre ou alliage d'aluminium)
• La taille du dissipateur thermique
• Le type, le nombre et la disposition des ailettes sur le dissipateur thermique
• La taille des conduits entre chaque ailette
• Le coefficient de transfert de chaleur
• Le débit d'air

Comment fabriquer des dissipateurs de chaleur

Comment fabrique-t-on un dissipateur de chaleur ? Cela dépend de plusieurs facteurs, tels que la taille et le matériau de votre dissipateur thermique, et le type de fabricant qui le fabrique. La fabrication de dissipateurs thermiques peut en fait impliquer une gamme de technologies de production, y compris le moulage et le fraisage CNC.

Extrusion

L'extrusion, le processus consistant à forcer des billettes de métal chaud à travers une filière en acier, est le moyen le plus courant de fabriquer des dissipateurs thermiques en aluminium. Il s'agit d'une méthode rapide, efficace et économique pour fabriquer des dissipateurs thermiques à partir de matériaux ductiles comme l'aluminium 1050. Les dissipateurs thermiques en aluminium extrudé sont généralement anodisés avant utilisation.

Skiner

Le biseautage ou le décapage, le processus de découpe du matériau en tranches, est un processus de fabrication courant pour la production de dissipateurs thermiques à ailettes à plaques et à ailettes évasées. Le processus permet des ailettes plus fines et plus serrées que l'extrusion, et fournit également un niveau ou une rugosité de surface, ce qui augmente légèrement la surface totale.

Diffusion

La coulée, le processus de coulée de métal en fusion dans un moule, est une autre façon de fabriquer des dissipateurs de chaleur - en aluminium ou en cuivre. Les dissipateurs thermiques moulés sous pression peuvent avoir un haut niveau de complexité et offrir d'excellentes propriétés mécaniques. Le moulage sous pression est également parfois utilisé pour fabriquer des dissipateurs thermiques en zinc.

Fraisage

Le fraisage, le processus soustractif de découpe de matériau à partir d'une pièce brute, est un moyen abordable de fabriquer des dissipateurs de chaleur avec pratiquement n'importe quelle forme géométrique, à partir de matériaux tels que les alliages d'aluminium. Les dissipateurs thermiques fraisés (ou les dissipateurs thermiques usinés) peuvent être plus chers que les alternatives, en particulier en grande quantité, mais ils peuvent également être fabriqués très rapidement. En savoir plus sur l'usinage de l'aluminium.

Impression 3D

Les progrès récents de la fabrication additive en cuivre ont fait des dissipateurs thermiques imprimés en 3D une alternative viable à leurs homologues traditionnels. Les technologies de fusion sur lit de poudre et de dépôt d'énergie dirigée ont été utilisées avec le plus de succès à cette fin.

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