7 procédés de fabrication d'un dissipateur thermique

Cet article aborde différents procédés de fabrication des dissipateurs thermiques, ces composants essentiels qui empêchent la surchauffe des composants électroniques tels que le processeur et la carte graphique de votre ordinateur. Nous vous expliquerons comment les ingénieurs s'assurent du bon fonctionnement de ces systèmes de refroidissement.

Qu'est-ce qu'un dissipateur thermique ?

Un dissipateur thermique est un dispositif qui évacue la chaleur de fonctionnement d'un équipement afin d'assurer son bon fonctionnement. Il est utilisé, par exemple, pour les processeurs (CPU) et les cartes graphiques (GPU) d'ordinateurs. Selon le mode de refroidissement, on distingue plusieurs types de dissipateurs thermiques : refroidissement par air, refroidissement liquide et caloducs. Les principaux matériaux utilisés sont les alliages de cuivre et d'aluminium, mais il existe également des matériaux non métalliques comme le graphène, les thermoplastiques et la céramique. La dissipation de la chaleur repose sur la combinaison de la conduction, de la convection et du rayonnement. Les procédés de fabrication comprennent des technologies telles que l'extrusion d'aluminium et le collage cuivre-aluminium. La conception et la fabrication des ailettes influent directement sur l'efficacité de la dissipation thermique.

Matériaux du dissipateur de chaleur

Les matériaux les plus utilisés pour les dissipateurs thermiques sont les alliages de cuivre et d'aluminium.

• Cuivre : La conductivité thermique du cuivre (380-420 W/mK) est nettement supérieure à celle des alliages d’aluminium (150 à 250 W/mK). Il est principalement utilisé dans les applications de gestion thermique haut de gamme où la performance est primordiale, telles que les serveurs de calcul IA, les dispositifs RF haute puissance, l’électronique grand public haut de gamme et le refroidissement des GPU/CPU.
• Alliages d'aluminiumLes dissipateurs thermiques en aluminium sont principalement utilisés dans des applications environnementales à grande échelle présentant des exigences thermiques relativement faibles, mais des exigences élevées en matière d'intégrité structurelle et de légèreté, comme dans les systèmes électriques, le photovoltaïque (solaire), l'automobile et les stations de base de communication.
• Matériaux non métalliques : D’autres matériaux, notamment des thermoplastiques à base de graphène et des céramiques (par exemple, le carbure de silicium, le nitrure de bore), sont également utilisés.

Récemment, de nouveaux matériaux composites à matrice métallique ont fait leur apparition, notamment l'aluminium à base de graphène, les composites diamant/aluminium et les composites diamant/cuivre.

• Aluminium à base de graphène : ce matériau est produit par modification de l’aluminium lors du processus de fusion. Il améliore la conductivité thermique de l’alliage d’aluminium tout en préservant ses excellentes propriétés structurelles et sa légèreté. L’aluminium à base de graphène actuel peut atteindre une conductivité thermique de 300 à 350 W/mK.
• Composite diamant/aluminium : Le diamant possède une conductivité thermique théorique pouvant atteindre 2 000 W/mK. En modifiant l’aluminium avec du diamant, la conductivité thermique du composite est considérablement accrue, atteignant actuellement 500 à 600 W/mK. Cependant, l’obtention d’une conductivité thermique plus élevée requiert une plus grande quantité de diamant, ce qui nuit aux propriétés structurelles et à la mise en œuvre de l’aluminium. De plus, le coût élevé du diamant affecte la rentabilité globale du produit.
• Composite diamant/cuivre : L’utilisation de la conductivité thermique élevée du diamant pour modifier le cuivre améliore considérablement ses performances thermiques. Les composites diamant/cuivre peuvent actuellement atteindre une conductivité thermique de 600 à 1 000 W/mK, selon la teneur en diamant.

7 procédés de fabrication des dissipateurs thermiques

Il existe plusieurs technologies pour fabriquer des dissipateurs thermiques, notamment :

1. Usinage CNC

Usinage CNC Il ne s'agit pas d'un simple procédé, mais d'une plateforme technologique. Un modèle 3D numérique créé par un concepteur est converti en instructions lisibles par machine (généralement du code G) grâce à un logiciel spécialisé. Le système CNC contrôle ensuite avec précision les moteurs et les outils de coupe pour réaliser automatiquement des opérations de découpe, de gravure, de perçage et autres sur des matériaux comme le métal, le plastique ou le bois, produisant ainsi une pièce physique identique au modèle numérique.

Les principaux procédés d'usinage CNC comprennent le fraisage CNC (l'outil tourne, la pièce est fixe) et le tournage CNC (la pièce tourne, l'outil est fixe et se déplace). On peut également citer le perçage, la rectification et le découpage au fil CNC.

• Usinage avancé : L’usinage multiaxes représente le haut de gamme des machines CNC. Une machine 3 axes est fondamentale ; elle usine uniquement le dessus et les côtés d’une pièce et ne peut traiter ni les surfaces courbes complexes ni les contre-dépouilles. Une machine 5 axes, avec un axe A (rotation autour de l’axe X) et un axe C (rotation autour de l’axe Z), permet à l’outil d’approcher la pièce depuis n’importe quelle direction, rendant possible l’usinage de géométries très complexes (par exemple, des turbines, des pièces de structure aérospatiales) avec une précision et une efficacité extrêmes.
• Avantages : L’usinage CNC offre une précision et une répétabilité extrêmement élevées, permettant d’atteindre facilement des tolérances micrométriques et de produire des pièces identiques de manière constante. Il est généralement utilisé lors du prototypage des dissipateurs thermiques et pour le fraisage de la base des dissipateurs thermiques moulés sous pression ou forgés afin d’assurer une planéité parfaite face à la source de chaleur.
• Inconvénient : En tant que procédé de « fabrication soustractive », il génère une certaine quantité de déchets de matériaux provenant de la découpe.

2. Extrusion d'aluminium

Dans ce procédé, un lingot d'aluminium est chauffé jusqu'à ramollissement (environ 400 à 500 °C en dessous de son point de fusion de 660 °C). Une force hydraulique considérable (pouvant atteindre plusieurs milliers de tonnes) est utilisée pour forcer l'aluminium ramolli à travers une filière de forme spécifique (alésage de la filière), ce qui permet d'obtenir un profilé d'une longueur infinie épousant parfaitement la section de la filière. Enfin, le profilé est découpé à la longueur requise et subit des opérations de post-usinage (par exemple, découpe, fraisage CNC, taraudage).

• Avantages : Extrusion d'aluminium Ce procédé est économique et adapté à la production de masse standardisée. C'est le procédé de fabrication de dissipateurs thermiques le plus courant sur le marché, utilisé pour les ailettes de la plupart des refroidisseurs à air pour processeurs basse consommation et pour les dissipateurs thermiques à profilés en aluminium courants.
• Limitation : Le rapport d'aspect (rapport hauteur/épaisseur) des ailerons est limité, ce qui rend impossible la création d'ailerons très fins et très hauts.

3. Moulage sous pression

Coulée sous pression Le procédé consiste à chauffer l'alliage d'aluminium dans un four jusqu'à fusion complète. Un mécanisme d'injection projette ensuite l'aluminium liquide à grande vitesse et haute pression dans un moule en acier de précision en deux parties, où il refroidit et se solidifie rapidement.

• Avantages : Sa force réside dans le moulage monobloc, capable de produire des dissipateurs thermiques aux formes complexes et aux structures compactes, tels que des boîtiers de refroidissement pour GPU et des modules de refroidissement de puces hautement intégrés.
• Limites : Le procédé est sujet à des défauts tels que la porosité et le retrait, ce qui entraîne une conductivité thermique légèrement inférieure.

4. Forgeage

Le forgeage, comparable au travail du fer par un forgeron, est un procédé mécanisé utilisant un moule. Une ébauche en alliage d'aluminium est chauffée à la température de forgeage (généralement inférieure au point de fusion, mais conservant une excellente plasticité) et placée dans la partie inférieure d'une matrice. La partie supérieure de la matrice se referme rapidement sous une pression intense (exercée par une machine à forger), comprimant l'ébauche pour remplir entièrement la cavité du moule et lui donner ainsi la forme et la taille souhaitées.

Avantages : Le forgeage, qui repose sur la déformation plastique plutôt que sur la fusion, permet aux grains métalliques internes de s’écouler et de s’affiner dans le sens de la déformation, ce qui engendre une structure dense. Les pièces forgées présentent généralement une résistance mécanique et une conductivité thermique supérieures à celles des pièces moulées sous pression.

5. Estampage

L'emboutissage est un procédé de travail à froid qui utilise une presse à poinçonner et des matrices spécialisées pour appliquer une pression sur des feuilles de métal (généralement des bobines ou des flans), les amenant à se séparer ou à se déformer plastiquement pour obtenir la forme et la taille souhaitées.

Principales applications des dissipateurs thermiques :

Fabrication des ailettes de dissipateur thermique : Il s’agit de l’application la plus importante et la plus cruciale. Les ailettes denses de la plupart des refroidisseurs à air de milieu et haut de gamme sont fabriquées par estampage. L’estampage permet d’intégrer diverses structures fonctionnelles aux ailettes, telles que des systèmes de verrouillage (pour les ailettes à boucle), des guides de flux d’air et des perforations d’allègement, impossibles à réaliser avec l’extrusion d’aluminium.

Fabrication des pièces structurelles et auxiliaires : cela comprend les supports métalliques pour le montage du dissipateur thermique sur le processeur/la carte mère, les bases à vis à ressort (souvent en acier haute résistance ou en acier inoxydable), les clips de fixation du ventilateur et les couvercles décoratifs.

Avantages : L’emboutissage offre une productivité extrêmement élevée. Les presses modernes à grande vitesse peuvent produire des centaines, voire des milliers de pièces d’une grande régularité par minute. Une fois l’outillage réalisé, le coût unitaire est très faible, ce qui en fait une technique idéale pour la production en série.

Limitations : Le coût élevé de conception et de fabrication des matrices progressives de précision limite ce procédé aux productions en grande série. Il est limité aux pièces en tôle fine et ne permet pas de produire des composants 3D massifs et lourds (comme les socles de dissipateurs thermiques).

6. Coupe de fil

service de coupe de filL'usinage par électroérosion à fil (WEDM) utilise un fil métallique extrêmement fin (généralement en molybdène ou en cuivre) en mouvement continu comme électrode. Une décharge d'étincelles pulsée se produit entre le fil et la pièce à usiner, générant instantanément des températures élevées qui font fondre et vaporisent localement le métal pour réaliser la découpe.

L'électrode et la pièce à usiner sont maintenues à un espace de décharge infime, évitant ainsi tout contact physique direct. Il en résulte une force de coupe minimale, prévenant la déformation de la pièce et permettant l'usinage de pièces très fines ou facilement déformables. De plus, ce procédé permet de couper tout matériau conducteur, quelle que soit sa dureté.

• Application dans les dissipateurs thermiques : Son application la plus répandue et la plus importante concerne la fabrication d’outillage. L’électroérosion à fil (WEDM) est la méthode privilégiée pour la création d’inserts de poinçonnage et de matrice complexes et de haute précision dans les matrices progressives utilisées pour l’emboutissage des ailettes. Ces inserts sont fabriqués en acier à outils extrêmement dur et résistant à l’usure (par exemple, SKD11, DC53), que les méthodes mécaniques traditionnelles peinent à usiner, notamment pour former des angles vifs et des jeux étroits.
• Limitations : La vitesse de traitement est lente comparée aux procédés à grand volume comme l’emboutissage ou l’extrusion. On observe également une usure des électrodes, plus marquée avec les fils à déplacement rapide, même si les fils à déplacement lent compensent ce phénomène grâce à des techniques de coupes multiples.

7. Aileron effilé

Le taillage par rognage est un procédé de découpe spécial permettant de fabriquer des ailettes métalliques fines. Contrairement à l'emboutissage (séparation de matière) ou à l'extrusion (passage forcé de matière à travers une filière), le taillage par rognage utilise une lame spéciale pour raboter avec précision la plaque de base fixe. Lors de la découpe, la lame soulève et plie le métal enlevé pour former une ailette verticale, au lieu de le jeter. Ce procédé présente plusieurs avantages, notamment :

Résistance thermique nulle par contact : les ailettes et la base sont usinées dans un seul bloc de matériau, formant un monolithe complet. Ceci garantit un transfert de chaleur homogène de la base à l’extrémité des ailettes, éliminant toute résistance thermique par contact due aux joints mécaniques ou aux soudures. C’est la raison fondamentale des excellentes performances des dissipateurs thermiques à ailettes usinées.

Ailettes hautes, fines et denses : en ajustant les paramètres d’outillage et de procédé, il est possible de produire des ailettes présentant un rapport d’aspect (rapport hauteur/épaisseur) très élevé. Par exemple, on peut facilement créer un réseau dense d’ailettes d’une épaisseur de seulement 0.2 mm et d’une hauteur supérieure à 20 mm, ce qui est impossible à réaliser par extrusion d’aluminium. L’épaisseur/l’espacement minimal des ailettes serait d’environ 0.08 mm, bien que leur hauteur soit limitée à 2-3 mm.

Excellente résistance et rigidité structurelles : la structure monolithique rend la base de l’ailette très résistante et moins susceptible de se déformer sous l’effet des vibrations ou des chocs, offrant une stabilité bien supérieure aux assemblages « à ailettes traversantes » ou « à ailettes bouclées ».

Flexibilité de conception : des ailettes de hauteurs et d'espacements différents peuvent être créées sur le même dissipateur thermique afin d'optimiser le flux d'air et l'efficacité thermique, par exemple en rendant les ailettes plus hautes et plus denses au-dessus de la source de chaleur principale.

Applications : Les dissipateurs thermiques à ailettes biseautées sont principalement utilisés dans des applications exigeant des performances thermiques et une fiabilité extrêmes, telles que les refroidisseurs d'air pour puces haute puissance et les plaques froides à microcanaux des têtes de refroidissement liquide.

Finitions de surface des dissipateurs thermiques

Les surfaces métalliques non traitées des dissipateurs thermiques présentent une structure rugueuse qui entrave le transfert de chaleur. De plus, la couche d'oxyde agit comme un isolant et le métal lui-même est sensible à la corrosion en environnements agressifs. Les traitements de surface permettent de remédier à ces problèmes.

Anodisation

Service d'anodisation Ce procédé convient aux dissipateurs thermiques en aluminium et en alliage d'aluminium. Il consiste généralement à appliquer un courant électrique externe dans un milieu d'acide sulfurique afin de former une couche d'oxyde à la surface du dissipateur. Ce procédé compense efficacement les défauts de dureté et de résistance à l'usure de l'alliage d'aluminium. Contrairement au revêtement en poudre électrostatique traditionnel, l'anodisation n'altère pas l'efficacité de refroidissement du dissipateur, ce qui explique sa popularité auprès des fabricants.

• Avantages : Dureté élevée, résistance à l’usure et à la corrosion, bonne isolation (tension de claquage supérieure à 200 V) et disponible en plusieurs couleurs (généralement noir). Le procédé est éprouvé, stable et économique.
• Inconvénients : La couche d’oxyde introduit une certaine résistance thermique, affectant légèrement la dissipation de chaleur (bien que les performances globales soient excellentes). La couleur est principalement noire, les autres couleurs pouvant avoir des effets légèrement inférieurs.
• Application : Le choix le plus courant pour les ailettes et les bases des refroidisseurs de processeur/carte graphique.

Electroplating

Electroplating Ce procédé consiste à déposer une fine couche d'un autre métal ou alliage sur la surface métallique du dissipateur thermique. Il prévient l'oxydation de surface et améliore la résistance à l'usure, la conductivité, la réflectivité, la résistance à la corrosion et l'esthétique. C'est une solution économique et scientifique pour obtenir une surface à la fois protectrice et décorative.

• Nickelage : Offre une excellente résistance à la corrosion et un aspect texturé blanc argenté. Couramment utilisé pour protéger les bases ou connecteurs en cuivre. Le revêtement est uniforme et convient aux formes complexes, mais une couche trop épaisse peut réduire l’efficacité thermique (la conductivité thermique du nickel est de 90 W/mK).
• Le chromage confère une dureté et une réflectivité élevées (bénéfique pour le rayonnement thermique). Son aspect brillant est souvent utilisé pour les pièces décoratives.
• Placage argent : Il offre théoriquement une conductivité thermique exceptionnelle de 429 W/mK, proche de celle du cuivre pur (398 W/mK), mais son coût est élevé. Il est principalement utilisé dans des applications de pointe ou spécialisées, telles que l’aérospatiale et les dispositifs RF.

Oxydation par micro-arc

Oxydation par micro-arc L'anodisation par arc électrique est une évolution de l'anodisation qui permet d'obtenir un revêtement de qualité supérieure. En ajustant l'électrolyte et les paramètres électriques, une décharge d'arc génère instantanément des températures et des pressions élevées, ce qui permet la formation d'un revêtement céramique modifié à la surface des métaux de valve (comme l'aluminium, le magnésium, le titane) et de leurs alliages. Ce revêtement est principalement composé de l'oxyde du métal de base, complété par des composants de l'électrolyte, et ses propriétés anticorrosion et de résistance à l'usure sont nettement supérieures à celles de l'anodisation par arc électrique. anodisation traditionnelle.

• Avantages : Dureté extrêmement élevée (quasi-céramique), résistance à l’usure et à la corrosion de premier ordre, bonne isolation et forte adhérence entre le film et le substrat. Permet d’accroître significativement l’émissivité de surface des alliages d’aluminium.
• Inconvénients : Coût élevé. Le film est relativement épais, ce qui signifie que sa conductivité thermique est inférieure à celle de l’anodisation, et donc que l’efficacité du refroidissement en pâtit. La couleur est généralement gris-blanc ou gris foncé.
• Application : Souvent utilisé dans des scénarios thermiques spéciaux avec des exigences extrêmement élevées en matière de résistance à l'usure et à la corrosion, tels que les dissipateurs thermiques dans certains environnements militaires, aérospatiaux ou industriels sévères.

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