Un dissipateur de chaleur éloigne la chaleur des composants électroniques vers l’air, les maintenant dans des limites de température sûres. Ses performances dépendent du style de refroidissement, du matériau, de la forme de la dérive, de la méthode de fabrication et du montage. Cet article explique les types de dissipateurs thermiques, les écarteurs avancés, les options de PCB et les méthodes de montage, et fournit des informations claires sur chaque sujet.
Aperçu du dissipateur thermique
Les dissipateurs de chaleur peuvent être regroupés de plusieurs manières selon leur structure, leur méthode de refroidissement, leur matériau et leur emplacement d’installation. Comprendre ces groupes facilite le choix d’un dissipateur thermique qui répond aux besoins de refroidissement d’un circuit ou d’un système.
Les méthodes de classification standard incluent :
• Méthode de refroidissement - passive ou active
• Procédé de fabrication - extrudé, embouti, étalé, etc.
• Géométrie de la dérive - droite, épingle, évasée
• Amélioration du transport de chaleur - conduit thermique, chambre à vapeur
• Niveau d’intégration - monté sur PCB ou niveau châssis
Refroidissement passif et actif pour dissipateurs thermiques
| Type | Méthode de refroidissement | Principal avantage | Limitation principale |
|---|---|---|---|
| Passif | Convection naturelle (pas de ventilateur) | Fonctionnement silencieux et structure simple | Il a besoin de plus d’espace ou de surface pour bien refroidir |
| Actif | Air forcé avec un ventilateur | Peut éliminer plus de chaleur dans une taille plus petite | Ça ajoute du bruit, consomme de l’énergie, et le ventilateur peut tomber en panne ou se boucher |
• Les dissipateurs thermiques passifs dépendent d’un flux d’air naturel, ils sont donc silencieux et simples mais nécessitent une taille plus grande ou plus d’ailettes pour éliminer la même quantité de chaleur.
• Les dissipateurs actifs utilisent un ventilateur pour pousser l’air à travers les ailerons, ce qui leur permet de supporter une chaleur plus élevée dans un espace plus petit, mais génèrent du bruit et dépendent du fait que le ventilateur reste propre et fonctionne correctement.
Matériaux courants des dissipateurs thermiques
| Matériel | Niveau de conductivité thermique |
|---|---|
| Aluminium | Modéré (~205 W/m·K) |
| Cuivre | Haut (~400 W/m·K) |
| Hybride | Aluminium et cuivre mélangés |
• L’aluminium a une conductivité thermique modérée et un faible poids, il est donc utilisé pour les dissipateurs thermiques standards dans de nombreux produits électroniques.
• Le cuivre a une conductivité thermique plus élevée et disperse la chaleur plus rapidement, mais il est plus lourd et coûte plus cher que l’aluminium.
• Les dissipateurs thermiques hybrides utilisent à la fois du cuivre et de l’aluminium dans une seule structure pour améliorer la propagation de la chaleur dans les points critiques tout en maintenant le poids et le coût globaux sous contrôle.
Forme des ailettes du dissipateur thermique et correspondance du flux d’air
La forme et la direction des ailettes influencent fortement la façon dont l’air circule dans un dissipateur thermique et la capacité à éliminer la chaleur. Différentes géométries de nageoires fonctionnent mieux avec des schémas d’air spécifiques, comme le flux d’air d’un ventilateur ou le flux d’air naturel. Choisir un type d’ailette adapté permet de maintenir un flux d’air fluide et d’améliorer les performances globales de refroidissement.
| Géométrie | Adéquation du flux d’air |
|---|---|
| Aileron droit | Le meilleur avec un flux d’air dans une direction principale |
| Pin-fin | Ça fonctionne bien avec l’air venant de plusieurs directions |
| Nageoire évasée | Aide à réduire la résistance au flux d’air et la contre-pression |
Méthodes de fabrication des dissipateurs thermiques et types de structures
Dissipateurs thermiques en aluminium extrudé
Les dissipateurs de chaleur exudés sont fabriqués en forçant l’aluminium chauffé à travers une matrice façonnée pour former une longue pièce à ailerons. Les profils peuvent alors être découpés à la longueur requise. Cette méthode, Heat Sink Classification : Types, Materials, and Manufacturing Methods, est utilisée car elle supporte de nombreuses formes standard et maintient les coûts de production gérables pour des niveaux de puissance petite à moyenne.
• Construction en une seule pièce avec ailettes et base formées ensemble
• Bonne résistance mécanique pour le montage et la manipulation
• Adapté aux applications de basse à moyenne consommation
• Capacité limitée à créer des nageoires fragiles ou des formes très complexes
Dissipateurs thermiques en métal embouti
Les dissipateurs thermiques emboutis sont fabriqués à partir de fines feuilles métalliques découpées et façonnées à l’aide d’outils d’embouti. Les nageoires et la base sont formées d’une seule feuille, ce qui maintient la structure légère et compacte. Ce type de dissipateur thermique est souvent utilisé lorsque l’espace est limité et qu’une quantité modérée de chaleur doit être retirée.
• Façonné à partir d’une fine feuille métallique à l’aide d’outils d’emboutiage
• Construction légère avec un coût matériel relativement faible
• Adapté à la production en grande masse de dissipateurs thermiques compacts
• Offre une surface moindre et des performances de refroidissement inférieures à celles des ailettes plus épaisses
Dissipateurs thermiques en métal moulé sous pression
Les dissipateurs thermiques moulés sous pression sont fabriqués en forçant le métal en fusion dans un moule, où il refroidit et durcit pour obtenir la forme finale. Ce procédé peut créer des motifs détaillés d’ailettes et des éléments de montage ou d’alignement intégrés en une seule pièce. Il est souvent utilisé lorsqu’une forme spécifique est nécessaire et lorsque le dissipateur thermique doit s’adapter étroitement aux autres pièces mécaniques.
• Utilise du métal en fusion injecté dans un moule pour former le dissipateur thermique
• Prend en compte des configurations complexes d’ailettes et des caractéristiques mécaniques intégrées
• Adapté aux conceptions où le dissipateur de chaleur fait partie de l’enceinte ou du boîtier
• Nécessite un coût d’outillage plus élevé, ce qui le rend le plus pratique pour des volumes de production moyens à élevés
Structures de dissipateurs thermiques à ailettes liées
Les dissipateurs thermiques à ailettes collées sont construits en fixant des ailettes séparées sur une base solide à l’aide de soudure, de brasage ou d’une autre méthode de collage. Cette approche permet d’intégrer davantage d’ailettes dans la même empreinte, ce qui augmente la surface totale pour le transfert de chaleur comparé à de nombreux profils extrudés standards. Les conceptions à ailettes liées sont souvent choisies lorsque des performances de refroidissement plus élevées sont requises dans un espace limité.
• Supporte une densité d’ailettes plus élevée que les dissipateurs thermiques extrudés typiques
• L’espacement, la hauteur et l’épaisseur des ailettes peuvent être ajustés en fonction du débit d’air et du niveau de puissance
• Les assemblages de liaison ajoutent une faible résistance thermique comparée aux ailettes monoblocs
Conception du dissipateur thermique à ailettes fendues
Les dissipateurs thermiques à ailettes découpées sont fabriqués à partir d’un bloc métallique solide en rase de fines couches de matériau et en les pliant pour former des ailerons. Comme les ailettes sont formées à partir du même morceau de métal que la base, il n’y a pas de joints séparés entre elles. Cette méthode permet à de nombreuses ailettes fines de s’adapter dans une petite surface, augmentant la surface totale de transfert de chaleur et permettant un refroidissement fort dans des espaces exigus.
• Les ailettes sont coupées et pliées à partir d’un seul bloc solide de métal
• Offre une grande surface de nageoire dans une empreinte compacte
• Fonctionne bien là où l’espace est limité mais où les besoins en évacuation de chaleur sont plus importants
Structures de dissipateurs thermiques forgés à froid
Les dissipateurs thermiques forgés à froid sont fabriqués en pressant du métal dans une puce façonnée sous haute pression à température ambiante ou légèrement au-dessus. Ce procédé forme la base et fusionne en une seule pièce solide, aidant à maintenir la structure solide et à améliorer le transfert de chaleur entre la base et les ailettes. La forge à froid fonctionne bien pour des formes compactes, y compris des configurations denses en pin-fin ou radiales qui nécessitent un bon refroidissement dans un espace restreint.
• Forme le dissipateur thermique en pressant le métal pour qu’il forme à haute pression
• La construction monobloc offre une grande résistance et un bon contact thermique
• Adapté aux configurations compactes et puissantes telles que les conceptions à pin-fin ou radiales
• Nécessite des outillages complexes et est le plus économique pour de grands volumes de production
Dissipateurs thermiques à caloducs et chambres à vapeur
Structures de dissipateurs thermiques à tuyau de chaleur
Les dissipateurs thermiques à tuyaux thermiques combinent une base et des ailettes métalliques avec un ou plusieurs tubes étanches contenant une petite quantité de fluide de travail. Lorsque la base est chauffée, le fluide au niveau de la phase chaude absorbe la chaleur et se vaporise. La vapeur se déplace le long du tube vers une région plus froide des nageoires, où elle se condense à nouveau en liquide et libère de la chaleur vers les ailettes. Une mèche ou une structure similaire à l’intérieur du tube ramène le liquide à l’extrémité chaude, ce qui répète le cycle et déplace rapidement la chaleur loin du point chaud.
• Utiliser des tuyaux étanches avec un fluide de travail pour déplacer la chaleur de la base vers la zone des dérives
• Aider à contrôler les points chauds en répartissant la chaleur sur une surface plus grande
• Permettre de placer les ailettes à une certaine distance de la source de chaleur tout en la refroidissant efficacement
• Dépendre d’une évaporation et d’une condensation continues à l’intérieur du tuyau pour un transport efficace de la chaleur
Conceptions de dissipateurs thermiques à chambre de vapeur
Les dissipateurs thermiques à chambre de vapeur utilisent une plaque plate et scellée contenant une petite quantité de liquide à l’intérieur. La chaleur fait évaporer le liquide, se répandre sous forme de vapeur, puis condenser sur les zones plus fraîches. Cela répand rapidement la chaleur sur la base avant d’atteindre les nageoires.
• La chambre plate répartit la chaleur sur une large base
• Aide à maintenir une température de base plus uniforme
• Réduit les points chauds et améliore l’efficacité des nageoires
Dissipateurs thermiques et caractéristiques de la carte imprimée
• Des dissipateurs à clip se fixent sur des boîtiers TO-220 et similaires pour extraire la chaleur de l’appareil.
• De petits dissipateurs thermiques SMD montés sur des pièces montées en surface pour améliorer le refroidissement local sur les cartes encombrées.
• Les vias thermiques et les larges zones en cuivre sur le PCB aident à répartir la chaleur de la pièce vers les couches de la carte.
• Ces méthodes sont utiles lorsqu’il n’y a pas de dissipateur thermique du châssis à proximité, et que le composant doit être refroidi tout en restant sur la carte.
Méthodes courantes de montage des dissipateurs thermiques
| Type d’attachement | Utilisation typique | Principal avantage | Limitation principale |
|---|---|---|---|
| Bande thermique | Charges légères | Facile à installer | Performance thermique inférieure |
| Adhésif thermique | Assemblées permanentes | Lien fort et durable | Difficile à retirer ou à ajuster |
| Clips | Ensembles de puissance moyenne | Réutilisable et sans outil | Nécessite des caractéristiques correspondantes sur les pièces |
| Goupilles poussoirs | Dissipateurs thermiques montés sur PCB | Installation rapide | Nécessite des trous dans la carte électronique |
| Vis | Dissipateurs thermiques grands ou lourds | Rétention puissante | Ça prend plus de temps à assembler et à serrer |
Conclusion
Les dissipateurs peuvent sembler simples, mais leur capacité de refroidissement provient de nombreux choix liés. La méthode de refroidissement, le matériau, la géométrie des dérives et la méthode de construction définissent les performances, la taille et le coût de base. Des caractéristiques supplémentaires telles que les conduites thermiques, chambres à vapeur, surfaces en cuivre pour PCB et montage ferme améliorent la circulation de la chaleur lorsque l’espace ou l’alimentation est limitée. Ensemble, ces facteurs contribuent à maintenir les circuits dans des limites de température sûre et à soutenir une performance thermique fiable et stable sur le long terme.
Foire aux questions [FAQ]
Q1. Qu’est-ce que la résistance thermique des dissipateurs thermiques ?
La résistance thermique du dissipateur thermique correspond à la hausse de température en °C pour chaque watt de puissance (°C/W). Une valeur plus faible signifie un meilleur refroidissement.
Q2. Comment la température ambiante affecte-t-elle un dissipateur thermique ?
Une température ambiante plus élevée fait que le dissipateur thermique et l’appareil chauffent plus vite. Pour maintenir la température de l’appareil, il faut plus de circulation d’air ou un meilleur dissipateur thermique.
Q3. La couleur d’un dissipateur de chaleur influence-t-elle le refroidissement ?
La couleur a peu d’effet sur le refroidissement. La surface des dérives, le flux d’air et le choix des matériaux comptent beaucoup plus.
Q4. Qu’est-ce qu’un matériau d’interface thermique (TIM) ?
Un TIM est une fine couche conductrice thermique entre l’appareil et le dissipateur thermique qui comble de minuscules espaces et améliore le flux de chaleur.
10,5 Q5. Pourquoi l’orientation du dissipateur thermique est-elle importante dans le refroidissement passif ?
Lors du refroidissement passif, l’air chaud monte. Les ailettes verticales avec un chemin dégagé vers le haut permettent de circuler l’air plus facilement et d’améliorer le refroidissement.
Q6. Comment faites-vous pour qu’un dissipateur thermique fonctionne bien sur le long terme ?
Enlève la poussière des ailettes et des ventilateurs, et assure-toi que les clips, goupilles ou vis restent bien serrés pour que le contact et la circulation d’air restent bonnes.
