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L'électronique dépend fortement des dissipateurs thermiques pour évacuer la chaleur, car celle-ci est une cause majeure de défaillance électronique. Les performances d'un dissipateur thermique sont largement déterminées par sa capacité à transférer la chaleur hors du composant électronique et du processeur.
Bien qu'il existe de nombreux types de dissipateurs thermiques, le plus utilisé est le dissipateur thermique en aluminium extrudé. En revanche, les performances d'un dissipateur thermique personnalisé usiné par CNC sont inégalées, surtout dans les espaces compacts.
L'usinage CNC offre au concepteur une liberté de conception maximale, permettant des géométries d'ailettes complexes, une meilleure planéité de la base et, en prime, la possibilité de combiner plusieurs fonctions de montage en une seule configuration. En d'autres termes, l'usinage CNC des dissipateurs thermiques offre au fabricant une flexibilité ultime pour fournir exactement ce dont le produit a besoin pour être refroidi efficacement, sans ajout de matière ni de coûts.
Ce guide vous propose une série de suggestions sur les stratégies de conception à adopter, les choix de matériaux à utiliser, ainsi que les directives clés de conception pour la fabrication (DFM) qui vous aideront à concevoir des produits haute performance sans vous coûter des sommes excessives en raison d'une conception difficile à fabriquer.
Pour planifier des conseils de conception, il est essentiel de comprendre d'abord le processus en deux étapes de tout dissipateur thermique : la chaleur doit être absorbée par le composant, puis évacuée par l'air.
La conductivité thermique détermine la rapidité avec laquelle la chaleur traverse le matériau du dissipateur, le cuivre étant d'environ 400 W/m·K et l'aluminium d'environ 200 W/m·K. Théoriquement, le cuivre surpasse donc l'aluminium, mais pas tout le temps.
Voici un domaine que de nombreux ingénieurs pourraient négliger : le flux d'air autour des ailettes du dissipateur limite la quantité de chaleur qui peut être évacuée, et non la conductivité thermique une fois que la chaleur atteint cette zone. En fait, l'aluminium est plus rigide (en section fine), plus léger et bien plus économique que le cuivre ; par conséquent, dans presque tous les systèmes refroidis par air, l'utilisation de l'aluminium offre le meilleur équilibre global pour les performances du dissipateur.
| Propriété | Aluminium (6061-T6) | Cuivre (C110) |
| Conductivité thermique | ~167 W/m·K | ~385–400 W/m·K |
| Poids (densité) | 2,70 g/cm³ | 8,96 g/cm³ |
| Coût relatif | 1x (référence) | 3x–4x plus élevé |
| Usinabilité | Excellente | Moyenne (collante) |
Alors, quand choisir le cuivre ? Lorsque vous avez une source de chaleur petite et concentrée (un processeur haute puissance ou une diode laser) et que vous devez évacuer la chaleur extrêmement rapidement avant qu'elle ne se propage. Pour tout le reste, l'aluminium 6061 ou 6063 offre le meilleur rapport performance/poids sans grever votre budget.
Différentes techniques de fabrication conviennent à différentes méthodes de refroidissement, mais elles ont toutes leurs propres compromis en termes de prix, de flexibilité de conception et de performance thermique.
Lors du rabotage, une lame métallique découpe de fines bandes de matière du bloc d'origine. Le métal constituant le dissipateur est ensuite lié au côté opposé de la pièce de base sans joint thermique. Ainsi, la chaleur passe directement de la base aux ailettes sans résistance.
Raisons d'acheter des dissipateurs à ailettes rabotées :
Le plus efficace thermiquement (pas de joints liés)
Peut créer des ailettes très fines (jusqu'à 0,5 mm)
Des ailettes très denses permettent des conceptions compactes
Les ailettes peuvent être plus hautes que celles des dissipateurs extrudés.
Le seul inconvénient est que les ailettes peuvent être sujettes à la flexion en cas de manipulation brutale. Néanmoins, pour les applications où chaque degré de refroidissement est critique, le rabotage est souvent la méthode idéale (modules IGBT automobiles, diodes laser, matrices de LED haute puissance).
Un dissipateur thermique extrudé est constitué d'ailettes droites fabriquées en une seule pièce linéaire, en faisant passer un matériau en aluminium chauffé à travers une filière d'extrusion, créant un profil allongé qui sera ensuite coupé à la longueur appropriée après la sortie de la filière. Cette méthode est considérée comme la plus rapide et la plus économique pour produire des dissipateurs. Elle est cependant limitée en termes de rapports d'aspect et de géométries réalisables ; par exemple, il n'est pas possible de fabriquer un dissipateur extrudé avec des découpes transversales, des ailettes inclinées ou des réseaux d'ailettes à picots.
Avec l'usinage de dissipateurs à ailettes collées et à ailettes interdigitées, les ailettes individuelles sont fabriquées séparément puis insérées ou collées dans les rainures de la base usinée, ce qui permet des ailettes nettement plus denses et plus hautes que ne le permettrait l'usinage de dissipateurs extrudés. En repliant les ailettes ensemble dans un dissipateur à ailettes interdigitées, on obtient une conception très serrée des ailettes.
Le compromis avec les deux méthodes (collées et interdigitées) est que les joints de liaison produisent une très faible résistance thermique par rapport à une conception monobloc. Cependant, pour les applications à grand volume où le flux d'air disponible est limité, l'avantage d'une surface supplémentaire l'emporte généralement sur cette légère augmentation de la résistance thermique.
Les ailettes à picots sont fabriquées sous forme de poteaux cylindriques ou carrés et sont disposées de manière à offrir d'excellentes performances de refroidissement dans toutes les directions en utilisant un flux d'air omnidirectionnel. L'utilisation d'ailettes à picots permet une conception plus compacte du dissipateur tout en maximisant la surface totale ; par conséquent, l'usinage de dissipateurs à ailettes à picots est l'option la plus souhaitable pour les dissipateurs compacts.
En savoir plus sur nos services d'usinage CNC de précision pour la fabrication de dissipateurs thermiques.
