Choisir le dissipateur thermique idéal :6 facteurs clés pour garantir un refroidissement optimal

Les dissipateurs thermiques sont largement utilisés en électronique pour gérer la température des composants. Ils fonctionnent en augmentant la surface pour améliorer le transfert de chaleur vers le fluide environnant, généralement l’air. Les dissipateurs thermiques actifs utilisent des ventilateurs pour augmenter le flux d'air, tandis que les conceptions passives reposent uniquement sur la convection naturelle. Différents appareils nécessitent des dissipateurs thermiques différents en fonction du coût, de l'emplacement et des exigences de refroidissement. La résistance thermique a un impact direct sur l’efficacité d’un dissipateur thermique. Vous trouverez ci-dessous les six éléments à prendre en compte lors du choix des dissipateurs thermiques :

1. Déterminez les exigences thermiques de votre composant

Les besoins thermiques correspondent à la quantité d’énergie thermique dissipée par unité de temps. Il faut au préalable les établir pour fixer les critères de choix d’un dissipateur thermique. Si les exigences thermiques appropriées ne sont pas établies, il ne sera pas possible de choisir le dissipateur thermique approprié pour l'application. En identifiant les exigences thermiques, les concepteurs peuvent sélectionner un dissipateur thermique qui maintient des températures de fonctionnement sûres et prend en charge des performances optimales des composants.

2. Choisissez le type de dissipateur thermique approprié

Les dissipateurs thermiques sont de deux grands types :actifs (qui utilisent des ventilateurs pour augmenter le flux d'air) et passifs (qui reposent sur la convection naturelle). Le choix dépend de vos besoins en refroidissement, de votre sensibilité au bruit et du débit d'air disponible. Choisir le bon type permet de réduire la maintenance, de contrôler les coûts et d'optimiser les performances thermiques.

3. Calculer la résistance thermique du dissipateur thermique

La résistance thermique du dissipateur thermique est une mesure de la façon dont un dissipateur thermique conduit et dissipe la chaleur. La surface, la taille et le matériau du dissipateur thermique affectent tous son efficacité thermique. Une formule simplifiée pour estimer la résistance thermique est :

Résistance thermique (°C/W) =Épaisseur / (Conductivité thermique × Surface)

Cependant, les calculs réels nécessitent souvent de prendre en compte les coefficients de convection, l'efficacité des ailettes et les conditions de débit d'air. Des calculs précis de la résistance thermique permettent de garantir la sélection du dissipateur thermique le plus efficace.

4. Déterminer le débit d'air disponible

Le débit d'air disponible est la quantité d'air qui circule sur un dissipateur thermique au cours d'une période donnée. Pour les systèmes passifs, il s’agit du débit d’air établi ; pour les systèmes actifs, c'est le flux d'air créé par le ventilateur. La détermination du débit d’air permet d’évaluer l’efficacité du système thermique. Un débit d’air plus élevé indique généralement une meilleure efficacité du dissipateur thermique. Les dissipateurs de chaleur passifs sont conçus pour la convection naturelle et peuvent ne pas bénéficier de manière significative de ventilateurs supplémentaires, à moins qu'ils ne soient spécifiquement conçus pour prendre en charge un flux d'air forcé. Il peut également être préférable d'utiliser des flux d'air établis, car l'ajout de ventilateurs créera du bruit et l'utilisateur final souhaitera généralement que l'appareil soit aussi silencieux que possible.

5. Choisissez la taille appropriée du dissipateur thermique

Plus le dissipateur thermique est grand, plus il pourra dissiper de chaleur. Cependant, la taille du dissipateur thermique est limitée par l’espace disponible et la zone de contact. Un dissipateur thermique plus grand n’est pas toujours plus efficace, car d’autres facteurs jouent également un rôle. D'autres variables telles que la conductivité du matériau, le flux d'air et la résistance thermique de la conception sont également des facteurs.

6. Considérez le matériau d'interface thermique

Le matériau d'interface thermique est la substance qui se trouve entre le dissipateur thermique et le composant qu'il refroidit. L'interface est utilisée pour transférer efficacement la chaleur du composant vers le dissipateur thermique. L'interface peut être appelée :

1. Graisse thermique
2. Composé pour dissipateur thermique
3. Composé thermique
4. Remplir les espaces
5. Pâte thermique

Sans le bon choix d'un matériau d'interface thermique (TIM), la résistance thermique de l'interface peut augmenter considérablement, réduisant l'efficacité globale du dissipateur thermique.

Pourquoi différents appareils ont-ils besoin de dissipateurs thermiques ?

Différents appareils ont besoin de dissipateurs de chaleur pour évacuer la chaleur des zones qui doivent rester fraîches. Les dissipateurs thermiques dispersent la chaleur pour éviter la surchauffe. Sans une gestion thermique appropriée, une chaleur excessive peut augmenter la résistance électrique, accélérer la dégradation des matériaux et réduire les performances et la fiabilité des composants.

Quels sont les types de dissipateurs thermiques ?

Les conceptions de dissipateurs thermiques varient en termes de géométrie et de méthode de fabrication. Ces six types diffèrent par leur géométrie, leur utilisation des matériaux, leurs performances thermiques et leur coût de fabrication. Certains conviennent mieux aux systèmes actifs, tandis que d’autres fonctionnent bien dans les configurations passives. La plupart sont en aluminium ou en cuivre en raison de leur haute conductivité thermique. Il existe six types de dissipateurs thermiques qui peuvent faire partie d'un système actif ou passif. Ils sont généralement en aluminium ou en cuivre. Les systèmes actifs utilisent un ventilateur pour induire un flux d'air supplémentaire sur une zone afin d'améliorer le refroidissement. Le système passif repose sur l’augmentation de la surface du composant pour permettre de dissiper davantage de chaleur. Vous trouverez ci-dessous les types de dissipateurs thermiques :

1. Dissipateurs thermiques liés

Les dissipateurs thermiques collés sont fabriqués en utilisant un époxy conducteur pour faire adhérer les ailettes à une base. Ils peuvent être constitués de cuivre ou d’aluminium ou d’un mélange d’aluminium et de cuivre. Les dissipateurs thermiques liés sont utilisés pour les applications nécessitant une densité d’ailettes élevée. Ils ont une densité d'ailettes beaucoup plus élevée que les dissipateurs thermiques extrudés. Cette densité accrue des ailettes est mieux utilisée dans un système actif à flux d’air forcé. La taille du dissipateur thermique lié est pratiquement illimitée et ils sont donc généralement utilisés pour les applications nécessitant de très grands dissipateurs thermiques.

2. Dissipateurs thermiques coupés

Les dissipateurs thermiques biseautés comportent une série d'ailettes étroitement emballées sur une base fabriquée dans une seule pièce de métal, ce qui entraîne une résistance thermique minimale. Ils sont utilisés dans des applications avec un débit d’air élevé et un espace minimal. Skiving offre un équilibre entre performances et coût, en particulier pour les conceptions d'ailerons à haute densité dans des volumes de production modérés. Les dissipateurs thermiques biseautés sont en cuivre ou en aluminium. La largeur maximale d'un dissipateur thermique biseauté est d'environ 400 mm pour une hauteur de 200 mm. Cependant, la longueur du dissipateur thermique n'est limitée que par la longueur de la barre de cuivre utilisée. Les dissipateurs thermiques biseautés ont une capacité de dissipation d'environ 1,5 à 2 fois celle d'un dissipateur thermique collé ou soudé.

3. Dissipateurs de chaleur extrudés

Les dissipateurs thermiques extrudés sont les moins chers à fabriquer car le processus consiste à extruder une longue pièce de métal en continu dans une section transversale qui forme ensemble des ailettes et une base. Ces dissipateurs thermiques sont utilisés pour les dispositifs à semi-conducteurs de haute puissance et dans les applications à débit d'air moyen à élevé. Bien que les dissipateurs thermiques en cuivre puissent être extrudés, la plupart des dissipateurs thermiques extrudés sont en aluminium. Les dissipateurs thermiques extrudés sont disponibles jusqu'à une largeur de 400 mm et une hauteur de 60 mm. Puisqu'ils sont extrudés, la longueur est illimitée.

4. Dissipateurs de chaleur forgés

Les dissipateurs thermiques forgés sont fabriqués en utilisant une force de compression pour façonner le métal. Les dissipateurs thermiques forgés sont souvent en aluminium ou en cuivre. L'aluminium est plus couramment utilisé en raison de son coût inférieur et de ses bonnes propriétés thermiques, tandis que le cuivre offre une conductivité plus élevée mais est plus cher et plus difficile à forger. Ils utilisent des ailettes ou des épingles pour disperser la chaleur. Les dissipateurs thermiques forgés ont une faible résistance thermique car il n'y a pas de milieu entre les ailettes/broches et la base. Ils ont une longueur et une largeur d'environ 500 mm et une hauteur de l'ordre de 70 mm.

5. Dissipateurs de chaleur estampés

Un dissipateur thermique embouti est réalisé en emboutissant les ailettes dans une tôle. Les ailettes métalliques estampées sont ensuite maintenues ensemble à l'aide d'une ou plusieurs ailettes à fermeture éclair, qui sont perpendiculaires aux ailettes normales et s'emboîtent pour maintenir la distance. Les dissipateurs thermiques estampés sont peu performants et sont utilisés dans des applications à faible consommation. L'ensemble des ailettes est généralement soudé à la base. La taille et la géométrie des ailerons peuvent être ajustées en utilisant un tampon différent.

6. Dissipateurs thermiques usinés CNC

Les dissipateurs thermiques usinés CNC sont mieux utilisés pour les besoins de production ponctuels, car ils ne sont pas rentables à répéter et il n'y a aucune exigence d'outillage supplémentaire pour un dissipateur thermique unique. Les dissipateurs thermiques usinés sont généralement utilisés pour des applications personnalisées, à faible volume ou des prototypes où les coûts d'outillage doivent être évités. Le cuivre étant difficile à usiner, les dissipateurs thermiques usinés sont principalement en aluminium. La taille du dissipateur thermique sera limitée par la capacité de la machine CNC utilisée.

Quels sont les avantages de l'utilisation de dissipateurs thermiques pour différentes applications ?

Les principaux avantages de l'utilisation de dissipateurs thermiques pour différentes applications sont :

1. Efficacité accrue des appareils
2. Augmentation des performances de l'appareil
3. Durée de vie accrue de l'appareil
4. Empêcher la surchauffe
5. Conservez les composants dans la plage de températures dans laquelle ils sont conçus pour fonctionner

Quels sont les défis liés à la détermination du dissipateur thermique adapté à vos applications ?

Le plus grand défi réside dans le fait que les performances d’un type de dissipateur thermique varient en fonction de l’environnement dans lequel il est utilisé. Les facteurs qui affecteront le choix du dissipateur thermique sont :

1. Comment le flux d'air interagit avec le design
2. Comment la chaleur des composants environnants affecte le dissipateur thermique
3. Les restrictions d'espace de l'emplacement
4. Le budget pour un dissipateur thermique

La meilleure façon de surmonter ces défis consiste à utiliser des outils de modélisation thermique pour simuler la dissipation thermique et le flux d'air dans les conditions attendues, suivis d'une validation par des tests physiques.

Questions fréquemment posées sur la façon de choisir un dissipateur thermique

Comment la conception du dissipateur thermique affecte-t-elle ses performances ?

Les principaux facteurs affectant les performances du dissipateur thermique sont le matériau, le type et l'emplacement. Si le matériau utilisé présente une résistance thermique élevée, il ne constituera pas un dissipateur thermique efficace. Il est donc essentiel de choisir un matériau à faible résistance. Cependant, la résistance thermique peut augmenter si la conception introduit des couches d'interface supplémentaires, telles que celles trouvées dans les structures à ailettes collées, soudées ou assemblées mécaniquement, car chaque couche ajoute une barrière potentielle au flux de chaleur. L'emplacement et l'orientation du dissipateur thermique affecteront également ses performances. Les dissipateurs thermiques doivent canaliser le flux d'air parallèlement aux ailettes pour maximiser la surface entre l'air et le dissipateur thermique.

En quoi la composition du matériau est-elle un facteur d'excellente dissipation thermique ?

La capacité d’un matériau à dissiper la chaleur est influencée par sa conductivité thermique, qui est étroitement liée au nombre d’électrons libres présents dans les métaux. Les matériaux à haute conductivité thermique, comme le cuivre et l'aluminium, sont couramment utilisés pour les dissipateurs thermiques, car les électrons libres contribuent à transférer efficacement la chaleur par conduction. Pour plus d'informations, consultez notre guide Qu'est-ce que l'alliage d'aluminium ?

Comment les dissipateurs thermiques contribuent-ils à l'efficacité et à la fiabilité des appareils électroniques ?

À mesure que la température d’un appareil augmente, son efficacité et sa fiabilité diminuent. En effet, à mesure que la température augmente, la résistance augmente également. Par conséquent, pour augmenter la fiabilité et l'efficacité, des dissipateurs thermiques sont utilisés pour modérer l'effet de chauffage.

Un dissipateur thermique plus grand signifie-t-il une gestion thermique élevée ?

Oui, un dissipateur thermique plus grand peut entraîner une meilleure gestion thermique. Toutefois, cela ne sera vrai que si le dissipateur thermique adapté à l’application est sélectionné. Souvent, les dissipateurs thermiques sont limités par les autres composants qui les entourent, de sorte qu'un dissipateur thermique plus grand n'est pas toujours possible. De plus, une conception de dissipateur thermique bien optimisée, dotée d'une géométrie d'ailettes, d'un choix de matériaux et d'une surface efficaces, peut surpasser une conception plus grande dépourvue de ces optimisations.

Les dissipateurs thermiques ont-ils besoin de pâte thermique ?

Oui, les dissipateurs thermiques ont besoin de pâte thermique pour transférer efficacement la chaleur du composant au dissipateur thermique. Si de la pâte thermique, ou un substitut de pâte thermique, n'est pas utilisée, la résistance thermique entre le dissipateur thermique et le composant est augmentée, ce qui affectera négativement les performances du dissipateur thermique.

Les dissipateurs de chaleur exécutent-ils le même principe que les dissipateurs de chaleur ?

Non, les dissipateurs de chaleur ne fonctionnent pas sur le même principe que les dissipateurs thermiques. Les dissipateurs thermiques transfèrent la chaleur à un milieu fluide comme l'air, l'eau ou l'huile. Les dissipateurs de chaleur distribuent la chaleur latéralement sur une plus grande surface pour éviter les points chauds localisés, tandis que les dissipateurs de chaleur transfèrent la chaleur dans un fluide de refroidissement (généralement de l'air) par convection. Bien que les deux gèrent la chaleur, ils fonctionnent selon des mécanismes de transfert thermique différents. Les dissipateurs de chaleur peuvent être utilisés dans des unités scellées, tandis que les dissipateurs de chaleur utilisent souvent des ventilateurs pour déplacer le flux d'air sur le dissipateur de chaleur. Pour plus d'informations, consultez notre guide Qu'est-ce qu'un dissipateur de chaleur ?

Résumé

Cet article présente les dissipateurs de chaleur, explique ce qu'ils sont, comment ils fonctionnent et montre six éléments à prendre en compte lors du choix d'un dissipateur thermique pour votre application. Pour en savoir plus sur le choix des dissipateurs thermiques, contactez un représentant Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements est titulaire d'un baccalauréat spécialisé en génie mécanique et possède plus de deux décennies d'expérience dans l'industrie manufacturière. Son parcours professionnel comprend des rôles importants dans des entreprises de premier plan telles que 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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