Les fondamentaux du dissipateur thermique : définition, fonctionnement, composants, types et applications

Un dissipateur thermique est un dispositif utilisé pour transférer la chaleur d'une source de chaleur vers l'environnement environnant. Le transfert de chaleur est réalisé par une combinaison de conduction, convection, et, dans une moindre mesure, rayonnement. Un dissipateur thermique a généralement une base avec plusieurs ailettes sur le dessus, conçues pour augmenter la surface de transfert de chaleur vers le fluide environnant. Ils peuvent être refroidis soit passivement (par convection naturelle) soit activement (par convection forcée depuis un ventilateur ou une pompe).

Cet article décrira ce qu'est un dissipateur thermique, comment il fonctionne, les divers composants qui le composent, et quelques applications courantes des dissipateurs thermiques.

Qu'est-ce qu'un dissipateur thermique ?

Un dissipateur thermique est un type d'échangeur de chaleur utilisé pour transférer la chaleur d'un dispositif producteur de chaleur ou source de chaleur vers un fluide environnant. Ce fluide est communément l'air, mais peut aussi être de l'eau dans des boucles scellées ou des fluides de transfert thermique spécialisés non conducteurs, comme les mélanges de glycol ou huiles diélectriques. Le refroidissement peut se produire passivement par convection naturelle ou activement par flux d'air forcé, typiquement d'un ventilateur. Les dissipateurs thermiques sont couramment faits de cuivre ou d'aluminium.

À quoi ressemble un dissipateur thermique ?

Un type courant de dissipateur thermique est montré dans la Figure 1 ci-dessous :

Une illustration montrant comment fonctionne un dissipateur thermique

Comment fonctionne un dissipateur thermique ?

Un dissipateur thermique utilise les principes de transfert de chaleur conductif, convectif, et radiatif pour déplacer la chaleur d'une source plus chaude vers un fluide à température plus basse. La chaleur est conduite de cette source dans le dissipateur. Les dissipateurs sont faits de matériaux à haute conductivité thermique, comme le cuivre ou l'aluminium, leur permettant de conduire rapidement la chaleur loin de la source. Cette chaleur se transfère ensuite du dissipateur vers le fluide environnant via convection et rayonnement. Le taux de transfert de chaleur est augmenté en ayant une grande surface en contact avec le fluide d'échange thermique. La surface peut être dramatiquement augmentée en taillant des ailettes dans le matériau de base du dissipateur.

Selon les exigences de refroidissement, les dissipateurs thermiques fonctionnent soit par convection naturelle (refroidissement passif) soit par convection forcée fournie par un ventilateur ou une pompe liquide (refroidissement actif).

Quel est le but d'un dissipateur thermique ?

Un dissipateur thermique est conçu pour dissiper la chaleur perdue causée par le fonctionnement de dispositifs électriques ou mécaniques. Cette chaleur perdue peut s'accumuler et causer des défaillances ou dégrader la performance si elle n'est pas évacuée.

Quels sont les composants clés d'un dissipateur thermique ?

Un dissipateur thermique est un dispositif relativement simple. Voici les cinq composants qui composent un dissipateur thermique typique :

1. Base

La base d'un dissipateur thermique est typiquement un bloc ou une feuille plate de matériau avec une excellente conductivité thermique. La base a généralement une épaisseur de section transversale constante, mais elle peut aussi être conçue pour avoir un profil de section transversale qui optimise le transfert de chaleur pour la géométrie spécifique de la source de chaleur. La base est typiquement montée sur la source de chaleur avec du matériel de fixation et de la pâte thermique.

2. Ailettes

Les ailettes saillantes de la base du dissipateur sont responsables du transfert de chaleur vers le fluide environnant. Ces ailettes augmentent la surface du dissipateur en contact avec l'air ou le liquide de refroidissement, ce qui améliore le taux de dissipation de chaleur.

Les ailettes peuvent soit former une partie intégrale de la base, soit être attachées séparément en utilisant diverses techniques, par exemple via un processus de compression. La forme et l'arrangement des ailettes peuvent dramatiquement améliorer le taux de transfert de chaleur.

3. Caloducs (Heat Pipes)

Un caloduc est conçu pour transférer la chaleur le long de son axe. Les caloducs peuvent être incorporés à l'intérieur de dissipateurs thermiques standards et de diffuseurs de chaleur par ajustage sous pression, brasage, et époxy thermoconducteur pour améliorer leur efficacité de transfert de chaleur. Ils fonctionnent en transférant la chaleur via un mécanisme de changement de phase qui cause la vaporisation du fluide à la source de chaleur, puis son déplacement le long de l'axe du caloduc jusqu'au point où il refroidit et redevient liquide par condensation.

4. Matériau d'interface thermique

Les matériaux d'interface thermique, ou pâtes thermiques, sont utilisés pour améliorer significativement le transfert de chaleur entre la source de chaleur et la base du dissipateur en comblant les vides d'air entre la source de chaleur et le dissipateur. L'air étant un mauvais conducteur de chaleur, combler les gaps d'air avec un matériau plus thermoconducteur améliore l'efficacité de refroidissement d'un dissipateur. Les pâtes thermiques peuvent être à base de céramique, d'oxyde métallique, ou de silicone. Les pâtes thermiques à base métallique offrent une haute conductivité thermique mais sont électriquement conductrices et doivent être utilisées avec prudence près de composants sensibles.

5. Matériel de fixation

Les dissipateurs thermiques peuvent être solidement fixés à leurs sources de chaleur cibles en utilisant plusieurs méthodes de montage différentes. Pour les petits dissipateurs, un adhésif à haute conductivité thermique est utilisé pour coller directement le dissipateur sur une source de chaleur. Cette méthode est typiquement utilisée sur les petits composants PCB. Pour les dissipateurs plus grands, des vis normales peuvent être utilisées, ou alternativement, des goupilles à ressort sont utilisées pour optimiser la pression de contact entre la source de chaleur et le dissipateur.

De quels matériaux sont faits les dissipateurs thermiques ?

Les dissipateurs thermiques sont faits de matériaux à haute conductivité thermique. Les plus courants sont listés ci-dessous.

1. Aluminium : L'aluminium est un matériau léger, peu coûteux, avec une bonne conductivité thermique. Il est couramment utilisé dans les dissipateurs pour dispositifs électroniques, comme les ordinateurs et les lumières LED.
2. Cuivre : Le cuivre a une excellente conductivité thermique et peut être utilisé sur des composants plus sensibles comme les processeurs d'ordinateur.
3. Alliages d'aluminium : L'aluminium pur est mou et difficile à usiner, donc les alliages d'aluminium sont souvent utilisés. Les alliages de haute pureté comme le 1050 retiennent une excellente conductivité thermique, tandis que les alliages plus résistants comme le 6061 offrent une résistance mécanique améliorée au coût d'une conductivité thermique réduite.
4. Graphite : Certaines formes de graphite conçu, comme le graphite pyrolytique, ont une conductivité thermique dans le plan très élevée, rivalisant ou dépassant le cuivre, et sont significativement plus légers. Cependant, le graphite massique ou isotrope a une performance thermique plus faible.
5. Diamant : Le diamant a une conductivité thermique bien plus élevée que le cuivre et est utilisé dans des applications semi-conductrices spécialisées. Cependant, son coût élevé le limite à des utilisations de niche comme les diffuseurs de chaleur haute performance ou le refroidissement de diodes laser.

Quels sont les types de dissipateurs thermiques ?

Il y a trois types de base de dissipateurs thermiques. Ils sont décrits plus en détail ci-dessous :

1. Dissipateurs thermiques passifs

Un dissipateur thermique passif est le type le plus simple. C'est simplement une base avec des ailettes. La chaleur est transférée principalement par convection naturelle. Alors que l'air autour des ailettes chauffe par conduction, l'air chaud monte, amenant l'air plus frais à le remplacer. C'est un processus continu. Ces types de dissipateurs ne sont pas les plus efficaces.

2. Dissipateurs thermiques hybrides

Un dissipateur thermique hybride utilise un système de contrôle pour décider quand employer un comportement passif ou actif. Quand la source de chaleur produit de faibles niveaux de chaleur, le ventilateur ou la pompe n'est pas activé, car la convection naturelle suffit à transférer la quantité de chaleur requise loin de la source. Quand la convection naturelle n'est pas adéquate, le ventilateur est activé, et la convection forcée aide à augmenter la quantité de chaleur transférée loin de la source.

3. Dissipateurs thermiques actifs

Un dissipateur thermique actif utilise la convection forcée pour transférer la chaleur. Quand un ventilateur ou une pompe cause un flux de fluide sur le dissipateur, ce flux constant remplace continuellement le fluide chaud autour du dissipateur par du fluide plus frais. Plus le débit est élevé, plus le taux de transfert de chaleur est élevé. Les dissipateurs thermiques actifs sont plus efficaces que les dissipateurs passifs.

Quelles sont les applications des dissipateurs thermiques ?

Les dissipateurs thermiques sont utilisés partout où la chaleur perdue a le potentiel d'endommager l'équipement. Quelques exemples sont listés ci-dessous :

1. Processeurs d'ordinateur

Les processeurs d'ordinateur (CPU) produisent une grande quantité de chaleur perdue pendant le fonctionnement. Les CPU utilisent souvent des systèmes de refroidissement actif avec des dissipateurs en cuivre pour gérer les charges thermiques élevées pendant l'opération. Des CPU frais peuvent fonctionner plus efficacement.

2. Éclairage LED

Les lumières LED n'émettent pas beaucoup de chaleur rayonnante comme les ampoules à incandescence, mais la jonction LED elle-même génère une énergie thermique significative pendant le fonctionnement. Cette chaleur doit être dissipée, typiquement par des dissipateurs passifs dans les petites LED.

3. Électronique de puissance

L'électronique de puissance comme les convertisseurs AC-DC génère de la chaleur perdue depuis des composants comme les MOSFETs et régulateurs de tension. Les dissipateurs en aluminium sont couramment utilisés dans ces applications, parfois combinés avec des ventilateurs actifs pour des charges thermiques plus exigeantes.

4. Industrie automobile

En plus des dissipateurs utilisés sur les circuits de contrôle des véhicules, les dissipateurs sont aussi utilisés pour maintenir les moteurs électriques au frais pendant le fonctionnement ainsi que pour refroidir les chargeurs embarqués des véhicules électriques.

5. Industrie aérospatiale

Les systèmes aérospatiaux utilisent des dissipateurs dans les circuits de contrôle et l'électronique embarquée. Dans les vaisseaux spatiaux, où il n'y a pas d'atmosphère pour la convection, des dissipateurs spécialisés rayonnent la chaleur dans l'espace en utilisant des surfaces à haute émissivité et incluent souvent des caloducs pour transporter la chaleur vers les radiateurs.

6. Électronique grand public

L'électronique grand public fait un usage extensif des dissipateurs pour maintenir les appareils au frais et fonctionnant efficacement. Exemples typiques incluent les dissipateurs dans les ordinateurs et téléphones portables.

Quels dispositifs dans un ordinateur utilisent des dissipateurs thermiques ?

De nombreux composants dans un ordinateur font usage de dissipateurs thermiques. Par exemple, le CPU (unité centrale de traitement) et le GPU (unité de traitement graphique) utilisent couramment des dissipateurs pour améliorer l'efficacité et la durée de vie opérationnelle. Les modules RAM haute performance et les composants internes de l'alimentation peuvent aussi incorporer des dissipateurs, selon les exigences thermiques. Les CMS (composants montés en surface) individuels sur la carte mère peuvent aussi utiliser de petits dissipateurs pour rester au frais.

Comment choisir le bon dissipateur thermique pour mon application ?

Afin de sélectionner le dissipateur thermique correct pour votre application, il est important de comprendre combien de chaleur votre dispositif produira, ainsi que l'environnement dans lequel il fonctionnera. Une fois ces éléments connus, le dissipateur peut être conçu en calculant le taux de transfert de chaleur requis pour maintenir votre dispositif à la température optimale et en concevant une configuration de dissipateur pour atteindre cette température.

Quels sont les avantages des dissipateurs thermiques ?

Voici quelques avantages courants de l'utilisation de dissipateurs thermiques :

1. Fiabilité améliorée : Les dissipateurs aident à maintenir une température de fonctionnement constante, ce qui améliore la fiabilité d'un dispositif.
2. Durée de vie prolongée : Les dissipateurs évacuent la chaleur perdue d'un dispositif qui réduirait sinon sa durée de vie.
3. Performance améliorée : Des dispositifs comme les CPU, par exemple, fonctionnent le plus efficacement quand ils sont au frais. Un dissipateur efficace peut améliorer la performance d'un dispositif.
4. Bruit réduit : Si un dissipateur passif peut être utilisé, alors un ventilateur de refroidissement peut ne pas être nécessaire. Cela réduira finalement le bruit du dispositif.
5. Économies : Les dissipateurs améliorent la gestion thermique, ce qui peut prolonger la durée de vie des composants et réduire le besoin de systèmes de refroidissement additionnels, contribuant à des économies potentielles dans la conception et la maintenance du système.

Quelles sont les limitations des dissipateurs thermiques ?

Voici quelques limitations courantes de l'utilisation de dissipateurs thermiques :

1. Capacité de refroidissement limitée : En raison des limitations d'espace et de matériau, un dissipateur ne peut éliminer la chaleur qu'à un certain taux. Essayer de faire des dissipateurs qui éliminent encore plus de chaleur encore plus vite devient impraticable et non économique.
2. Contraintes d'espace : Dans certains cas, l'espace nécessaire pour un dissipateur adapté peut être plus grand que l'espace disponible.
3. Exigences de maintenance : Les dissipateurs, surtout à l'intérieur d'un PC, accumulent souvent de la poussière. Ils doivent être nettoyés régulièrement pour prévenir une chute du taux de transfert de chaleur.
4. Bruit : Les dissipateurs actifs peuvent nécessiter un ventilateur bruyant pour fonctionner efficacement. Même les ventilateurs silencieux ajouteront un degré de bruit.
5. Coût : Les dissipateurs en cuivre sont efficaces mais chers et peuvent ne pas être économiquement réalisables pour le dispositif. Des matériaux moins chers comme l'aluminium sont disponibles mais n'ont pas la même performance que le cuivre.

Quels sont les facteurs qui affectent la performance d'un dissipateur thermique ?

La performance d'un dissipateur thermique peut dépendre de plusieurs facteurs, comme expliqué ci-dessous :

1. Conductivité thermique : La conductivité thermique du matériau du dissipateur est l'un des facteurs les plus importants affectant la performance. Les matériaux avec une conductivité thermique plus élevée, comme le cuivre ou le diamant, peuvent transférer la chaleur loin du composant électronique plus efficacement.
2. Design des ailettes : Un nombre d'ailettes accru améliore généralement le transfert de chaleur en augmentant la surface, mais des ailettes trop denses peuvent entraver le flux d'air et réduire la performance.
3. Flux d'air : La chaleur est éliminée du dissipateur par l'action de convection naturelle ou forcée. Plus le taux de flux d'air autour des ailettes du dissipateur est élevé, plus le taux de transfert de chaleur est élevé.
4. Résistance thermique : La résistance au transfert de chaleur à l'interface entre une source de chaleur et son dissipateur peut être causée par l'existence de gaps d'air entre composants. L'utilisation de pâte thermique à l'interface aide à réduire la résistance thermique en éliminant les poches d'air isolantes.
5. Température ambiante : Une température ambiante plus élevée résultera en un gradient de température plus petit entre la source de chaleur et le fluide environnant. Cela réduira la performance du dissipateur.

Questions fréquentes sur les dissipateurs thermiques

Les dissipateurs thermiques causent-ils le fluage thermique (heat creep) en impression 3D ?

Non, un dissipateur thermique est conçu pour éliminer le fluage thermique en impression 3D. Il transfère la chaleur du hot end vers l'air environnant et l'empêche de remonter dans l'assemblage de l'extrudeur.

Quelle est la différence entre un dissipateur thermique et un diffuseur de chaleur (heat spreader) ?

Un dissipateur thermique inclut typiquement une base et des ailettes et dissipe la chaleur dans le fluide environnant, souvent aidé par convection. Un diffuseur de chaleur, en revanche, ne dissipe pas significativement la chaleur mais la redistribue sur une plus grande surface pour réduire les points chauds locaux et faciliter le transfert vers un autre composant de refroidissement, comme un dissipateur, une plaque froide, ou le châssis du système.

Résumé

Cet article a présenté les dissipateurs thermiques, expliqué ce qu'ils sont, et discuté de leur fonctionnement. Pour en savoir plus sur les dissipateurs thermiques, contactez un représentant Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements est diplômé B.Eng Honors en génie mécanique avec plus de deux décennies d'expérience dans l'industrie manufacturière. Son parcours professionnel inclut des rôles significatifs chez Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace et Hyster-Yale, où il a développé une compréhension approfondie des processus d'ingénierie et des innovations.

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