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Les dissipateurs de chaleur ont une fonction critique de contr?le thermique, en maintenant les dispositifs électroniques à une température acceptable pour éviter les températures élevées et les défaillances qui s'ensuivent. Il est donc important d'équilibrer les principes du dissipateur thermique, tels que la conductivité thermique, la surface et le type de matériau utilisé. La ma?trise de ces concepts peut aider les concepteurs à développer des dissipateurs thermiques efficaces pour évacuer la chaleur et prolonger la durée de vie des composants et des systèmes.

Comprendre les bases du dissipateur thermique

Qu'est-ce qu'un dissipateur thermique ?

Un dissipateur thermique est un dispositif de refroidissement qui transfère la chaleur au système environnant, empêchant l'objet chaud de devenir beaucoup plus chaud que son environnement. En termes simples, le r?le principal d'un dissipateur thermique est de réguler la température du composant dans les limites maximales autorisées.

Ils y parviennent gr?ce à une surface étendue et facilitent la dissipation de la chaleur par conduction, convection et radiation. Les dissipateurs de chaleur en électronique sont utilisés dans des applications telles que les CPU, les GPU, les transistors de puissance ou les lampes LED afin de garantir que ces composants ne surchauffent pas et ne tombent pas en panne.

Composants essentiels du dissipateur thermique

Un dissipateur thermique comprend plusieurs composants qui facilitent la dissipation de la chaleur dans les composants électroniques.

Les base se place directement sur les composants produisant de la chaleur, le processeur ou le transistor de puissance. Il est généralement métallique, de préférence en aluminium ou en cuivre.

Certains palmes adhèrent à la base et augmentent la surface de sortie pour la convection de la chaleur vers l'air ou le fluide environnant.

Voici quelques exemples de dessins caloducs pour aider à transférer la chaleur de la base à la section à ailettes.

Les mécanisme de montage permet de fixer correctement les dissipateurs de chaleur, et un composé thermique comprime les minuscules espaces entre le dissipateur thermique et le composant. Ceci est nécessaire pour minimiser la résistance thermique.

Les fans dans les dissipateurs thermiques actifs améliorent la circulation de l'air sur les ailettes afin d'améliorer la dissipation de la chaleur. De plus, certains dissipateurs thermiques peuvent incorporer un gardien ou le bo?tier pour contr?ler plus rigoureusement le flux d'air à travers les ailettes, car elles sont utiles dans les applications haut de gamme ou exigu?s.

Comprendre la conductivité thermique des matériaux des dissipateurs thermiques

La conductivité thermique (k) est l'une des propriétés les plus importantes pour déterminer l'efficacité avec laquelle un matériau conduit la chaleur. La conductivité thermique est la quantité de chaleur (Q) qui traverse un matériau en un temps donné (t) avec un gradient de température (ΔT) sur une distance donnée (L). Mathématiquement, elle est exprimée par la loi de Fourier sur la conduction de la chaleur :

蚕=-办×础×Δ罢/尝

Où : Q= taux de transfert de chaleur (W, watts), k= conductivité thermique du matériau (W/m-K), A= surface de la section transversale traversée par la chaleur (m?).ΔT= changement de température à travers le matériau (K) et L = épaisseur du matériau (m).

La conductivité thermique est importante dans les applications de dissipation thermique. Elle améliore le transfert de chaleur de la source de chaleur, telle que les composants électroniques, vers le dissipateur thermique afin de distribuer la chaleur dans l'environnement. Une conductivité thermique élevée des matériaux accélère le flux de chaleur et réduit les gradients de température, augmentant ainsi l'efficacité du refroidissement.

La surface et son r?le dans la dissipation de la chaleur

La surface est l'un des paramètres les plus importants directement liés à la dissipation de la chaleur dans les dissipateurs thermiques. Plus la surface en contact avec le fluide de refroidissement, de préférence l'air, est importante, meilleur est le refroidissement car l'échange de chaleur est plus important. La loi de Newton sur le refroidissement peut décrire le taux de dissipation de la chaleur :

蚕=丑×础×Δ罢

où h représente le coefficient de transfert de chaleur par convection (W/m?-K).

Cette équation montre que, lorsque le coefficient de transfert de chaleur par convection et la différence de température sont constants, le taux de dissipation de la chaleur est directement proportionnel à la surface. Cela s'explique par le fait qu'une grande surface signifie de nombreux points de contact. Ainsi, une plus grande quantité de chaleur est transférée du dissipateur thermique à l'air ambiant, ce qui augmente l'effet de refroidissement.

Techniques pour maximiser la surface sans augmenter la taille globale

Dans la plupart des applications, et plus particulièrement dans les systèmes compacts ou portables, la taille du dissipateur thermique est limitée. Les méthodes permettant d'obtenir une grande surface tout en contenant la structure sont utiles.

L'une des techniques consiste à utiliser des ailettes et des réseaux de broches. Cela tend à étendre la surface thermique du dissipateur de chaleur, bien que cela n'affecte pas beaucoup la taille du dissipateur de chaleur.

Les dissipateurs thermiques à microcanaux ont de petits passages internes et augmentent considérablement la surface de dissipation thermique sans augmenter les dimensions extérieures. Une rainure ou des fossettes peuvent augmenter la surface à micro-échelle pour faciliter le transfert de chaleur sans modifier les dimensions du dissipateur thermique.

Les structures à ailettes pliées consistent à plier de minces feuilles de métal en forme d'ailettes. Elles augmentent la surface de contact tout en réduisant la surface totale.

Il existe également des matériaux poreux, par exemple des mousses métalliques dont la surface interne est extrêmement grande pour un volume donné. Cependant, ils posent des problèmes de flux d'air et de perte de charge.

Critères de sélection des matériaux pour la conception des dissipateurs thermiques

La conductivité thermique est l'un des paramètres les plus importants lors de la sélection du matériau pour les dissipateurs thermiques. Elle détermine le taux de transfert de chaleur. Le cuivre est l'un des matériaux couramment utilisés. Le cuivre a une meilleure conductivité thermique, de l'ordre de 390 à 400 W/m-K. Il est idéal pour les applications haut de gamme et est très conducteur. Il est idéal pour les applications haut de gamme et est très conducteur. Toutefois, le co?t et la densité du cuivre peuvent poser des problèmes. L'aluminium a une conductivité thermique relativement plus faible, de l'ordre de 200-250 W/m-K. Cependant, il est relativement économique et plus léger. L'aluminium est donc idéal pour une utilisation polyvalente.

Les nouveaux matériaux tels que le graphène ont une conductivité thermique allant jusqu'à 5000 W/m-K. Ils sont promis à un meilleur avenir dans la conception des HSF, avec probablement la meilleure méthode de refroidissement conventionnelle. D'autres matériaux composites à haute performance thermique, tels que les composites à matrice métallique et les matériaux à changement de phase, laissent entrevoir des utilisations futures possibles avec une meilleure efficacité thermique et une plus grande durabilité. Cependant, les compromis sont cruciaux et nécessitent une attention particulière. Par conséquent, pour choisir les matériaux appropriés, il faut tenir compte de certains avantages et inconvénients concernant les exigences spécifiques de l'application et l'efficacité, le co?t, la masse et la solidité.

Mécanismes de transfert de chaleur dans la conception des dissipateurs thermiques

Une conception efficace repose sur trois mécanismes principaux de transfert de chaleur : Il s'agit de la conduction, de la convection et du rayonnement.

Conduction

Dans les dissipateurs de chaleur, la conduction est un processus par lequel la chaleur d'un composant est transférée à travers le matériau vers l'environnement extérieur. La loi de Fourier donne le taux de transfert de chaleur par conduction :

Q_conduction=-办×础×Δ罢/尝

Ce mécanisme est crucial car il permet le transfert de chaleur de la source à la surface du dissipateur thermique, où la dissipation se poursuit.

La conduction est un facteur important. Le choix d'un matériau approprié est donc idéal. Les conducteurs thermiques tels que le cuivre ou l'aluminium sont utiles car ils permettent le transfert de chaleur de la source chaude à la surface froide du module Peltier.

Le cuivre, qui présente une bonne conductivité thermique, est largement utilisé dans les applications à haute température. L'aluminium offre des options peu co?teuses avec des performances thermiques raisonnables.

En outre, la conception doit également optimiser la résistance thermique en maintenant un bon contact entre la source de chaleur et le dissipateur thermique. Cela est possible en employant des matériaux d'interface thermique qui contribuent à améliorer l'échange de chaleur entre les deux surfaces et à surmonter l'impédance thermique.

Il convient d'accorder une attention particulière à la bonne répartition des chemins thermiques et d'éviter les lacunes ou les zones de contact non uniformes, car elles ont une influence négative sur la conduction de la chaleur et la gestion thermique.

Convection

La convection implique l'échange de chaleur entre une surface solide et un fluide qui s'écoule au-dessus de la surface, qu'il s'agisse d'air ou de liquide. Elle implique le mouvement de la chaleur à travers le fluide et est décrite par la loi de Newton sur le refroidissement :

Q_convection=丑×础×Δ罢

La convection est l'un des facteurs critiques du refroidissement, et elle détermine le degré de dissipation de la chaleur à partir des surfaces du dissipateur thermique. Il est donc nécessaire de disposer d'une surface maximale pour améliorer la convection.

L'utilisation d'ailettes ou de réseaux de picots permet d'augmenter la surface disponible pour la dissipation de la chaleur. L'efficacité de la convection est améliorée par une surface de tête plus proéminente, car il y a plus de chances que la chaleur soit transférée au fluide environnant.

En outre, le flux autour du dissipateur thermique doit augmenter le coefficient thermique de convection. Cela implique l'utilisation de ventilateurs ou de souffleries pour augmenter les débits, ce qui permet d'évacuer la chaleur plus rapidement.

Rayonnement

Tout objet exposé au rayonnement subit un transfert de chaleur par le biais d'ondes électromagnétiques sans avoir besoin d'un support. C'est ce que décrit la loi de Stefan-Boltzmann :

Q_Rayonnement=?×σ×础×(罢_surface⁴ - T_ambiant⁴)

Où ?= l'émissivité de la surface (sans dimension), σ = constante de stefan-boltzmann (5,67×10-8 W/m?-K?), A= surface du dissipateur thermique (m?), T_surface= température de la surface du dissipateur thermique (K), T_ambiant = température ambiante (K).

Dans la conception des dissipateurs thermiques, le rayonnement est l'un des mécanismes les plus importants. L'application de revêtements et de finitions qui augmentent l'émissivité peut améliorer de manière significative le transfert de chaleur par rayonnement. Les surfaces à forte émissivité peuvent émettre un rayonnement thermique plus efficace, ce qui contribue à la dissipation de la chaleur. En outre, les caractéristiques géométriques du dissipateur thermique jouent également un r?le essentiel dans l'efficacité de la dissipation de la chaleur par rayonnement. Pour obtenir un dissipateur thermique efficace, les caractéristiques exposent la plus grande partie possible de celui-ci à l'environnement pour la dissipation de la chaleur. Dans de nombreux dissipateurs thermiques, l'optimisation du transfert de chaleur par rayonnement implique l'utilisation de revêtements à haute émissivité combinés à des conceptions géométriques.

Optimisation de la géométrie et de la forme dans la conception des dissipateurs thermiques

Surface et dissipation de la chaleur

L'efficacité d'un dissipateur de chaleur dépend en grande partie de sa surface, car le taux de transfert de chaleur par convection dépend de la surface. Pour calculer la surface nécessaire pour un taux de dissipation thermique donné, utilisez l'équation suivante pour les transferts de chaleur par convection :

蚕=丑×础×Δ罢

Supposons qu'un dissipateur thermique doive dissiper 50 W, avec un coefficient de transfert thermique par convection h=50 W/m?.K. Supposons également que la différence de température entre le dispositif électronique et l'environnement soit ΔT =55K :

础=蚕/丑Δ罢=50/(50×55)=0.01819尘² ou 182cm²

Conduction à travers un dissipateur de chaleur

Pour calculer la chaleur traversant un matériau de dissipation thermique, utilisez la loi de Fourier sur la conduction :

Q_conduction=-办×础×Δ罢/尝

Supposons que nous choisissions l'aluminium comme matériau, alors k=205 W/m.K, ΔT=55 K, et l'épaisseur L=0,01 m, et la section A=0,01 m?A = :

Q_conduction=-205×0.01819×55/(0.01)=20.509办奥

Optimisation de la géométrie des ailettes

Pour déterminer l'efficacité des ailettes dans un dissipateur thermique, utilisez l'équation suivante pour calculer le taux de transfert de chaleur à partir d'une seule ailette :

Q_nageoire=(办×础_nageoire×ΔT)/L [1/√((h.L)/k)]

Où A_nageoire= Surface d'une seule ailette (m?)

Processus de conception des dissipateurs thermiques

La formulation du dissipateur thermique implique plusieurs processus. Chaque étape nécessite des calculs techniques particuliers afin de maximiser l'efficacité thermique.

1. Définir les exigences :

Pour définir les performances du dissipateur thermique, trois facteurs critiques doivent être pris en compte : le besoin de dissipation thermique (Q) en watts (W). Par exemple, si un composant électronique dissipe 20 W de chaleur, Q= 20 W. Ensuite, il faut déterminer la température ambiante (T_a), qui est la température du milieu environnant. Typiquement, Ta = 30^°C. Préciser également la température maximale de jonction (T_j) pour le fonctionnement du composant. Par exemple, Tj=85^°C=85^°Enfin, calculez l'élévation de température souhaitée (ΔT) en soustrayant la température ambiante de la température de jonction.

Δ罢=罢_j-T_a=85-30=55^oC

2. Calculer la résistance thermique requise (R_th):

Déterminez la résistance thermique que le dissipateur doit respecter pour obtenir l'augmentation de température souhaitée.

R_th=ΔT/Q=55/20=2,75 °C/W

3. Sélectionnez le type de dissipateur thermique et le matériau :

Le type et le matériau du dissipateur de chaleur dépendent de facteurs tels que les propriétés thermiques, le poids et le co?t. Les types les plus courants sont l'aluminium et le cuivre. Par exemple, l'aluminium a une conductivité thermique (k) d'environ 205 W/m-K, ce qui le rend utilisable en raison de son efficacité et de son co?t.

4. Déterminer la géométrie du dissipateur thermique :

Ajustez la taille et la forme du dissipateur thermique pour atteindre les niveaux de résistance thermique requis. La sélection des options de la géométrie peut inclure le type d'ailette, le type de broche ou les deux. Pour le type d'ailette, calculez l'espacement des ailettes comme suit :

Espacement des ailettes = Hauteur du dissipateur de chaleur/Nombre d'ailettes

5. Effectuer les calculs thermiques :

Lors du choix du modèle de dissipateur thermique, il faut s'assurer que les calculs de résistance thermique ont été effectués. Le coefficient de transfert thermique par convection de l'air (h) est généralement compris entre 10 et 50 W/m?-K. Calculer la résistance thermique effective comme suit

R_th,total=R_{th, dissipateur thermique}+R_{th, interface}+R_th,junction

Où R_{th, dissipateur thermique}= résistance thermique du dissipateur de chaleur, R_{th, interface}= résistance de l'interface thermique, R_{th, jonction}= résistance thermique de la jonction à l'interface.

Pour le dissipateur thermique :

R_{th, dissipateur thermique}=1/h.A_total

Où A_total= surface disponible pour la dissipation de la chaleur.

6. Prototype et test

Construisez un dissipateur thermique physique en suivant les informations de conception et évaluez les résultats. Soudez le dissipateur thermique au composant électronique et utilisez un thermomètre pour mesurer la différence de température afin d'évaluer les performances du dissipateur thermique. Enfin, en fonction des résultats, des modifications peuvent être apportées à la conception pour obtenir la résistance thermique nécessaire.

Erreurs de conception courantes et comment les éviter

La gestion thermique est vitale, en particulier lorsqu'il s'agit de la concevoir pour des appareils électroniques. Cependant, plusieurs erreurs sont susceptibles d'avoir un impact négatif. L'une des erreurs les plus courantes consiste à exiger plus d'espace sur la surface du dissipateur thermique pour permettre une bonne dissipation de la chaleur. Dans la pratique, les concepteurs doivent effectuer des calculs et des simulations de base pour déterminer la surface nécessaire à la charge thermique. Il peut en résulter une augmentation des régimes de température, voire un choc thermique des composants.

Par conséquent, les interfaces entre la source de chaleur et le dissipateur thermique peuvent directement augmenter la résistance thermique et donc conduire à une faible dissipation thermique. En outre, toute inadéquation des ailettes, y compris l'épaisseur ou l'espacement des ailettes, peut interrompre le flux d'air et nuire au transfert de chaleur par convection, augmentant ainsi la température de fonctionnement. Par conséquent, des calculs appropriés et l'utilisation d'outils tels que la dynamique des fluides numérique (CFD) aident les concepteurs à prévoir plus correctement la surface et la géométrie des ailettes. Pour obtenir un transfert thermique approprié, il faut utiliser des MIT de bonne qualité et des surfaces de contact lisses et planes.

Conclusion

La conception d'un dissipateur thermique est cruciale pour atteindre les limites thermiques de fonctionnement des composants électroniques. Un dissipateur thermique adéquat doit intégrer la conductivité thermique, l'espace aérien et les matériaux en tant que paramètres à part entière. Leur mise en ?uvre correcte renforce la durabilité du composant et les performances du système.

La conduction, la convection et le rayonnement jouent un r?le essentiel dans le processus de perte de chaleur. Les principes qui sous-tendent ces mécanismes doivent donc être parfaitement compris.

De meilleurs matériaux et méthodes pour les matériaux à haute conductivité thermique et les géométries lors de la construction de dissipateurs thermiques peuvent apporter des niveaux élevés d'amélioration. La recherche itérative de nouvelles possibilités de matériaux et de conceptions permet d'améliorer le développement de produits thermiques.