Un dissipateur thermique est un échangeur de chaleur passif qui transfère la chaleur générée par un appareil électronique ou mécanique vers un milieu fluide, souvent de l'air ou un liquide de refroidissement, où elle est dissipée loin de l'appareil, permettant ainsi de réguler la température de l'appareil. Dans les ordinateurs, les dissipateurs de chaleur sont utilisés pour refroidir les processeurs, les GPU ainsi que certains chipsets et modules RAM. Les dissipateurs thermiques sont utilisés avec d'autres dispositifs semi-conducteurs de haute puissance tels que les transistors de puissance et les composants optoélectroniques tels que les lasers et les diodes électroluminescentes (DEL), où la capacité de dissipation thermique du composant lui-même est insuffisante pour modérer sa température.
Avantages du dissipateur thermique
Dissipation thermique efficace
L’un des principaux avantages d’un dissipateur thermique est sa capacité à dissiper efficacement la chaleur générée par les composants électroniques. Les dissipateurs thermiques sont généralement constitués de matériaux à haute conductivité thermique, tels que l'aluminium ou le cuivre, qui absorbent et évacuent rapidement la chaleur de l'appareil. Cela évite que les composants atteignent des températures élevées qui pourraient potentiellement les endommager.
Durée de vie prolongée de l'appareil
En dissipant efficacement la chaleur, les dissipateurs thermiques contribuent à prolonger la durée de vie des appareils électroniques. Une chaleur excessive peut provoquer des pannes de composants et réduire la fiabilité globale de l'appareil. Les dissipateurs thermiques jouent un rôle crucial dans le maintien de températures de fonctionnement optimales, garantissant la longévité de l'appareil et évitant les pannes prématurées.
Conception compacte et légère
Les dissipateurs thermiques sont conçus pour être compacts et légers, ce qui les rend adaptés à divers appareils électroniques disposant d'un espace limité. Leur petit facteur de forme permet une intégration facile dans les appareils sans ajouter de poids ou d'encombrement significatif. Cet avantage est particulièrement important pour les appareils portables tels que les ordinateurs portables et les smartphones, où les contraintes d'espace et de poids sont critiques.
Polyvalence et compatibilité
Les dissipateurs thermiques sont polyvalents et compatibles avec divers appareils et composants électroniques. Ils peuvent être personnalisés et conçus pour s'adapter à des appareils spécifiques, garantissant ainsi une dissipation thermique efficace dans différentes applications. Cette polyvalence permet aux dissipateurs thermiques d'être utilisés dans un large éventail d'industries, notamment l'automobile, l'aérospatiale, les télécommunications, etc.
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Quels sont les types de dissipateurs de chaleur
Dissipateurs de chaleur passifs
Les dissipateurs thermiques passifs reposent sur la convection naturelle, ce qui signifie que la capacité de l'air chaud à flotter provoque le flux d'air généré à travers le dissipateur thermique, et ils ne nécessitent pas d'alimentation secondaire ou de systèmes de contrôle pour éliminer la chaleur. Mais les dissipateurs thermiques passifs ne sont pas aussi efficaces pour évacuer la chaleur d’un système que les dissipateurs thermiques actifs.
Dissipateurs de chaleur actifs
Les dissipateurs de chaleur actifs utilisent de l'air forcé--généralement généré par un ventilateur, une soufflante ou même le mouvement de l'objet entier--pour augmenter le débit de fluide à travers la zone chaude.
C'est comme si le ventilateur de votre ordinateur personnel s'allumait une fois que votre ordinateur était chaud. Le ventilateur force l'air à travers le dissipateur thermique, ce qui permet à davantage d'air non chauffé de se déplacer sur la surface du dissipateur thermique. Cela augmente le gradient thermique total à travers le dissipateur thermique, permettant à plus de chaleur de s'échapper.
Dissipateurs thermiques hybrides
Les dissipateurs thermiques hybrides combinent les caractéristiques des dissipateurs thermiques passifs et actifs. Ces configurations sont moins courantes et utilisent souvent des systèmes de contrôle pour refroidir le système en fonction des exigences de température.
Lorsque le système fonctionne à des niveaux plus froids, la source d’air pulsé est inactive, refroidissant uniquement le système de manière passive. Une fois que la source atteint des températures plus élevées, le mécanisme de refroidissement actif s’enclenche pour augmenter la capacité de refroidissement du dissipateur.
Les composants clés d'un dissipateur thermique
Base
Une base de dissipateur thermique est généralement un bloc plat ou une feuille de matériau présentant une excellente conductivité thermique. La base a généralement une épaisseur transversale constante, mais elle peut également être conçue pour avoir un profil transversal qui optimise le transfert de chaleur pour la géométrie spécifique de la source de chaleur. La base est généralement montée sur la source de chaleur avec du matériel de montage et de la pâte thermique.
Palmes
Les ailettes dépassant de la base du dissipateur thermique sont responsables du transfert de chaleur vers le fluide environnant. Ces ailettes sont conçues pour optimiser la surface que le dissipateur thermique présente au fluide. Plus la surface est grande, plus le taux de transfert de chaleur est rapide.
Les ailettes peuvent soit faire partie intégrante de la base, soit être fixées séparément selon diverses techniques, par exemple via un processus de compression. La forme et la disposition des ailettes peuvent améliorer considérablement le taux de transfert de chaleur.
Caloducs
Un caloduc est conçu pour transférer de la chaleur le long de son axe. Les caloducs peuvent être incorporés à l’intérieur de dissipateurs de chaleur et de dissipateurs de chaleur standard par ajustement à la presse, soudure et époxy thermoconducteur pour améliorer leur efficacité de transfert de chaleur. Ils fonctionnent en transférant de la chaleur via un mécanisme de changement de phase qui provoque la vaporisation du fluide au niveau de la source de chaleur, puis se déplace le long de l'axe du caloduc jusqu'au point où il refroidit et se transforme à nouveau en liquide par condensation.
Matériau d'interface thermique
Les matériaux d'interface thermique, ou pâtes thermiques, sont utilisés pour améliorer considérablement le transfert de chaleur entre la source de chaleur et la base du dissipateur thermique en remplissant les vides d'air entre la source de chaleur et le dissipateur thermique. L'air est un mauvais conducteur de chaleur, donc remplir les espaces d'air avec un matériau plus conducteur thermique améliore l'efficacité de refroidissement d'un dissipateur thermique. Les pâtes thermiques peuvent être à base de métal, de céramique ou de silicone, la pâte thermique à base de métal étant la plus efficace.
Matériel de montage
Les dissipateurs de chaleur peuvent être solidement fixés à leurs sources de chaleur cibles à l'aide de différentes méthodes de montage. Pour les dissipateurs thermiques plus petits, un adhésif à haute conductivité thermique est utilisé pour coller directement le dissipateur thermique sur une source de chaleur. Cette méthode est généralement utilisée sur des composants PCB plus petits. Pour les dissipateurs thermiques plus grands, des vis normales peuvent être utilisées, ou bien des punaises à ressort sont utilisées pour optimiser la pression de contact entre la source de chaleur et le dissipateur thermique.
Méthodes de fabrication des dissipateurs thermiques
Skiving :Cela consiste à couper le métal en tranches. Il s'agit d'une méthode de fabrication courante pour produire des ailettes en plaque pour les dissipateurs thermiques. Avec cette méthode, vous pouvez créer des ailerons plus fins et plus serrés.
Les dissipateurs thermiques présentent un certain niveau de rugosité de surface, augmentant ainsi la surface totale.
Fonderie:Cela consiste à verser du métal en fusion dans un moule. Par la suite, vous laissez le métal en fusion se solidifier avant de le retirer du moule. Les dissipateurs thermiques moulés sous pression présentent un niveau de complexité élevé. Ils possèdent également de bonnes propriétés mécaniques.
Extrusion:Il s’agit d’une méthode rapide, efficace et rentable pour fabriquer des dissipateurs thermiques. Il s'agit de forcer des billettes de métal chaud, à l'aide d'une filière en acier. Il s’agit de la méthode la plus courante de fabrication de dissipateurs thermiques en aluminium. Les dissipateurs thermiques en aluminium extrudé sont généralement anodisés avant utilisation.
Forgeage à froid :Cette méthode permet de fabriquer un matériau à une température inférieure à la température de recristallisation du matériau.
Étant donné que l'aluminium a une résistance minimale à la déformation et une plasticité élevée, cette méthode convient à la production de dissipateurs thermiques en aluminium.
Le forgeage à froid est utilisé pour fabriquer des dissipateurs thermiques de haute précision. Vous pouvez l'utiliser pour produire des dissipateurs thermiques à broches rondes et à broches elliptiques. De plus, les dissipateurs thermiques forgés ont une excellente intégrité de la microstructure.
Estampillage:Il s'agit de poinçonner un moule en aluminium qui se déplace sous une presse pneumatique avec des outils dédiés. Cette méthode convient aux productions à grande échelle. Elle produit également des pièces de dimensions relativement petites.
Comment fonctionne un dissipateur thermique
À partir de la définition du dissipateur ou du dissipateur thermique, nous pouvons essayer de comprendre que ce simple transfert de chaleur de la source au puits se produit en quatre étapes fondamentales dans tout type de puits.
La chaleur est produite par la source
Tout système qui génère de la chaleur et nécessite son élimination pour fonctionner correctement peut servir de source.
Cela inclut divers processus et machines utilisés dans les industries, l'électronique, les laboratoires chimiques, les panneaux solaires et même la résistance électrique dans les appareils conducteurs.
La chaleur rayonne depuis l'origine
Les applications en contact direct avec le dissipateur thermique utilisent la conduction naturelle pour transférer la chaleur de la source au dissipateur thermique.
Ce processus est immédiatement impacté par la conductivité thermique du matériau du dissipateur thermique.
Les matériaux les plus fréquemment utilisés dans la construction des éviers sont ceux à haute conductivité thermique, comme le cuivre et l'aluminium.
La surface de l'évier est chauffée
À mesure que la chaleur se déplace à travers le gradient thermique d’une région à haute température vers une région à basse température, elle conduira naturellement la chaleur de la source à travers le puits.
En conséquence, les puits deviennent souvent plus chauds plus près de la source et plus froids plus loin.
L'énergie thermique quitte l'évier
Cette procédure dépend du gradient de température du dissipateur thermique et du fluide de travail, qui est généralement de l'air ou un liquide non conducteur d'électricité.
La convection thermique et la diffusion thermique sont utilisées par le fluide de travail lorsqu'il se déplace sur la surface du dissipateur chaud pour transférer la chaleur de la surface à l'air ambiant.
Les applications des dissipateurs thermiques
Processeurs informatiques
Les processeurs informatiques (CPU) produisent une grande quantité de chaleur perdue pendant leur fonctionnement. Ils utilisent souvent des dissipateurs thermiques en cuivre avec un ventilateur de refroidissement actif. Les processeurs cool peuvent fonctionner plus efficacement.
Éclairage LED
Les lumières LED ne produisent pas de chaleur de la même manière qu’une ampoule à incandescence. Cependant, l’électronique utilisée pour faire fonctionner une LED produit beaucoup de chaleur perdue qui doit être évacuée. Les petites LED utilisent souvent des dissipateurs thermiques passifs.
Électronique de puissance
Les alimentations convertissent le courant alternatif en courant continu pour l'électronique grand public. Ce processus de conversion est inefficace et produit de la chaleur perdue qui peut réduire la durée de vie du bloc d'alimentation. Les dissipateurs thermiques des composants électroniques de puissance utilisent parfois un refroidissement hybride et utilisent des dissipateurs thermiques en aluminium pour réduire les coûts.
Industrie automobile
Outre les dissipateurs thermiques utilisés sur les circuits de commande des véhicules, les dissipateurs thermiques sont également utilisés pour maintenir les moteurs électriques au frais pendant leur fonctionnement ainsi que pour refroidir les chargeurs embarqués des véhicules électriques.
Industrie aérospatiale
Des dissipateurs thermiques peuvent être trouvés sur les circuits de commande utilisés dans les applications aérospatiales. Ils sont également utilisés sur les vaisseaux spatiaux pour transférer la chaleur vers le vide de l’espace. Cependant, ces dissipateurs thermiques transfèrent la chaleur uniquement par rayonnement car il n’y a pas de fluide caloporteur dans l’espace.
Electronique grand public
L'électronique grand public utilise largement les dissipateurs thermiques pour maintenir les appareils au frais et fonctionner efficacement. Des exemples typiques incluent les dissipateurs thermiques des ordinateurs et des téléphones portables.
Comment choisir le bon dissipateur thermique
Loi de Fourier sur la conduction thermique
Fondamentalement, l'idée d'un dissipateur thermique est assez simple : en fixant un dissipateur thermique à un composant qui génère une grande quantité d'énergie thermique, vous augmentez effectivement la surface de ce composant. Ce composant, qui est à une température plus élevée, transférera alors de l’énergie thermique vers son environnement à plus basse température.
Conception du dissipateur thermique
Le matériau le plus couramment utilisé dans les dissipateurs thermiques est l’aluminium. En effet, l'aluminium offre de bonnes propriétés de conductivité thermique. De plus, le type le plus courant de dissipateur thermique en aluminium est la fabrication par extrusion --, un processus consistant à forcer l'aluminium à s'écouler à travers une matrice façonnée. Il s’agit généralement d’un processus de fabrication peu coûteux et offre des performances adaptées à la plupart des applications. Mais il convient de noter que la méthode d’extrusion de fabrication des dissipateurs thermiques a ses limites, notamment en termes de taille. Cela est principalement dû au fait qu’il existe des limites à la largeur d’extrusion. Lorsque de grands dissipateurs thermiques sont nécessaires, par exemple pour les turbines d'une centrale électrique, ils sont généralement fabriqués par liaison (plusieurs composants étant construits pièce par pièce et connectés ensemble).
Dissipateur thermique en cuivre
Un autre matériau populaire pour les dissipateurs thermiques est le cuivre. Le cuivre possède des capacités de conductivité thermique exceptionnelles (environ 400 W/m•K pour le cuivre pur, soit environ le double de celle de l'aluminium). Il est également résistant à la corrosion. Par contre, il est beaucoup plus dense que l'aluminium, et donc plus lourd, ce qui en fait un mauvais choix pour les applications sensibles au poids. Il est également beaucoup plus cher que l'aluminium.
Résistance thermique du dissipateur thermique
Le choix d'un matériau pour votre dissipateur thermique dépend en grande partie d'un facteur -- de résistance thermique. La résistance thermique est la capacité de la chaleur à circuler depuis votre composant vers son environnement. Vous devez tenir compte de la résistance sur l’ensemble de la conception. Par exemple, la résistance du composant à son boîtier, du boîtier au matériau adhésif, du matériau adhésif au dissipateur thermique et du dissipateur thermique à l'air. Lorsque tous ces chiffres sont additionnés, cela vous donnera une résistance thermique globale et vous aidera à comprendre quel matériau vous devez choisir et quelle doit être la taille de votre dissipateur thermique. Vous pouvez diminuer la résistance thermique de plusieurs manières : -- en changeant les matériaux, en augmentant ou en modifiant la conception des ailettes, en utilisant de la pâte thermique conçue pour le transfert de chaleur au lieu de quelque chose comme du ruban adhésif double face, etc.
Dissipateur thermique actif vs dissipateur thermique passif
Une autre considération de conception est de savoir si vous souhaitez utiliser un dissipateur thermique actif ou passif. Un dissipateur thermique passif repose simplement sur la dissipation de la chaleur radiante et sur tout mouvement d’air naturel pour éliminer l’énergie thermique. Un dissipateur thermique actif utilise un composant supplémentaire -- tel qu'un ventilateur ou une pompe -- pour éliminer activement l'énergie thermique et la déplacer. Sans surprise, les dissipateurs thermiques actifs seront plus efficaces que les dissipateurs thermiques passifs présentant des caractéristiques physiques similaires.
Comment entretenir les dissipateurs thermiques afin de prolonger leur durée de vie
Tout d’abord, il est nécessaire de prêter attention à l’utilisation du dissipateur thermique et à l’environnement de stockage. Si vous n’utilisez pas un dissipateur thermique pendant un certain temps, il doit être conservé en lieu sûr. Lors du choix du lieu de stockage, nous devons faire attention à tous les matériaux corrosifs tels que les acides ou les alcalins. Ces matériaux pourraient provoquer une corrosion plus importante du dissipateur thermique et nous devrions éviter autant que possible ce type d’exposition.
Deuxièmement, il est nécessaire d’assurer le nettoyage du dissipateur thermique. Après avoir utilisé un dissipateur thermique pendant un certain temps, il peut y avoir une grande quantité de poussière et de saleté entre les ailettes. Si vous ne le nettoyez pas à temps, la poussière s'accumulera et cela affectera inévitablement les performances de refroidissement globales de ce dissipateur thermique. Cela pourrait constituer une menace qui ne peut être ignorée pour les appareils nécessitant un refroidissement. Par conséquent, il est nécessaire d’effectuer régulièrement un nettoyage complet du dissipateur thermique.
De plus, lors de la mise en œuvre de traitements anticorrosion pertinents, il est également nécessaire de prendre en compte une pluralité de questions connexes. Par exemple, si nous ne respectons pas la norme réglementée pour effectuer la sélection des antigels et le revêtement de surface, nous pourrions corroder le dissipateur thermique et ne plus pouvoir l'utiliser.
FAQ
Q : A quoi sert un dissipateur thermique ?
Q : Qu’est-ce qu’un dissipateur thermique en informatique ?
Q : Pourquoi ne devriez-vous pas retirer le dissipateur thermique ?
Q : Un dissipateur thermique est-il utilisé pour le refroidissement ?
Q : Quel est le meilleur ventilateur de refroidissement ou dissipateur thermique ?
Q : Quelle est la meilleure forme pour un dissipateur thermique ?
Q : Quels sont les critères de conception du dissipateur thermique ?
Q : Quel est le processus d’extrusion du dissipateur thermique ?
Q : Quelle est la graisse sur le dissipateur thermique ?
Q : Comment entretenir un dissipateur thermique ?
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