Guide de conception de dissipateurs thermiques : conseils sur les matériaux et les processus

Dissipateur de chaleur

Les dissipateurs thermiques jouent un rôle vital dans divers appareils électroniques et technologiques à hautes performances. Différents composants électroniques et mécanismes génèrent de la chaleur qui peut endommager l'appareil s'il n'est pas correctement dissipé. Un dissipateur thermique est conçu pour évacuer la chaleur de l'appareil et la dissiper dans l'environnement environnant, généralement en utilisant une combinaison de conduction, de convection et de rayonnement.

L'électronique et les machines seraient plus sujettes à la surchauffe et aux pannes sans dissipateurs de chaleur, ce qui entraînerait une baisse des performances, une durée de vie limitée et des dépenses de maintenance plus élevées. Cet article discutera de la processus de conception du dissipateur thermique en profondeur, y compris les considérations de conception, sélection des matériaux, principe de fonctionnement et indicateurs de performance.

Cet article approfondira le processus de conception du dissipateur thermique, en couvrant les considérations de conception, sélection des matériaux, principes de fonctionnement et mesures de performance.

Comment concevoir un dissipateur de chaleur ?

L'efficacité d'une conception de dissipateur thermique dépend de sa capacité à évacuer la chaleur du composant ; par conséquent, il est essentiel de comprendre les principes fondamentaux du flux de chaleur avant de procéder à la conception. 

At ProléanTech, nous proposons des services de conception de dissipateurs thermiques personnalisés pour diverses industries, notamment l’électronique, l’automobile et l’aérospatiale.

Comprendre le transfert de chaleur

La chaleur peut être transférée par trois mécanismes principaux : la conduction, la convection et le rayonnement.

Conduction Il s'agit du transfert de chaleur à travers une substance, d'une zone de température élevée vers une zone de température plus basse. Lorsqu'un composant électronique génère de la chaleur, celle-ci est évacuée du composant par un matériau solide, comme un dissipateur thermique métallique. 

Le taux de transmission de chaleur par conduction est déterminé par la conductivité thermique du matériau, qui mesure la facilité avec laquelle la chaleur circule à travers le matériau.

Le transfert de chaleur à travers un fluide ou un gaz est appelé convection. 

Lorsque l'air circule sur un dissipateur thermique, la convection transporte la chaleur du dissipateur vers l'atmosphère. Le taux de convection dépend de la vitesse du fluide, de la différence de température et de la surface.

Radiation Transmet la chaleur par ondes électromagnétiques, comme le rayonnement infrarouge. Le principe du rayonnement est simple : lorsqu'un objet est plus chaud que son environnement, il rayonne de l'énergie thermique par ondes électromagnétiques. 

De plus, les dissipateurs thermiques peuvent absorber cette énergie thermique, ainsi que d’autres choses incroyables.

Équation mathématique :

Q = -kA(dT/dx)
(Où Q = taux de transfert de chaleur, k = conductivité thermique, A = section transversale, dT = différence de température, dx = épaisseur)

Choisir le bon matériau pour la conception du dissipateur thermique

Le choix du bon matériau pour la conception du dissipateur thermique est crucial car il affecte l'efficacité du transfert de chaleur, le poids et le coût du dissipateur thermique. Vous devez tenir compte de la conductivité thermique, de la capacité thermique spécifique, de la densité et d'autres propriétés en fonction des besoins et des spécifications de l'application envisagée.

Voici les matériaux de dissipateur de chaleur courants ;

Il y a plusieurs autres considérations (basées sur l'application prévue) à prendre en compte lors du choix d'un matériau pour un dissipateur thermique, telles que la taille et le poids requis, le coût, le processus de fabrication et les conditions de fonctionnement.

Mais choisissez toujours en fonction de besoins thermiques, contraintes de coûts et faisabilité de fabrication.

Calcul de la taille et de la conception des ailerons

Avant de passer au prototypage ou à la production en série, il est crucial de disposer de calculs optimaux pour la conception des ailettes. Les experts de ProleanTech utilisent des mesures de performance et la modélisation du flux d'air pour déterminer les dimensions précises.

Dimensionnement du dissipateur thermique

La taille de votre dissipateur thermique et la conception des ailettes dépendent fortement de la chaleur générée par l'appareil, de l'espace disponible et du flux d'air autour du composant.

Plusieurs formules et logiciels permettent de calculer la taille et la conception des ailettes du dissipateur thermique. Parmi les facteurs à prendre en compte figurent la résistance thermique du dissipateur, la surface des ailettes, ainsi que la vitesse et la direction du flux d'air. Avant de construire votre prochain prototype de dissipateur thermique, laissez nos experts vous aider à calculer les dimensions idéales.

Cependant, vous pouvez également utiliser cette équation simplifiée : Rth = (Tj – Ta) / P (Résistance thermique = Température de jonction – Température ambiante / Puissance dissipée)

Ressource connexe: Calculateur de taille de dissipateur thermique

Considérations de conception pour la fabrication de dissipateurs thermiques

Pour minimiser les déchets de matériaux et améliorer l'efficacité, la conception du dissipateur thermique doit être optimisée pour la fabrication. Vous pouvez vous en assurer en considérant épaisseur du matériau, tolérances d'usinage, et le nombre et la taille des ailettes pour garantir que le dissipateur thermique peut être produit de manière efficace et rentable.

Voici quelques-uns des Considérations clés sur la conception du dissipateur thermique pour s'assurer qu'il peut être fabriqué de manière efficace et efficiente.

• Matériau pour le dissipateur thermique : Le matériau que vous choisissez pour votre dissipateur thermique affectera sa conductivité thermique, sa résistance à la corrosion et sa facilité de fabrication.
• Configuration des ailerons :
• La forme et l'emplacement des ailettes de votre dissipateur thermique influencent ses performances thermiques. Différentes formes d'ailettes, notamment les ailettes droites et les ailettes à broches, peuvent affecter la surface disponible pour la dissipation thermique.
• Taille et forme des ailerons : La taille et la forme des ailettes influencent la capacité de transfert de chaleur et la dimension globale. Par exemple, des ailettes trop grandes ou trop petites peuvent ne pas dissiper la chaleur par rapport à la taille et à la forme correctes.
• Finition de surface: Considérez la méthode de fabrication et état de surface souhaité tôt dans le processus de conception. Ainsi, vous pouvez optimiser le transfert de chaleur efficace et la résistance à la corrosion.
• Mécanisme de fixation : Concevoir le mécanisme de fixation pour réduire la résistance thermique tout en facilitant l'assemblage.
• Tolérances: Il est essentiel d'équilibrer le besoin de dimensions précises avec les considérations pratiques du processus de fabrication.

Comparaison de l'usinage CNC et de l'extrusion d'aluminium pour le dissipateur thermique

En ce qui concerne l'efficacité de la fabrication, l'usinage CNC et l'extrusion d'aluminium ont leurs forces et leurs faiblesses. L'usinage CNC peut produire des dissipateurs thermiques très complexes et personnalisés, mais le processus peut être plus long et coûteux, en particulier pour les grandes séries de production. D'autre part, l'extrusion d'aluminium est une méthode plus efficace et plus rentable pour produire de grandes quantités de dissipateurs thermiques, bien que le processus puisse ne pas convenir à des conceptions très complexes ou spécialisées.

En fin de compte, le choix entre l'usinage CNC et l'extrusion d'aluminium pour la fabrication de dissipateurs thermiques dépendra de facteurs tels que la complexité de la conception, le volume de production requis et les exigences spécifiques de gestion thermique de l'application.

Applications des dissipateurs extrudés dans l'électronique moderne

Les dissipateurs thermiques extrudés en aluminium conviennent à une large gamme d'applications dans l'électronique moderne, notamment :

1. Électronique grand public : dans les appareils tels que les smartphones, les tablettes et les ordinateurs portables, les dissipateurs de chaleur en aluminium extrudé peuvent être utilisés pour dissiper efficacement la chaleur des processeurs, de la mémoire et d'autres composants.
2. Éclairage LED : Les dissipateurs thermiques extrudés sont couramment utilisés dans les systèmes d'éclairage LED pour éviter la surchauffe et garantir des performances et une longévité optimales.
3. Équipements de télécommunications : dans les équipements tels que les routeurs et les commutateurs, les dissipateurs thermiques en aluminium extrudé peuvent aider à maintenir des températures de fonctionnement stables et à améliorer les performances globales.
4. Électronique industrielle : dans des applications telles que les entraînements de moteur, les alimentations et les systèmes de contrôle, les dissipateurs thermiques extrudés en aluminium peuvent fournir une gestion thermique efficace pour assurer un fonctionnement fiable.
5. Électronique automobile : avec l'utilisation croissante de l'électronique dans les véhicules, les dissipateurs thermiques en aluminium extrudé peuvent être utilisés pour refroidir des composants tels que les calculateurs, les systèmes d'infodivertissement et l'électronique de puissance.

Monde réel Exemples de dissipateurs thermiques

Les clients demandent souvent : « À quoi ressemble réellement un bon design en pratique ? » Voici de vrais projets sur lesquels nous avons travaillé chez ProleanTech dans différents secteurs.

Nous utilisons des outils avancés, tels que FEA et CFD, pour optimiser les performances thermiques dans des conditions réelles.

Cas I : L'aluminium pour l'électronique de puissance

La conception d'un dissipateur thermique en aluminium pour l'électronique de puissance commence par le calcul de la chaleur générée par les composants électroniques. Ce calcul permet de déterminer la taille et la forme du dissipateur thermique en aluminium nécessaire pour dissiper efficacement la chaleur.

De plus, la taille et la forme offrent une surface suffisante pour la dissipation de la chaleur tout en respectant les limites physiques de l'électronique de puissance.

Enfin, déterminez comment le dissipateur thermique sera fixé à l'appareil. Le montage traversant et le montage en surface sont les plus fréquents méthodes de fixation.

• Le montage traversant implique Trous de forage dans le dissipateur thermique et l'appareil et en les fixant avec des vis ou des boulons.
• Le montage en surface consiste à fixer le dissipateur thermique à la surface de l'appareil à l'aide d'un adhésif thermique ou d'un clip.

Cas II : Conceptions personnalisées pour des performances élevées

Dans les applications hautes performances, telles que les systèmes informatiques avancés, les véhicules rapides ou les équipements aérospatiaux, les conceptions personnalisées de dissipateurs thermiques doivent répondre aux exigences thermiques uniques de l'appareil. Par conséquent, les conceptions de dissipateurs thermiques personnalisés peuvent être compliquées et exiger des techniques d'ingénierie et des applications logicielles avancées.

La première étape consiste à comprendre les exigences thermiques, telles que la chaleur générée par l'appareil haute performance, la plage de températures de fonctionnement requise et la taille et la forme du dissipateur thermique.

Après avoir déterminé les exigences thermiques, une conception de dissipateur thermique peut être conçue à l'aide d'outils logiciels avancés tels qu'un logiciel d'analyse par éléments finis (FEA). Le logiciel FEA permet aux ingénieurs de simuler le transfert de chaleur et les performances thermiques de la conception du dissipateur thermique en aluminium et de l'optimiser pour les besoins de l'appareil. Dans l'ensemble, la meilleure partie de la conception personnalisée du dissipateur thermique est qu'elle peut résoudre les problèmes de chauffage uniques de l'électronique et des machines.

Exemples de conception de dissipateurs thermiques bons et mauvais

Une bonne conception de dissipateur thermique évacue efficacement la chaleur des composants électroniques, garantissant ainsi la fiabilité et l'efficacité du fonctionnement de l'appareil. Discutons des caractéristiques des bons et des mauvais exemples de conception de dissipateurs thermiques.

Une bonne conception de dissipateur thermique doit comporter les éléments suivants :

• Surface suffisante pour la dissipation de la chaleur
• Conception d'aileron appropriée pour une application spécifique
• Excellent contact thermique avec les composants électriques
• Méthode de fixation efficace de l'appareil
• Utilisation appropriée des matériaux, tels que l'aluminium ou le cuivre

Une mauvaise conception du dissipateur thermique ne parvient pas à dissiper correctement la chaleur, ce qui entraîne une défaillance de l'appareil ou une baisse des performances, qui peuvent inclure les caractéristiques suivantes :

• Surface de dissipation thermique insuffisante
• Conception d'aileron incorrecte pour l'application
• Contact thermique limité avec les composants électriques
• Utilisation de matériaux à faible conductivité thermique, tels que le plastique ou le bois.

Comment fonctionnent les dissipateurs de chaleur

Les dissipateurs thermiques améliorent le refroidissement par convection et offrent une grande surface de transmission de chaleur. ProléanTech, nos méthodes de fabrication sont basées sur exigences du produit, complexité et taille du lot. 

Nous aidons nos clients à choisir la technique la plus adaptée à leur application et à leur budget. Voici trois formes de transfert de chaleur qui se produisent dans le mécanisme du dissipateur thermique.

• Un transfert de chaleur par conduction se produit et la chaleur s'écoule des composants électroniques vers le dissipateur thermique attaché en raison de la différence de température.

• Les ventilateurs ou autres accessoires de l'appareil augmentent le taux de transfert de chaleur (du dissipateur thermique vers l'environnement) par convection naturelle ou forcée. Souvent, les conceptions de dissipateurs thermiques pour l'électronique de puissance utilisent un ventilateur ou un système de refroidissement supplémentaire pour la convection forcée.
• La chaleur est également transmise à l'environnement sous forme d'ondes électromagnétiques.

Principes de fonctionnement

Le fonctionnement d'un dissipateur thermique peut être expliqué à l'aide des principes de transfert de chaleur, et ces principes sont les bases pour démarrer un projet de conception de dissipateur thermique. Il déclare: "Lorsqu'il y a une différence de température entre deux choses, le transfert de chaleur se produit lorsque l'énergie se déplace de l'objet avec la température la plus élevée vers l'objet avec la température la plus basse."

La chaleur circule des composants électroniques vers le dissipateur thermique en raison de la différence de température entre les composants chauffés et le matériau du dissipateur thermique. Ensuite, le dissipateur thermique transfère la chaleur vers l'environnement, les ventilateurs ou un autre mécanisme est souvent utilisé pour rythmer le transfert de chaleur du dissipateur thermique vers les composants.

Résistance thermique vs conductivité

Diagramme de résistance thermique

La résistance thermique fait référence à la capacité d'un matériau à résister au flux de chaleur. La transformation de la chaleur à travers un matériau devient plus difficile à mesure que la résistance thermique augmente. En revanche, la conductivité thermique mesure la capacité du matériau à conduire la chaleur. Cela signifie que plus la conductivité thermique est élevée, meilleur est le flux de chaleur à travers le matériau.

Il est essentiel dans la conception du dissipateur thermique de sélectionner des matériaux à haute conductivité thermique et à faible résistance thermique. Cela permet à la chaleur de se déplacer rapidement du composant électronique au dissipateur de chaleur et du dissipateur de chaleur à l'air ambiant.

Mesures de performance du dissipateur thermique

Les métriques de performance sont essentielles pour maximiser la dissipation thermique et minimiser l'augmentation de température dans le composant électronique. Dans la conception du dissipateur thermique, trois mesures principales sont utilisées : la résistance thermique, l'impédance et la capacité.

• Mesures de résistance thermique : La résistance thermique mesure la capacité du matériau à transférer la chaleur à travers lui. Elle est généralement mesurée en degrés Celsius par watt (°C/W) et indique de combien la température du dissipateur thermique augmentera pour chaque watt de puissance dissipée.
• Mesures d'impédance thermique: L'impédance thermique fait référence à une mesure de la résistance au flux de chaleur entre deux objets. Cette métrique est essentielle dans la conception du dissipateur thermique car elle détermine de combien la température du composant électronique augmentera pour chaque watt de puissance dissipée.
• Mesure de la capacité thermique : Le concepteur peut calculer la quantité de chaleur qu'un dissipateur thermique peut absorber avant d'atteindre une température spécifique. Elle est généralement exprimée en joules par degré Celsius (J/°C) et reflète la quantité d'énergie que le dissipateur thermique peut stocker avant d'être saturé.

Dans l'ensemble, les mesures de performance sont cruciales pour la conception du dissipateur thermique. Ils aident les concepteurs à sélectionner le dissipateur thermique le mieux adapté à une application spécifique, à optimiser ses performances et à garantir des performances fiables et optimales des appareils électroniques.

Comment faire un dissipateur de chaleur ?

Dissipateur thermique de l'usinage CNC

Les conceptions de dissipateurs thermiques peuvent être converties en formes physiques avec diverses techniques de fabrication, telles que Usinage CNC, Fil coupé EDMLes procédés de fabrication comprennent l'emboutissage, l'extrusion de dissipateurs thermiques et le moulage. Le choix de la méthode de fabrication appropriée dépend de la précision requise, du matériau du dissipateur thermique, de la complexité de la conception et de nombreux autres facteurs.

Discutons brièvement de certaines des approches de fabrication de dissipateurs thermiques.

Usinage CNC

L'usinage CNC est le meilleur moyen de créer des dissipateurs de chaleur avec des conceptions complexes. Les concepteurs obtiennent une grande flexibilité avec cette approche. Un bloc de métal entier peut être utilisé pour créer l'évier où les ailettes requises sont coupées avec les machines CNC et pliées à partir de la base du bloc. Cependant, La fabrication d'un dissipateur thermique par commande numérique peut s'avérer coûteuse et chronophage.

EDM à fil

EDM à fil est une autre méthode pour fabriquer des dissipateurs thermiques. La première étape de la découpe au fil consiste à créer un Dessin 2D de la conception du dissipateur thermique. Ensuite, montez la pièce sur une machine à couper le fil, et elle coupe le dissipateur de chaleur dans la forme et la taille souhaitées grâce à des instructions numériques.

Extrusion d'aluminium

Fabrication de dissipateurs thermiques avec extrusion consiste à presser des billettes de matériau malléable dans une matrice en acier à haute résistance pour former des ailettes en tôle. Ils sont utilisés dans la plupart des applications de refroidissement, y compris les dissipateurs thermiques en aluminium. Bien sûr, l'aluminium est le matériau le plus couramment utilisé dans la fabrication des dissipateurs thermiques.

Techniques de finition de surface

La qualité de surface a un impact substantiel sur les performances du dissipateur thermique. La surface d'un dissipateur thermique doit être lisse et exempt de défauts ou de rugosité, car ceux-ci peuvent limiter le transfert de chaleur. UN surface rugueuse peut créer des poches d'air et restreindre la zone de contact entre le dissipateur thermique et le composant, entraînant un mauvais transfert de chaleur et des températures plus élevées.

Par conséquent, il est essentiel d’appliquer la bonne finition de surface pour éviter la corrosion et optimiser la qualité de surface du dissipateur thermique. Vous pouvez prendre en compte les pratiques courantes suivantes en matière de finition de surface pour les dissipateurs thermiques lors de la conception du dissipateur thermique.

• Anodisation
• Placage électro et autocatalytique
• Revêtement en poudre
• Polissage

Cependant, l'option de finition de surface pour un dissipateur thermique particulier dépend du type de matériau, des conditions de fonctionnement, de la complexité du dissipateur thermique et d'autres considérations.

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Conclusion

Une conception appropriée du dissipateur thermique est cruciale pour maintenir la température de fonctionnement sûre des composants électroniques, augmenter leur durée de vie et leur fiabilité et garantir des performances optimales. Seul un dissipateur thermique bien conçu peut dissiper efficacement la chaleur générée par l'élément, en fournissant une surface suffisante.

Par conséquent, la conception du dissipateur thermique nécessite de prendre en compte le choix des matériaux et l'application prévue. Cela permet de contrôler la température du composant, d'éviter les emballements thermiques et les pannes potentielles du système. 

De plus, un dissipateur thermique correctement conçu réduit la taille et le poids des appareils tout en maintenant une dissipation thermique efficace.

ProléanTech offre des services de fabrication pour la conception de votre dissipateur thermique avec Usinage CNC, extrusion et électroérosion à filNos ingénieurs expérimentés et notre configuration de fabrication avancée fourniront le meilleur service de fabrication de dissipateurs thermiques avec une consultation de conception. 

Donc s'il vous plait envoyez-nous votre conception de dissipateur thermique pour un devis afin de démarrer le projet.

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