Quel est le meilleur dissipateur thermique ?

Un dissipateur thermique n’est pas seulement un réservoir de pertes thermiques
La plupart des appareils électroniques de puissance modernes nécessitent des environnements à température contrôlée pour fonctionner correctement. Si l’appareil surchauffe, les performances peuvent être affectées ou, dans le pire des cas, il tombe en panne et peut devenir un danger pour la sécurité. Le dissipateur thermique permet à la chaleur d’être efficacement transférée de l’appareil vers l’environnement. Cela signifie que la chaleur doit être dissipée au moins aussi rapidement qu’elle est générée par la source. Le dissipateur thermique n’est pas la destination finale des pertes de l’appareil.

Comment choisir un dissipateur thermique

Le flux ou la dissipation de chaleur à travers un dissipateur thermique donné est déterminé en grande partie par la résistance thermique, la conductivité thermique, la méthode de refroidissement et la surface effective. Cependant, il est nécessaire d’optimiser tout système non seulement pour les performances, mais aussi en termes de coût, de masse, de taille et de complexité. Le cuivre, par exemple, a une conductivité thermique environ deux fois supérieure à celle de l’aluminium, mais il est beaucoup plus dense et plus coûteux. L’aluminium peut également être extrudé en formes complexes, ce qui ne peut être réalisé avec du cuivre que par usinage et assemblage mécanique. Les meilleures solutions de dissipateur thermique combinent les exigences de gestion thermique avec une conception mécanique pratique et rentable.

Obstacles à surmonter
Les pertes de chaleur d’un appareil d’électronique de puissance doivent faire le lien entre les différentes interfaces entre les matériaux. Par exemple, la chaleur d’un semi-conducteur de puissance doit se déplacer de la puce vers le boîtier du composant, puis du boîtier vers la surface du dissipateur thermique. Enfin, le dissipateur thermique conduira la chaleur vers l’environnement. Chaque transfert a sa propre résistance thermique, qui, lorsqu’elle est combinée, détermine celle du système dans son ensemble. Il est essentiel de minimiser la résistance thermique du système (ou de maximiser le flux de chaleur), et les meilleurs résultats sont obtenus en optimisant l’usinage et la finition des surfaces, ainsi qu’en sélectionnant correctement les matériaux d’interface.

Options de refroidissement du dissipateur thermique
La convection naturelle, la convection à air forcé, le refroidissement liquide sont déterminées par la quantité et la rapidité avec lesquelles la chaleur doit être dissipée. Pour une dissipation de faible niveau, les dissipateurs thermiques peuvent être des extrusions d’aluminium relativement simples reposant sur la convection naturelle de l’air. L’ajout de ventilateurs améliorera le débit de chaleur du système. Au-delà, il existe plusieurs technologies plus avancées :

Soudage et brasage sous atmosphère contrôlée pour produire des assemblages complexes, avec des surfaces effectives beaucoup plus élevées, qui dépendent absolument de l’air forcé ou du refroidissement liquide pour fonctionner efficacement.

Des plaques refroidies par liquide qui peuvent aller de simples extrusions ou plaques percées, à des assemblages plus complexes incrustés de tubes en cuivre pour que le liquide de refroidissement soit transporté vers des zones spécifiques.

Qu’est-ce qui fait le meilleur dissipateur thermique ?
Un alliage d’aluminium à haute conductivité thermique est le point de départ. Le choix du bon type de dissipateur thermique est crucial.

Une fois que vous connaissez la température ambiante de fonctionnement, les caractéristiques de dissipation thermique des appareils et les limites de fonctionnement maximales pour les composants clés (telles que les températures de jonction), la dissipation de l’ensemble du système peut être calculée. La solution optimale sera définie par l’espace disponible, l’emplacement, l’accessibilité et les objectifs de coûts.

Pour les applications plus complexes, les simulations modélisant le flux de chaleur à travers le dissipateur thermique pourraient s’avérer un outil précieux pour déterminer le meilleur des technologies alternatives ou concurrentes.

La finition des surfaces, à la fois celles qui dissipent la chaleur et celles qui sont en contact avec la source de chaleur, est un facteur critique pour minimiser la résistance thermique.

Certaines applications sont telles que les solutions complexes d’ailettes à air forcé à haut rendement sont le seul moyen pratique de répondre aux exigences. Il s’agit notamment de certains modèles de véhicules de traction et électriques, avec des besoins élevés en matière de puissance et de dissipation.