Le dissipateur thermique est une partie essentielle des dispositifs électroniques. Il élimine la chaleur des composants électriques en la dissipant dans l'air ambiant. Ainsi, les dissipateurs thermiques évitent la surchauffe des composants qui pourraient causer des pannes ou des destructions.
Habituellement construits à partir de métaux ayant des coefficients de dissipation thermique élevés, tels que l'aluminium ou le cuivre, les dissipateurs thermiques améliorent la stabilité et la durabilité des appareils en régulant leurs températures de fonctionnement. Ils sont utilisés dans les processeurs (CPU), les transistors de puissance et d'autres systèmes électroniques haute puissance où la dissipation thermique est cruciale.
Qu'est-ce qu'un radiateur ?
Un radiateur est un objet métallique placé sur un composant, comme un processeur (CPU), et sa fonction principale est de gérer la chaleur. Il fonctionne en prenant la chaleur du composant et en la refroidissant à travers des ailettes métalliques qui refroidissent le processeur. Un radiateur est un dispositif passif ; il n'a pas de pièces mobiles. Cependant, il est souvent utilisé avec un ventilateur qui souffle de l'air chaud dans la direction opposée. De plus, il peut être intégré dans un système de refroidissement liquide qui transporte la chaleur à travers des tuyaux vers un autre emplacement.
Applications des dissipateurs thermiques dans l'électronique
Certaines des utilisations les plus fréquentes des dissipateurs thermiques sont les suivantes :
- Amplificateurs de puissance : Dans les amplificateurs de puissance, des dissipateurs thermiques sont utilisés pour réduire la température des transistors. Ils aident à éliminer la chaleur et à empêcher les transistors d’être endommagés ou affectés par la chaleur, garantissant ainsi leur stabilité.
- CPU Dans les ordinateurs, les dissipateurs de chaleur sont utilisés pour refroidir les processeurs (CPU) et les cartes graphiques. Ces composants génèrent beaucoup de chaleur lorsqu'ils effectuent diverses tâches de traitement, et les dissipateurs de chaleur sont utiles pour dissiper cette chaleur rapidement afin d'éviter d'affecter les performances du matériel ou même de l'endommager.
- Optoélectronique : Certains appareils, tels que les LED et les lasers, ont besoin de dissipateurs thermiques pour gérer la chaleur excessive qu'ils génèrent. Si elles ne sont pas suffisamment refroidies, ces composants peuvent surchauffer, ce qui réduira définitivement leur efficacité et leurs performances. Les dissipateurs thermiques permettent de contrôler la température et permettent ainsi aux appareils de fonctionner comme prévu à long terme.
Tolérances des dissipateurs thermiques
| Facteur | Tolérance typique |
| Tolérance dimensionnelle | ±0.1 mm to ± 0.5 mm |
| Planéité | ± 0.05 mm to ± 0.1 mm over 100 mm |
| Perpendicularité | ± 0.1 mm per 100 mm |
| Parallélisme | ± 0.1 mm per 100 mm |
| Finition de surface (Ra) | 1.6 µm to 3.2 µm |
| Emplacement du trou | ± 0,1 mm |
| Épaisseur de l'ailette | ± 0,1 mm |
| Espacement des ailettes | ± 0,1 mm |
| Conductivité thermique | ± 5% |
| Tolérance de poids | ± 5% |
Types de dissipateurs thermiques expliqués
Les dissipateurs thermiques sont généralement optimaux pour les appareils électroniques afin de contrôler et libérer la chaleur. Ils existent en différentes catégories selon des facteurs tels que le flux, le matériau et l'orientation des ailettes. Voici les deux catégories principales :
Dissipateurs thermiques actifs
Les dissipateurs thermiques actifs sont considérés comme très efficaces. Ils sont directement connectés à la source d'alimentation de l'appareil et utilisent la technique de convection forcée, dans laquelle de l'air ou un liquide circule sur les composants chauds pour faciliter le transfert de chaleur.
Les dissipateurs thermiques actifs sont généralement utilisés dans les GPU et CPU où la dissipation de chaleur est cruciale. Certains designs intègrent également des systèmes de refroidissement liquide pour améliorer leurs systèmes de refroidissement. Les ventilateurs sont généralement montés sur le côté ou sur le dessus du dissipateur thermique et participent au processus de refroidissement.
Dissipateurs thermiques passifs
Les dissipateurs thermiques passifs comptent généralement sur les courants de convection pour transférer la chaleur du composant. Contrairement aux dissipateurs thermiques actifs, ils ne nécessitent pas d'alimentation supplémentaire ni de pièces telles que des ventilateurs pour fonctionner. Ils dépendent des courants de convection créés autour de l'appareil pour aider au processus de refroidissement de la chaleur générée. Bien que les dissipateurs thermiques actifs soient meilleurs pour le refroidissement, les dissipateurs thermiques passifs sont moins chers et ne nécessitent pas d'énergie électrique pour fonctionner.
De plus, ces dissipateurs thermiques sont généralement utilisés dans des appareils qui ne nécessitent pas une dissipation thermique élevée, tels que les microcontrôleurs, les microprocesseurs et les chipsets. En raison de leur facilité d'utilisation, les dissipateurs thermiques passifs sont utilisés dans des applications sensibles aux coûts et à la puissance.
Choisir entre un dissipateur de chaleur actif et passif est une considération majeure dans la conception des dispositifs. En raison des ventilateurs de refroidissement, les dissipateurs de chaleur actifs n'ont pas besoin d'une grande surface pour la dissipation thermique. En revanche, les dissipateurs de chaleur passifs nécessitent plus de surface pour émettre de la chaleur, car il n'y a aucun moyen de forcer l'air à travers le dissipateur, à part la convection.
Les dissipateurs thermiques sont principalement fabriqués en aluminium ou en cuivre pour refroidir les composants électroniques. Voici la répartition de chaque matériau :
Cuivre
Le cuivre est préféré pour les dissipateurs thermiques en raison de sa conductivité thermique élevée, environ deux fois celle de l'aluminium, et peut varier de 200 à 400 W/m-K. Cette conductivité élevée fait du cuivre le meilleur conducteur de chaleur de la manière la plus efficace. Cependant, le cuivre est beaucoup plus lourd et coûteux que l'aluminium. De plus, il est moins flexible et malléable, il ne peut donc pas être façonné et moulé dans la forme et la forme souhaitées.
Aluminium
L'aluminium est utilisé pour les produits de dissipateurs thermiques car il est léger et abordable par rapport aux autres métaux disponibles sur le marché. Cependant, sa conductivité thermique élevée, environ la moitié de celle du cuivre, signifie qu'il ne peut pas être utilisé pour le transfert de chaleur. L'aluminium est facile à traiter, léger et peut être produit sous forme de feuilles fines mais suffisamment solides ; cependant, le coefficient de transfert de chaleur dépend de la conductivité thermique du matériau.
Conseils de conception pour les dissipateurs thermiques
La conception du dissipateur thermique est l'une des étapes les plus cruciales à réaliser pour garantir un contrôle thermique adéquat dans l'électronique. Voici les principaux facteurs à garder à l'esprit :
- Sélection des matériaux : Le type de matériau utilisé a une influence significative sur la performance du dissipateur thermique :
- Matériaux d'interface thermique (TIMs) : Les TIMs s'insèrent entre le dissipateur thermique et les composants, possédant une résistance thermique relativement faible pour améliorer le transfert de chaleur. Des matériaux tels que la mica sont utilisés car ils sont de meilleurs conducteurs que l'air.
- Matériaux des Dissipateurs Thermiques L'aluminium et le cuivre sont les matériaux les plus privilégiés pour les dissipateurs thermiques. L'aluminium est choisi pour son faible coût, sa faible densité et sa facilité de mise en forme, tandis que le cuivre a une meilleure conductivité thermique et peut résister à la corrosion. Lorsque ces métaux sont combinés, ils forment l'un des meilleurs dissipateurs thermiques, un matériau utilisé pour dissiper la chaleur.
Les matériaux utilisés dans le dissipateur thermique peuvent transférer la chaleur, ce qui réduirait la fiabilité des composants de l'appareil, qui sont sujets aux dommages causés par la chaleur.
Techniques utilisées dans la production de dissipateurs thermiques.
Il existe généralement trois méthodes de fabrication clés couramment utilisées pour créer des dissipateurs thermiques en aluminium :
L'usinage CNC est une technique de fabrication avancée qui comprend des opérations de fraisage, de perçage, de meulage et de tournage. Cette méthode offre de la flexibilité, car il est possible de développer des pièces avec certaines caractéristiques de conception jusqu'à une tolérance minimale possible de +/-0,005''. L'usinage CNC est particulièrement adapté à la fabrication de dissipateurs thermiques aux formes complexes et compliquées. Ces dissipateurs thermiques précisément conçus sont idéaux pour une utilisation dans des environnements où une dissipation thermique élevée et une structure complexe sont indispensables. Cependant, la précision et l'exactitude de l'usinage CNC le rendent plus coûteux que les autres méthodes de coupe.
Extrusion
Les méthodes d'extrusion consistent à forcer le matériau, comme les alliages d'aluminium, à travers une ouverture ou un moule pour obtenir un profil transversal souhaité. L'extrusion offre une rentabilité et une efficacité lorsqu'il s'agit de produire des dissipateurs thermiques. Le processus d'extrusion est particulièrement adapté à la création de dissipateurs thermiques spécifiques, car il peut facilement former des alliages d'aluminium comme le 6063, qui ont une conductivité thermique élevée. Cependant, l'un des inconvénients de la méthode d'extrusion est la largeur maximale des dissipateurs thermiques qui peuvent être fabriqués, ce qui peut limiter la taille du dissipateur thermique.
Fonderie sous pression
La coulée sous pression consiste à placer un alliage d'aluminium dans un four, à le fondre et à le forcer dans un moule sous pression. Cette méthode est très flexible en termes de conception, possède de bonnes propriétés thermiques et est relativement bon marché pour une production à grande échelle. Les moulages thermiques sont idéaux pour les systèmes ou applications basés sur l'épaisseur et la convection naturelle. Le processus de coulée sous pression est particulièrement adapté pour créer des géométries de dissipateurs thermiques fines, solides et complexes, et est largement utilisé pour la création de structures complexes de dissipateurs thermiques.
Structures de dissipateurs thermiques
Explorons les structures des dissipateurs thermiques en examinant trois types distincts : Certains types de dissipateurs thermiques comprennent des plaques froides, des dissipateurs thermiques à ailettes et des dissipateurs thermiques à ailettes de plaque.
Plaques froides
Dans le monde actuel, la plupart des dispositifs électroniques nécessitent des techniques de refroidissement sophistiquées pour relever les défis thermiques posés par les circuits haute puissance. Les plaques froides, y compris celles à liquide, sont utilisées dans les lasers haute puissance, les piles à combustible, les systèmes de refroidissement des batteries, les moteurs, les équipements médicaux, etc. Ces systèmes de refroidissement refroidissent un composant particulier en transférant la chaleur de ce composant vers un fluide circulant. Ce moyen transfère la chaleur vers un échangeur de chaleur distant, où la chaleur est libérée dans l'atmosphère ou dans un autre liquide d'un second circuit de refroidissement.
Dissipateurs thermiques à ailettes de broches
Les dissipateurs thermiques à ailettes de broches peuvent être décrits par un design d'extrusion dans lequel un groupe de broches est fourni. Ces broches, qui peuvent être cylindriques, elliptiques ou carrées en coupe transversale, s'élèvent ou s'étendent à partir d'un moyeu central. Bien que le coût de fabrication des dissipateurs thermiques à ailettes de broches soit relativement bas, ils sont moins efficaces que d'autres dissipateurs thermiques. Les dissipateurs thermiques à ailettes de broches ont une capacité d'évacuation thermique inférieure à celle des autres dissipateurs thermiques et, par conséquent, sont utilisés moins fréquemment que, par exemple, les dissipateurs thermiques à ailettes.
Dissipateurs thermiques à ailettes de plaque
Les dissipateurs thermiques à ailettes de plaque sont fabriqués avec des ailettes droites qui contribuent considérablement à l'augmentation de la surface du dissipateur thermique. Ils améliorent la dissipation de la chaleur. Leur structure permet à la chaleur d'être évacuée efficacement du composant, ce qui en fait un système de refroidissement efficace. Les méthodes de fabrication des dissipateurs thermiques à ailettes de plaque sont diverses, et ces dissipateurs thermiques peuvent être utilisés dans plusieurs applications. Ils sont souvent appliqués à la surface extérieure des boîtiers et des couvercles mécaniques et constituent l'un des moyens de refroidissement les plus simples et les plus efficaces. Ils ne produisent pas de bruit et nécessitent des sources d'énergie minimales.
Conclusion
La conception du dissipateur thermique est cruciale pour déterminer l'efficacité et la durée de vie des appareils électroniques. Un bon design de dissipateur thermique peut améliorer considérablement la dissipation de chaleur, réduisant ainsi les effets thermiques sur les composants. Il est donc important de différencier les différents types de dissipateurs thermiques et leurs paramètres de conception associés pour développer une solution de refroidissement efficace.
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