Les dissipateurs thermiques jouent un rôle significatif dans le fonctionnement des appareils électroniques modernes. Ces dispositifs gèrent et dissipent la chaleur générée par les composants pendant leur fonctionnement. Un dissipateur thermique absorbe la chaleur d’une source, comme un processeur, et la transfère à l’air environnant. En procédant ainsi, il prévient les dommages et soutient le fonctionnement efficace des systèmes électroniques.
Introduction
Il existe une branche particulière dans la conception technique moderne qui concerne l’énergie, la thermodynamique et le transfert de chaleur. Cette branche est connue sous le nom de Conception Thermique. Parmi les composants importantes de la Conception Thermique figurent les ventilateurs, les pompes, les échangeurs de chaleur et les unités de réfrigération, entre autres.
Ces composants sont traditionnellement utilisés dans des applications industrielles. Toutefois, mettre en œuvre un design thermique similaire, par exemple une technique de refroidissement par ventilateur dans les ordinateurs portables et les ordinateurs modernes, ne fournit pas le refroidissement nécessaire.
Outre les processus industriels, chaque matériel électronique ou électrique génère de la chaleur lorsqu’il est connecté à une source d’alimentation. En particulier, les semi-conducteurs haute puissance, les LED ou tout appareil optique génèrent plus de chaleur. Ils n’ont pas suffisamment de capacité pour dissiper cette chaleur. Si les composants surchauffent, cela entraîne des défaillances du circuit imprimé. Pour éviter de tels problèmes, des dissipateurs thermiques sont utilisés.
Qu’est-ce qu’un dissipateur thermique ?
Les dissipateurs thermiques sont des dispositifs de gestion thermique qui transfèrent la chaleur d’un composant vers l’environnement. Leur objectif est de maintenir des températures optimales pour les composants électroniques. Lorsque les appareils électroniques traitent des informations ou produisent de la lumière, ils génèrent une chaleur significative en raison de la consommation d’énergie. Si cette chaleur n’est pas évacuée, elle peut endommager des pièces sensibles ou dégrader les performances.
La structure d’un dissipateur thermique permet d’augmenter la surface d’évacuation de la chaleur. Il est généralement constitué de matériaux comme l’aluminium ou le cuivre, reconnus pour leur capacité à conduire la chaleur efficacement. Le design peut inclure des ailettes, des broches ou des tubes, qui favorisent un meilleur flux d’air autour du dissipateur thermique. Les dissipateurs thermiques supportent une gamme de technologies, des petits gadgets grand public aux systèmes industriels.
Pourquoi les dissipateurs thermiques sont-ils importants ?
Sans un refroidissement efficace, les composants électroniques surchaufferaient et mal fonctionneraient. Les dissipateurs thermiques empêchent cela en gérant efficacement la chaleur excédentaire. Cela contribue à une meilleure performance et à une durée de vie prolongée des appareils.
Par exemple, les processeurs modernes, qui réalisent des milliards de calculs par seconde, produisent une chaleur significative. Un dissipateur thermique haute performance peut diminuer leur température de 30 % ou plus.
La fiabilité joue un rôle important dans l’électronique, en particulier dans les secteurs tels que la santé, l’aérospatiale et l’automobile. Dans ces domaines, la surchauffe pourrait entraîner des pannes d’équipement ou des risques pour la sécurité. Les dissipateurs thermiques réduisent également le risque de throttling thermique, qui se produit lorsqu’un appareil ralentit pour se protéger de la chaleur. En gérant efficacement les températures, les dissipateurs thermiques permettent aux appareils de fonctionner de manière constante, même sous de lourdes charges de travail.
Où pouvons-nous utiliser des dissipateurs thermiques ?
Les dissipateurs thermiques trouvent des applications dans divers secteurs et appareils. En informatique, ils refroidissent les CPU et les GPU, qui sont parmi les composants les plus gourmands en chaleur. Par exemple, les GPU modernes peuvent atteindre des puissances supérieures à 400 watts. Un dissipateur thermique efficace est nécessaire pour des applications de jeu et professionnelles. Les dissipateurs thermiques dans ces systèmes présentent souvent des conceptions avancées, telles que des chambres à vapeur ou une intégration de refroidissement liquide.
Dans l’éclairage, les systèmes LED haute puissance utilisent des dissipateurs thermiques pour maintenir la luminosité et prolonger leur durée de vie. Sans un refroidissement adéquat, les LED peuvent subir une réduction de leur efficacité et une durabilité mise à mal. De même, l’électronique automobile, y compris les unités de contrôle du moteur et les systèmes de gestion de batterie, utilise des dissipateurs thermiques pour fonctionner de manière fiable dans des environnements à haute température.
Les électroniques de puissance bénéficient également des dissipateurs thermiques, en particulier dans des systèmes d’énergie renouvelable, comme les onduleurs utilisés dans les panneaux solaires ou les éoliennes. Ces systèmes gèrent des tensions élevées et génèrent une chaleur considérable pendant leur fonctionnement. En utilisant des dissipateurs thermiques, les fabricants augmentent l’efficacité et la durabilité de ces technologies.
Comment fonctionnent les dissipateurs thermiques ?
Le fonctionnement des dissipateurs thermiques repose sur trois mécanismes principaux de transfert de chaleur : la conduction, la convection et le rayonnement. La conduction permet à la chaleur de se déplacer depuis la surface chaude, comme un processeur, jusqu’au matériau du dissipateur thermique. L’efficacité de ce processus dépend de la conductivité thermique du matériau utilisé, le cuivre et l’aluminium étant des choix courants. Le cuivre offre une conductivité thermique plus élevée d’environ 400 W/mK, tandis que l’aluminium propose environ 200 W/mK.
Après la conduction, la convection prend le relais pour transférer la chaleur du dissipateur thermique vers l’air environnant. Dans la convection naturelle, l’air chaud monte tandis que l’air froid entre pour le remplacer, créant ainsi un flux d’air autour du dissipateur thermique.
Enfin, le rayonnement transfère la chaleur sous forme d’énergie infrarouge de la surface du dissipateur thermique. Bien que moins significatif que la conduction et la convection, le rayonnement joue un rôle de soutien, surtout dans des scénarios à haute température.
Le système de dissipateur thermique se compose de plusieurs composants travaillant ensemble pour gérer efficacement la chaleur. La source de chaleur, comme un CPU ou un transistor de puissance, génère de la chaleur pendant son fonctionnement. Les processeurs modernes, tels que l’Intel Core i9-14900K, peuvent générer jusqu’à 250 watts de chaleur sous charge maximale. Cette chaleur doit être transférée rapidement au dissipateur thermique pour éviter une perte de performance.
Le matériau d’interface se situe entre la source de chaleur et le dissipateur thermique. De la pâte thermique, des pastilles ou des adhésifs remplissent les petites interstices entre les surfaces, améliorant l’efficacité du transfert de chaleur. Une pâte thermique de haute qualité, telle que celles avec une conductivité thermique supérieure à 12 W/mK, peut considérablement améliorer la performance du refroidissement.
Le dissipateur thermique lui-même forme la structure principale pour la dissipation de la chaleur. Il comprend généralement des ailettes, des broches ou des tubes thermiques qui maximisent la surface. Les tubes thermiques et les chambres à vapeur sont courants dans les conceptions modernes.
Types de dissipateurs thermiques
Basé sur le matériau
Les dissipateurs thermiques en aluminium dominent de nombreuses industries en raison de leur faible coût, de leur légèreté et de leur conductivité thermique adéquate. L’aluminium a une conductivité thermique d’environ 200 W/mK. Il est adapté à des dispositifs comme l’éclairage LED ou l’électronique domestique où la sortie de chaleur reste modérée.
Les dissipateurs thermiques en cuivre sont adaptés dans des applications nécessitant une gestion thermique supérieure. Le cuivre a une conductivité thermique d’environ 400 W/mK, soit le double de celle de l’aluminium. Cette caractéristique rend les dissipateurs thermiques en cuivre idéaux pour les processeurs haute puissance et les serveurs de centre de données. Par exemple, les dissipateurs thermiques en cuivre sont souvent utilisés dans les GPU comme le NVIDIA RTX 4090, qui peuvent générer plus de 450 watts de chaleur.
Les dissipateurs thermiques hybrides combinent les forces des deux matériaux. Les fabricants utilisent de l’aluminium pour les ailettes et du cuivre pour la base, réalisant un équilibre optimal entre poids, coût et performance thermique.
Basé sur la conception
Les dissipateurs thermiques à ailettes sont l’un des types les plus courants, avec de fines et plates ailettes s’étendant depuis la base. Les ailettes extrudées, en aluminium, conviennent aux dispositifs de faible à moyen pouvoir, comme les alimentations. Les ailettes estampées utilisent de fines feuilles de métal pressées en formes, offrant des solutions rentables pour les électroniques compactes. Les ailettes collées associent différents matériaux, combinant souvent des bases en cuivre avec des ailettes en aluminium pour améliorer l’efficacité de refroidissement.
Les dissipateurs thermiques à broches utilisent des broches cylindriques ou carrées pour dissiper la chaleur efficacement. Ces broches créent plusieurs voies d’air, les rendant efficaces dans des applications à faible circulation d’air. Par exemple, les dissipateurs thermiques à broches carrées sont utilisés dans les modules LED, où un refroidissement par ventilateur n’est pas disponible.
Des conceptions avancées comme les chambres à vapeur et les tuyaux thermiques améliorent considérablement le transfert de chaleur dans les applications haute performance. Les chambres à vapeur répartissent la chaleur uniformément sur une base, réduisant les points chauds thermiques. Les tuyaux thermiques utilisent un liquide qui s’évapore et se condense à l’intérieur d’un système scellé, accélérant ainsi le transfert de chaleur.
Basé sur l’application
Les dissipateurs thermiques de faible profil, conçus pour des appareils compacts, répondent aux exigences des smartphones, des tablettes et des ordinateurs portables ultra-fins. Ces dissipateurs thermiques privilégient des conceptions économes en espace tout en maintenant un refroidissement adéquat pour les composants de faible à moyen pouvoir. L’aluminium domine dans ces systèmes en raison de sa légèreté et de sa facilité de fabrication.
Les serveurs, les PC de jeu et les stations de travail utilisent souvent des dissipateurs thermiques haute performance associés à des solutions de refroidissement actives telles que des ventilateurs ou des systèmes liquides.
Dissipateur thermique actif vs passif
Lorsque le dissipateur thermique utilise un ventilateur (HSF), il s’agit d’un dissipateur thermique actif. Dans la plupart des processeurs d’ordinateur, un ventilateur est fixé juste au-dessus du dissipateur thermique. Cela utilise de l’énergie pour le processus de refroidissement. Les dissipateurs thermiques actifs sont également utilisés dans des systèmes de refroidissement liquide.
Lorsque le dissipateur thermique n’utilise pas de ventilateur, il s’agit d’un dissipateur thermique passif. Ils n’ont aucune pièce mécanique, ce qui les rend plus fiables. Ces dissipateurs thermiques sont fabriqués avec un radiateur à ailettes en aluminium. Ils dissipent la chaleur par le principe de convection. Un flux d’air adéquat et constant est maintenu entre les ailettes, pour garantir la stabilité complète de l’appareil.
Matériaux d’Interface Thermique (TIMs)
Les matériaux d’interface thermique (TIMs) servent de milieu pour améliorer la conductivité thermique entre la source de chaleur et le dissipateur thermique. Ils comblent les minuscules espaces d’air entre la source de chaleur et le dissipateur thermique. Même les surfaces polies contiennent des irrégularités microscopiques qui piègent l’air, agissant comme un mauvais conducteur de chaleur. Sans TIMs, l’air piégé restreindrait le flux de chaleur et entraînerait des températures de fonctionnement plus élevées. En comblant ces espaces, les TIMs permettent un transfert de chaleur ininterrompu entre le processeur, le GPU ou d’autres composants et le dissipateur thermique.
Types de TIMs
Les pâtes thermiques, également connues sous le nom de composés thermiques, sont le choix le plus courant pour les systèmes haute performance. Ces pâtes, souvent fabriquées à partir de composés à base de silicone infusés de particules métalliques ou céramiques, offrent une excellente conductivité thermique. Les pâtes thermiques premium, telles que celles avec des conductivités supérieures à 12 W/mK, fournissent un transfert de chaleur supérieur pour des tâches exigeantes.
Les pastilles thermiques sont une alternative pratique pour les applications moins exigeantes. Ces feuilles solides et pliables ne nécessitent pas d’application précise et s’intègrent facilement entre les composants. Elles fonctionnent bien dans l’électronique grand public ou les appareils ayant des sorties de chaleur modérées. Ici, la facilité d’installation prime sur la performance maximale.
Les bandes thermiques allient propriétés adhésives et conductivité thermique. Ces bandes apparaissent souvent dans des applications comme l’éclairage LED ou les petits composants montés sur PCB.
Conclusion
Les dissipateurs thermiques jouent un rôle clé dans la structuration des appareils électroniques modernes. Des appareils quotidiens comme les smartphones aux centres de données à grande échelle, ils soutiennent l’efficacité et la longévité des systèmes électroniques. Avec la demande croissante pour des appareils électroniques haute performance (CPU, GPU), l’importance d’une gestion thermique efficace continuera de croître.
