Lors du démontage de certains appareils électroniques, comme les ordinateurs ou l'électroménager, on trouve toujours un bloc métallique à l'intérieur. Ce bloc, le dissipateur thermique, est un élément essentiel à la dissipation thermique globale de l'appareil. Sans lui, la chaleur accumulée ne pourrait être dissipée ni échangée avec l'environnement extérieur.
Qu'est-ce qu'un dissipateur thermique ?
Un dissipateur thermique est un dispositif conçu pour évacuer la chaleur générée par le fonctionnement d'un équipement afin d'en assurer le bon fonctionnement. Il est principalement utilisé pour les composants essentiels tels que les processeurs (CPU) et les cartes graphiques (GPU). Selon le mode de refroidissement, on distingue plusieurs types de dissipateurs thermiques : refroidissement par air, refroidissement liquide et caloducs. Les matériaux les plus courants sont les alliages de cuivre et d'aluminium, mais des matériaux non métalliques comme le graphène, les plastiques thermoconducteurs et les céramiques (par exemple, le carbure de silicium et le nitrure de bore) sont également employés.
La dissipation thermique est assurée par l'action combinée de la conduction, de la convection et du rayonnement. Les procédés de fabrication font appel à des techniques telles que l'extrusion d'aluminium et le collage cuivre-aluminium. La conception et la mise en forme des ailettes influent directement sur l'efficacité de la dissipation thermique.
Types de dissipateurs de chaleur
Les dissipateurs thermiques se déclinent en de nombreuses variantes en raison des différences de matériaux et de géométrie. Nous présentons ci-dessous plusieurs types courants de dissipateurs thermiques.
Dissipateur thermique à ailettes pliées
Les ailettes repliées sont fabriquées par estampage progressif. Elles sont ensuite collées à la base pour former le dissipateur thermique, à l'aide d'époxy thermoconducteur, de brasage, de soudage ou d'autres procédés métallurgiques similaires. L'un des avantages des dissipateurs thermiques à ailettes repliées réside dans la possibilité d'intégrer l'aluminium et le cuivre, ce qui permet d'adapter leurs performances à une application spécifique. Si la chaleur doit être répartie sur une large base, le cuivre peut être utilisé pour sa conductivité thermique élevée, tandis que les ailettes peuvent être fabriquées en aluminium en raison de sa légèreté et de son faible coût.
Dissipateur de chaleur à ailettes biseautées
Les dissipateurs thermiques à ailettes découpées utilisent un seul bloc de matériau (cuivre ou aluminium) et une machine de découpe spécialisée, grâce à un procédé de découpe de haute précision, pour obtenir des structures d'ailettes haute densité, hautes et extra-longues. Ces dissipateurs thermiques s'affranchissent des limitations d'épaisseur et de rapport d'aspect des dissipateurs thermiques traditionnels, permettant ainsi la création de dissipateurs à ailettes haute densité. Les ailettes et la base sont monolithiques (une seule pièce). Cette intégration élimine toute résistance thermique supplémentaire. Associée à la grande pureté du matériau découpé, l'efficacité des dissipateurs thermiques à ailettes découpées est nettement supérieure à celle des dissipateurs soudés, avec une conductivité thermique comparable à celle des profilés extrudés.
Le procédé de rognage est également appliqué dans les plaques froides à liquide à microcanaux, récemment devenues très populaires, afin d'augmenter la surface spécifique d'échange thermique et d'améliorer l'effet du transfert de chaleur par convection.
Le processus de fabrication des dissipateurs thermiques à ailettes biseautées est le suivant :
- Préparation des matières premières : Les profils sont généralement sélectionnés en fonction des exigences du dissipateur thermique afin de maximiser les économies de matières premières.
- Outillage/Moulage : Les moules sont créés en fonction des dimensions du produit, permettant de fabriquer un ou plusieurs produits par moule ; les opérations peuvent être continues ou pièce par pièce.
- Usinage CNC : Cela comprend le fraisage des parties indésirables, le fraisage des rainures pour les joints d’étanchéité, etc.
- Procédé de refendage : Le procédé de refendage est réalisé à l'aide d'une machine à refendre CNC.
- Taillage par fraise-mère (nivellement) : Cette opération est réalisée à l’aide d’une machine à tailler par fraise-mère.
- Usinage secondaire : basé sur les dessins du produit, cela implique le fraisage des ailettes de bord, le perçage de trous au centre, la création d’espaces de dégagement (coupes d’évitement), le surfaçage des surfaces, l’usinage de trous taraudés et la création de caractéristiques de fixation (sièges de boucle), etc.
- Traitement de surface : anodisation, galvanoplastie et autres.
Dissipateur thermique en aluminium extrudé
Les dissipateurs thermiques en profilés d'aluminium se distinguent par leur esthétique, leur légèreté, leurs excellentes performances thermiques et leur faible consommation d'énergie. Leur surface est traitée par oxydation anodique afin d'améliorer la résistance à la corrosion et à l'usure de l'aluminium , ainsi que son aspect visuel. Les dissipateurs thermiques en aluminium extrudé sont généralement utilisés pour les composants et systèmes thermiques haute puissance. Cette technologie permet la réalisation de structures d'ailettes complexes grâce à des moules. Ces ailettes complexes augmentent considérablement la surface de dissipation thermique tout en réduisant les coûts et les délais d'usinage des blocs d'aluminium.
Dissipateur thermique à ailettes collées
Les dissipateurs thermiques à ailettes collées sont généralement fabriqués selon un procédé d'assemblage qui consiste à coller une couche d'ailettes métalliques minces sur une base ou un substrat.
Le processus général de fabrication des dissipateurs thermiques à ailettes collées est le suivant :
- Préparation : La base et les ailettes, généralement en aluminium ou en cuivre, sont soigneusement nettoyées afin de garantir un processus de collage réussi.
- Collage : Les ailettes sont ensuite collées à la base à l’aide d’un adhésif, tel que de l’époxy ou un composé de transfert thermique. L’adhésif est généralement appliqué uniformément sur la base, puis les ailettes sont placées dessus et pressées pour assurer une bonne adhérence.
- Durcissement : Le matériau adhésif est ensuite durci, généralement par chauffage ou par lumière ultraviolette (UV), pour former une liaison permanente entre les ailettes et la base.
- Assemblage : Si le dissipateur thermique nécessite des composants supplémentaires, tels que des éléments de fixation ou des matériaux d’interface, les ajustements des composants sont effectués à cette étape.
Dissipateur thermique à ailettes zippées
Ce type de dissipateur thermique intègre des ailettes en aluminium et des caloducs. Des perforations sont réalisées dans les ailettes selon la conception structurelle, puis des caloducs aux dimensions spécifiées y sont insérés, avant d'être collés et soudés. L'avantage réside dans l'exploitation de l'effet de changement de phase du caloduc pour accroître l'efficacité globale du transfert thermique du dissipateur. De plus, les ailettes externes en aluminium augmentent considérablement la surface d'échange thermique par unité de volume, dissipant rapidement la chaleur vers l'extérieur par convection naturelle.
Bien entendu, il existe de nombreux autres types de dissipateurs thermiques qui ne sont pas abordés ici. Cependant, les types courants mentionnés ci-dessus sont ceux qui sont le plus fréquemment utilisés dans les appareils électroniques actuels.
Applications des dissipateurs de chaleur
L'utilisation des dissipateurs thermiques est omniprésente, des grands secteurs comme l'aérospatiale, l'énergie électrique, la métallurgie, le photovoltaïque, le transport ferroviaire, l'automobile et les stations de base de communication, jusqu'aux petits dispositifs tels que les puces, les serveurs, l'électronique grand public et les appareils électroménagers. Partout où l'électricité est présente, le renforcement par un dissipateur thermique est indispensable.
Dans les serveurs de calcul d'IA les plus critiques actuellement, le dissipateur thermique est un composant thermique essentiel. Dans le cadre du refroidissement global du système, l'intégrité structurelle et les performances thermiques du dissipateur sont des facteurs déterminants pour le fonctionnement stable et durable du serveur.
Les plaques froides à liquide sont considérées comme une évolution des dissipateurs thermiques traditionnels, exploitant la convection naturelle d'un liquide pour évacuer la chaleur plus rapidement. La structure des ailettes est reprise dans les plaques froides à liquide à microcanaux, où elle est toutefois beaucoup plus précise. L'écart entre les ailettes étant généralement inférieur à 1 mm, les exigences en matière d'usinage de précision sont extrêmement élevées.
Matériaux du dissipateur de chaleur
Les principaux matériaux utilisés sont le cuivre et les alliages d'aluminium, le cuivre dominant le secteur de la gestion thermique haut de gamme. Les dissipateurs thermiques en alliage d'aluminium sont principalement utilisés dans les applications environnementales à grande échelle où les exigences thermiques sont relativement faibles, mais où les exigences en matière d'intégrité structurelle et de légèreté sont élevées, comme dans les systèmes d'énergie électrique, le photovoltaïque, l'automobile et les stations de base de communication. Récemment, de nouveaux matériaux composites métalliques ont fait leur apparition, notamment l'aluminium à base de graphène, les composites diamant/aluminium et les composites diamant/cuivre.
Fabrication de dissipateurs thermiques
Les principales méthodes de fabrication actuelles sont l'usinage CNC et le taillage. Ces méthodes offrent des avantages considérables en termes d'efficacité de production et de coût pour les dissipateurs thermiques de moyenne et grande taille. Cependant, elles se heurtent à des difficultés pour l'usinage de micro-dissipateurs thermiques de haute précision et de dissipateurs thermiques à structure complexe, en raison des exigences excessives en matière de moules et du coût très élevé de l'outillage.
Pour les dissipateurs thermiques à ailettes ultra-minces, tels que les plaques froides à microcanaux, où l'espacement des canaux est inférieur à 1 mm, voire de 0.1 mm, l'impression 3D métal est indispensable. Cette technologie permet des avancées majeures en matière de performances thermiques grâce à sa capacité à réaliser des structures complexes optimisées pour la dissipation de chaleur. Par exemple, pour les solutions thermiques des cartes d'accélération de calcul IA haut de gamme, elle permet de fabriquer des structures conformes et non standard qui épousent parfaitement la surface de la puce. En augmentant la surface d'échange thermique, en optimisant la conception des canaux d'écoulement et en renforçant le mélange du fluide, cette technologie assure une dissipation thermique très efficace, réduit la consommation d'énergie de la pompe et prévient efficacement la surchauffe localisée.
De plus, pour les dissipateurs thermiques aux structures très complexes, les méthodes d'usinage traditionnelles nécessitent un outillage et une préparation fastidieux, ce qui engendre une faible productivité et des coûts élevés. L'impression 3D métal résout parfaitement ce problème et a récemment permis des avancées significatives dans les solutions d'impression pour les dissipateurs thermiques en cuivre.
