Résistance thermique du dissipateur thermique(RθSA, °C/W) mesure combien un évier chauffe au-dessus de l’ambiance par watt — moins signifie des dispositifs plus frais. Les valeurs du catalogue correspondent rarement aux boîtiers réels, donc Pioneer Thermal calcule d’abord à partir de la géométrie, du matériau et du flux d’air, puis confirme avec CFD et tests. Ce guide suit ce parcours en utilisant des équations industrielles et des données du manuel.
À la fin, vous serez en mesure de :
• définir un budget de résistance thermique à partir de la limite de température de votre jonction
• diviser un dissipateur thermique en ses parties : interface, base, ailettes et flux d’air
• calculer la performance en convection forcée et naturelle avec des corrélations publiées
• suivre un exemple complet avec des nombres réels

1. Que signifie la résistance thermique
La résistance thermique est la différence de température à travers un trajet thermique divisée par la chaleur qui y circule, mesurée en °C/W (identique à K/W). 
Rth=(ts-ta)/Q
Ici, T_s est la température de base du dissipateur thermique, T_a est la température ambiante (ou d’entrée de l’air), et Q est la chaleur dissipée en watts. Trois résistances apparaissent sur la plupart des fiches techniques :
• R_θJC (jonction à boîtier) : réglé par le package composant, fourni par le fabricant de semi-conducteurs.
• R_θCS (boîtier à puits : le matériau d’interface thermique (TIM) et la résistance de contact.
• R_θSA (dissipateur vers ambiant) : le dissipateur lui-même, ce que contrôle le fabricant du dissipateur.
La température de jonction découle de leur addition en série : 
Tj=Ta +Q (Rθjc + Rocs + RosA)
Concevez toujours avec une marge. Une pratique courante consiste à maintenir la jonction au moins 10–20 °C en dessous du maximum absolu, car la durée de vie des composants diminue avec la hausse de la température.

2. Le dissipateur thermique en tant que réseau de résistance en série
La chaleur laisse un composant le long d’un chemin, donc les résistances s’additionnent. À l’intérieur du dissipateur thermique, R_θSA se divise en trois termes :
Rθsa = Rbase + Rconv+ Rcap
1. R_baseest la conduction à travers la plaque de base, incluant la dispersion de la chaleur d’une petite source vers une base plus grande.
2. R_convc’est la convection des nageoires et de la base exposée vers l’air.
3. R_capest le terme de capacité calorifique atmosphérique : l’air se réchauffe en passant par les nageoires, donc les ailettes en aval voient de l’air plus chaud.
L’interface entre le composant et le dissipateur thermique (R_TIM) se situe juste avant la base dans la chaîne et est comptée en R_θCS. Traiter chaque terme séparément vous montre lequel attaquer en premier. Dans un dissipateur thermique typique en aluminium à air forcé, R_conv est le terme le plus important, c’est pourquoi la surface des ailettes et le flux d’air dominent la conception.

3. Calcul de l’interface et de la résistance de base
Matériau d’interface thermique (R_TIM)
La résistance d’interface dépend de l’épaisseur de la ligne de liaison (BLT), de la conductivité globale du TIM et de la résistance de contact aux deux surfaces :
RTIM =BLT/kTIMA+ Rcontact
Les fournisseurs citent généralement la performance TIM comme une impédance normalisée en aire en °C·cm²/W. Divisez-la par la surface de contact pour obtenir des °C/W. Les valeurs ci-dessous correspondent aux plages typiques des manuels ; Vérifiez toujours avec la fiche technique du fournisseur la pression de serrage.

Type TIM	Impédance typique (°C·cm²/W)	Plus d’une source de 16 cm² (°C/W)
Graisse thermique, ligne de liaison 25–50 μm	0.1–0.3	0.006–0.019
Matériau à changement de phase	0.1–0.3	0.006–0.019
Plaque d’espace, 1 mm à 3 W/m·K	≈ 3,3 plus contact	≈ 0,21 ou plus

Un tampon d’espace de 1 mm ajoute plus de 10 fois la résistance d’une fine couche de graisse, donc utilisez des tampons uniquement là où l’espace ou l’isolation électrique l’exige.
Conduction et écartement de la plaque de base (R_base)
Pour une source qui couvre toute la base, la conduction à travers l’épaisseur est simplement :
R1D = tb/kAb
La plupart des composants sont plus petits que la base, donc la chaleur doit aussi se réplater latéralement. Ignorer cela est l’erreur de calcul la plus courante. Le modèle en forme fermée de Lee, Song, Au et Moran (1995) traite la source et la base comme des cercles équivalents :
Ici, h_eff = 1 / (R_air × A_b) est le coefficient de transfert de chaleur effectif du côté aileré appelé la surface de base, et R_base donne la hausse de température au centre de la source. Une base plus épaisse ou une conductivité plus élevée diminuent R_base, tandis qu’une h_eff plus grande réduit la propagation de la chaleur avant de sortir par les ailettes.
La conductivité du matériau se fixe R_base directement. Voici des valeurs typiques des manuels :

Matériel	Conductivité thermique (W/m·K)	Densité (g/cm³)	Utilisation typique
Aluminium 1050	≈ 220–230	≈ 2.7	Nageoires escroquées et liées
Aluminium 6063-T5	≈ 200–210	≈ 2.7	Extrusion standard
Aluminium 6061-T6	≈ 167	≈ 2.7	Pièces usinées, structurelles
Aluminium A380 / ADC12	≈ 96–109	≈ 2.7–2.8	Boîtiers moulés sous pression
Cuivre C1100	≈ 390	≈ 8.9	Bas, ailerons effacés, blocs de tuyaux de chaleur

4. Calcul de la convection des ailettes et de la résistance au flux d’air (air forcé)
Pour un dissipateur thermique à ailettes de plaque dans l’air forcé, la convection est la plus grande résistance, donc cette étape nécessite le plus de soins. La notation est la suivante : largeur de base W, longueur de flux L, hauteur de nageoire H, épaisseur de nageoire T, nombre N de nageoires et épaisseur t_b base.
Étape 1 : Espace de canal et vitesse de l’air. L’espace entre les ailettes et la vitesse de l’air à l’intérieur est :
Convertir le débit du ventilateur avec 1 CFM = 4,719 × 10⁻⁴ m³/s. Cela suppose que tout le débit du ventilateur passe par les ailettes (un évier conduit ou enveloppé). Avec un dessus ou des côtés ouverts, une partie de l’air contourne les ailerons, donc utilisez le point de fonctionnement du ventilateur sur la courbe du système, pas la capacité d’air libre.
Étape 2 : Numéro de Reynolds. Utilisez l’écart des ailettes comme échelle de longueur, et un nombre de Reynolds modifié qui prend en compte la longueur d’écoulement :
Étape 3 : Coefficient de transfert de chaleur. La corrélation Teertstra, Yovanovich, Culham et Lee (2000) couvre le développement de l’écoulement laminaire entre plaques parallèles et se mélange de manière fluide des canaux étroits aux larges :
La corrélation est un modèle laminaire. À mesure que Re_b monte vers 1 000–2 000, le flux du canal commence à se transformer, et les dissipateurs thermiques réels performent généralement légèrement mieux que la prédiction laminaire, donc le résultat est conservateur. Confirmez par test ou CFD.
Étape 4 : Efficacité des nageoires. La chaleur conduite le long de la nageoire fait perdre de la température, donc la surface de la nageoire est moins efficace que la base. Pour une nageoire droite avec une extrémité adiabatique et une longueur corrigée L_c = H + t/2 :
Étape 5 : Surface et résistance convective. La surface convective totale correspond à la surface des nageoires plus la base exposée entre les nageoires. L’efficacité globale de surface et la résistance convective sont :
Étape 6 : Augmentation de la température de l’air. L’air absorbe la chaleur en le traversant, donc sa température augmente de Q/(ṁ·c_p) de l’entrée à la sortie. En utilisant la température moyenne de l’air comme référence, la résistance équivalente est :
Pour un test de raison, la méthode exacte ε-NTU donne R = 1 / [ṁ·c_p·( 1 − e^(−NTU))] avec NTU = η_o·h· A_t / (ṁ·c_p). Dans l’exemple de la section suivante, les deux méthodes concordent dans environ 1 % à 20 CFM.
Les propriétés de l’air utilisées ici concernent l’air à 40 °C et la pression au niveau de la mer :

Propriété	Valeur
Densité ρ	1,127 kg/m³
Chaleur spécifique c_p	1 007 J/kg· K
Viscosité dynamique μ	1,91 × 10⁻⁵ Pa·s
Conductivité thermique k_air	0,0265 W/m·K
Prandtl numéro Pr	0.72

5. Exemple fonctionnel : 100 W sur un dissipateur thermique extrudé de 100 × 100 mm
À 20 CFM, ce dissipateur thermique en aluminium conduit atteint R_θSA = 0,418 °C/W et maintient la jonction à 98 °C, à l’intérieur d’une cible de 105 °C. À 10 CFM, il échoue. Les entrées sont :
•Charge thermique: Q = 100 W à partir d’un composant de 40 × 40 mm centré sur la base, avec R_θJC = 0,15 °C/W d’après la fiche technique du composant.
•Environnement: air d’entrée T_a = 40 °C. La pièce est évaluée T_j,max = 125 °C, et la cible de conception est de 105 °C (marge de 20 °C).
•Interface: graisse thermique à 0,2 °C·cm²/W sur 16 cm², donc R_TIM = 0,0125 °C/W.
•Dissipateur thermique: 6063-T5 extrusion (k = 201 W/m·K), W = L = 100 mm, t_b = 8 mm, H = 25 mm, N = 17 ailettes de t = 2 mm, flux d’air entièrement canalisé.

Budget thermique.
Géométrie. L’écart de la dérive est b = (100 − 17 × 2) / 16 = 4,125 mm, ce qui donne une surface d’écoulement de 16 × 4,125 × 25 = 1 650 mm². Le rapport hauteur/écart est de 6,1:1, ce qui est proche de la limite pratique pour les matrices d’extrusion standard. La longueur de la nageoire corrigée est L_c = 26 mm, donc A_f = 884 cm², A_exp = 66 cm² et A_t = 950 cm².
Calcul à 20 CFM (9,44 L/s) :
1. V = 9,44 × 10⁻³ / 0,00165 = 5,72 m/s, et ṁ = 1,127 × 9,44 × 10⁻³ = 0,01064 kg/s.
2. Re_b = 1,127 × 5,72 × 0,004125 / 1,91 × 10⁻⁵ = 1 392, et Re* = 1 392 × 0,04125 = 57,4.
3. Nu_b = 5,46, donc h = 5,46 × 0,0265 / 0,004125 = 35,1 W/m²·K.
4. m = √(2 × 35,1 / (201 × 0,002)) = 13,2 m⁻¹, m·L_c = 0,343, η_f = 0,962 et η_o = 0,965.
5. R_conv = 1 / (0,965 × 35,1 × 0,0950) = 0,311 °C/O.
6. ṁ·c_p = 10,7 W/K, donc R_cap = 1 / (2 × 10,7) = 0,047 °C/W. L’air de sortie est 100 / 10,7 = 9,3 °C plus chaud que l’entrée.
7. Étalement : ε = 0,40, τ = 0,142, h_eff = 321 W/m²· K, Bi = 0,090, ψ_max = 0,483, donc R_base = 0,060 °C/W. La conduction à travers l’épaisseur de 8 mm seule ne donnerait que 0,004 °C/W.
8. R_θSA = 0,060 + 0,311 + 0,047 = 0,418 °C/W, ce qui est inférieur au budget de 0,4875.
9. T_j = 40 + 100 × (0,15 + 0,0125 + 0,418) = 98,0 °C.
Les mêmes étapes à trois flux de ventilateurs :

Écoulement des ventilateurs (CFM)	Vitesse du canal (m/s)	Re_b	h (W/m²· K)	R_conv (°C/W)	R_base (°C/W)	R_cap (°C/W)	R_θSA (°C/W)	T_j (°C)
10	2.86	696	26	0.415	0.06	0.093	0.569	113.2
20	5.72	1,392	35.1	0.311	0.06	0.047	0.418	98
30	8.58	2,089	41.8	0.263	0.06	0.031	0.354	91.6

Trois leçons découlent des chiffres :
•Le flux d’air a des rendements décroissants. Passer de 10 à 20 CFM réduit R_θSA de 27 %, mais passer de 20 à 30 CFM ne le réduit que de 15 %, car h monte à peu près à la racine carrée de la vitesse dans l’écoulement laminaire.
•La propagation n’est pas négligeable. R_base correspond à 14–17 % de R_θSA à 20–30 CFM. Une estimation unidimensionnelle le manquerait presque complètement.
•Vérifie la courbe du ventilateur. Des espaces étroits de 4 mm créent une chute de pression, il faut donc confirmer que le ventilateur peut fournir ces écoulements contre la résistance du dissipateur avant de s’engager dans un design.

6. Convection et rayonnement naturels
Sans ventilateur, l’ajout d’ailettes cesse d’aider lorsque les espaces deviennent trop étroits : les couches limites des ailerons voisins fusionnent et l’air flottant s’arrête. Un puits de 100 × 100 mm comme celui de l’exemple travaillé supporte 100 W avec 20 CFM d’air forcé, mais même avec son nombre d’ailettes optimisé, il ne dissipe qu’environ 20 W par convection naturelle à une hausse de température de 40 °C.
Pour les nageoires verticales, le nombre d’Elenbaas et la corrélation de Bar-Cohen et Rohsenow (1984) pour les plaques isothermes donnent le coefficient de transfert de chaleur. Évaluons les propriétés de l’air à la température du film (T_s + T_a) / 2, et prenez L comme longueur de la nageoire dans la direction verticale :
Les mêmes auteurs donnent l’écart qui maximise le flux de chaleur d’une base fixe, en utilisant le nombre de Rayleigh basé sur la longueur de la nageoire :
Pour une nageoire de 100 mm de haut à T_s − T_a = 40 °C, de l’air à 60 °C à la température du film (ρ = 1,060 kg/m³, c_p = 1 008 J/kg· K, μ = 2,008 × 10⁻⁵ Pa·s, k = 0,0287 W/m·K) donne Ra_L = 2,3 × 10⁶ et un écart optimal d’environ 7 mm. La table balaie le nombre d’ailettes sur la même base de 100 mm (25 mm d’ailerons, 2 mm d’épaisseur), et le flux de chaleur atteint un pic autour de 11 ailettes :

La géométrie à 17 ailettes qui fonctionne bien avec un ventilateur transfère moins de la moitié de la chaleur de la géométrie à 11 ailettes dans l’air immobile. Pour la convection naturelle, planifiez des espaces d’environ 6 à 12 mm, et élargissez-les pour les nageoires plus hautes ou les montées de température plus faibles.
La radiation est importante ici car elle est comparable à la convection naturelle. Le coefficient de radiation linéarisée est :
Avec des températures en Kelvin. À T_s = 80 °C et T_a = 40 °C, une surface anodisée (ε ≈ 0,85) donne h_r = 7,2 W/m²· K, similaire à la convective h de 6 W/m²· K ci-dessus. L’anodise noire atteint généralement ε ≈ 0,8–0,9, tandis que l’aluminium nu n’est qu’environ 0,05–0,2. Comptez uniquement le rayonnement provenant de l’enveloppe extérieure (face supérieure et latérale, environ 150 cm² dans cet exemple), car les surfaces des nageoires internes se voient majoritairement. Cela ajoute environ 4 W, pour un total d’environ 20 W, soit R_θSA ≈ 2,0 °C/W à cette hausse de température.

7. Validation du calcul
Les calculs manuels donnent une première estimation fiable, mais une conception finale doit être confirmée par CFD et par mesure. La méthode standard sur établi consiste à fixer un chauffage de puissance connue avec la même empreinte que le composant réel, à placer un thermocouple directement sous le chauffage, puis à en placer un autre dans l’air d’entrée. Une fois les températures stables, R_θSA = (T_base − T_inlet) / Q. Notez le débit d’air et la chute de pression en même temps.

Si vous partagez votre puissance, température ambiante, augmentation autorisée de température, espace disponible et débit d’air, l’équipe d’ingénierie de Pioneer Thermal peut recommander une géométrie de dissipateur thermique et la comparer à votre budget thermique. Contactez-nous pour commencer unProjet de dissipateur thermique personnalisé.

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