Présentation de base du dissipateur thermique

Avec le développement de la technologie électronique, l’efficacité des composants électroniques est relativement améliorée et la quantité de chaleur augmente également.

Afin de maintenir leurs conditions de travail normales, une dissipation thermique efficace est très importante. Le dissipateur thermique pour dissiper la chaleur générée par le fonctionnement des composants électriques et améliorer leur efficacité de travail.

Dissipateur de chaleurest principalement fabriqué en alliage d'aluminium, en laiton ou en bronze sous forme de plaques, de feuilles ou de feuilles multiples. Par exemple, l'unité centrale de traitement du processeur de l'ordinateur, le tube de puissance et le tube de ligne du téléviseur, ainsi que le tube de l'amplificateur de puissance de l'amplificateur de puissance utilisent tous des dissipateurs thermiques.

Types de transfert de chaleur :

1. Convection naturelle : écoulement provoqué par le champ de température inégal du fluide sans dépendre de forces externes telles que des pompes ou des ventilateurs.

2. Convection forcée : Convection d'un liquide ou d'un gaz sous l'influence d'une force externe.

(Dissipateur thermique avec ventilateur)

3. Refroidissement liquide :Utilisez une pompe pour faire circuler le liquide dans le caloduc et dissiper la chaleur.

(Plaque de refroidissement liquide)

L'histoire du dissipateur thermique

Comme chacun le sait, la température de fonctionnement des équipements électroniques détermine leur durée de vie et leur stabilité. Afin de maintenir la température de fonctionnement du PC dans une plage raisonnable, une dissipation thermique doit être effectuée. Avec l'amélioration de la puissance de calcul des PC, le problème de la consommation d'énergie et de la dissipation thermique est devenu de plus en plus un problème inévitable.

Les principales sources de chaleur des PC comprennent le processeur, la carte mère, la carte graphique et d'autres composants tels que le disque dur. Une part considérable de l’énergie électrique consommée lors de leur travail sera transformée en chaleur. Surtout pour la carte graphique haut de gamme actuelle, elle peut facilement atteindre une consommation électrique de 200 W et la capacité de chauffage de ses composants internes ne peut être sous-estimée. Afin d’assurer son fonctionnement stable, il est davantage nécessaire de dissiper efficacement la chaleur.

La première génération - une époque sans concept de dissipation thermique

En novembre 1995, la naissance de la carte graphique Voodoo a introduit notre vision dans le monde de la 3D. Depuis lors, le PC a presque le même niveau de capacité de traitement 3D que l’arcade, créant ainsi une véritable ère de technologie de traitement 3D. Depuis, le développement des puces graphiques est devenu incontrôlable. La fréquence de travail principale a été augmentée de 100 MHz à 900 MHz et le taux de remplissage des textures est passé de 100 millions par seconde à 42 milliards par seconde (GTX480). Face à un si grand changement de performances, la chaleur est très grande.

Des équipements de refroidissement tels que le refroidissement par air, les caloducs et les puces de réfrigération à semi-conducteurs sont également appliqués à la carte graphique. Aujourd'hui, présentons le développement et la tendance des équipements de refroidissement des cartes graphiques grand public.

Lorsque la carte graphique Voodoo a été lancée pour la première fois, il n'y avait aucune installation de dissipation thermique et les paramètres du cœur nous étaient exposés. Par rapport à la carte graphique grand public actuelle, on ne parlait pas de GPU à cette époque. La puissance de traitement de la puce principale de la carte graphique est encore plus faible que celle de la carte réseau actuelle, donc la chaleur est presque nulle et il n'y a presque pas besoin de dissipation thermique.

Deuxième génération - Application du dissipateur thermique

En août 1997, NVIDIA est de nouveau entré sur le marché des puces graphiques 3D et a lancé NV3, c'est-à-dire la puce graphique Riva 128. Riva 128 est un cœur graphique accéléré 2D et 3D de 128 bits avec une fréquence centrale de 60 MHz. L'échauffement du noyau est progressivement devenu un problème, et l'application du dissipateur thermique est officiellement entrée dans le domaine des cartes graphiques.

La troisième génération -- l'arrivée de l'ère du refroidissement par air et de la dissipation thermique

La sortie de tnt2 a été comme une balle lourde tirée dans le cœur de 3dfx. La fréquence principale est de 150MHz, ce qui prend en charge presque toutes les fonctionnalités d'accélération 3D à l'époque, y compris le rendu 32-bits, le tampon z 24 bits, le filtrage anisotrope, l'anticrénelage panoramique, le mappage concave convexe matériel, etc. L’amélioration des performances signifie une augmentation du chauffage, mais il n’y a pas de grands progrès technologiques. Le 0,25 micron est toujours utilisé, donc la méthode passive de dissipateur thermique ne peut plus répondre aux exigences actuelles. Le mode de refroidissement actif commence à être utilisé dans la carte graphique.

Le système de refroidissement twinturbo-ii (le ventilateur de refroidissement à double turbine entièrement recouvert de deuxième génération), les ailettes de refroidissement recouvrent complètement l'ensemble de la carte graphique. Au démarrage, l'air entre et sort à travers deux ventilateurs dans une direction, ce qui peut efficacement évacuer rapidement la chaleur de la puce et de la mémoire vidéo. De plus, deux ventilateurs à roulement à billes peuvent réduire efficacement le bruit et le filet de dissipation thermique en métal prolonge la durée de vie.

Bien que le ventilateur à grande vitesse soit le meilleur moyen de résoudre le problème de dissipation thermique, certains amis ne supportent pas le bruit du ventilateur tout en profitant des jeux 3D. Heureusement, l’application de la technologie des caloducs résout simplement ce problème.

Il est généralement composé d'un bloc d'absorption de chaleur central, d'un bloc d'absorption de chaleur arrière, de deux dissipateurs thermiques de grande surface et d'un caloduc. En tant que dispositif de conduction thermique passif, le caloduc transfère rapidement la chaleur de la section d'absorption de chaleur à la section de dégagement de chaleur grâce au changement d'état de phase du fluide de travail interne, puis retourne à la section d'absorption de chaleur en s'appuyant sur la structure capillaire interne. . Il fait des allers-retours sans consommation d'énergie ni bruit.

De plus, il possède une forte capacité de conduction thermique. Il réalise le transfert de chaleur rapide dans un espace limité, de manière à augmenter la zone de dissipation thermique. C'est un moyen efficace pour améliorer considérablement l'effet de dissipation thermique passive. Cependant, cette méthode de dissipation thermique présente encore des inconvénients, car la capacité de dissipation thermique n'est pas assez forte et ne peut être utilisée que sur la carte milieu de gamme. Si cette technologie doit être utilisée dans le haut de gamme, un ventilateur doit être ajouté.

Principe de calcul de la dissipation thermique

La méthode générale de dissipation thermique consiste à installer l'appareil sur un dissipateur thermique, le dissipateur thermique dissipe la chaleur dans l'air et la chaleur sera finalement dissipée par convection naturelle.

D’une manière générale, le flux de chaleur (P) du radiateur vers l’air peut être représenté par ce qui suit :

Dans la formule P=HA η △ T

H est la conductivité totale du transfert de chaleur du dissipateur thermique (w/cm2 degré),

A est la surface du dissipateur thermique (cm2),

η Pour l'efficacité du dissipateur thermique,

△T est la différence entre la température maximale du dissipateur thermique et la température ambiante (degré).

Dans la formule ci-dessus, h est déterminé par le rayonnement et la convection (convection naturelle, convection forcée et matériau)

η Cela est principalement déterminé par la taille du matériau et l’épaisseur du dissipateur thermique utilisé. D'une manière générale, les matériaux à haute conductivité thermique, tels que l'aluminium (2,12 W/cm² de degré) et le cuivre (3,85 W/cm² de degré), sont assez pauvres.

η Est déterminé par le composant du dissipateur thermique. (influence de la structure du dissipateur thermique)

En un mot, plus la surface du dissipateur thermique est grande et plus la différence de température entre le dissipateur thermique et la température ambiante est grande, ce qui rend le rayonnement thermique du dissipateur thermique plus efficace.

Résistance à la chaleur

Paramètre:

Rt-----Résistance interne totale, degré /W

Rtj---- Résistance thermique interne des dispositifs semi-conducteurs, degré /W

Rtc----- Résistance thermique d'interface entre le dispositif semi-conducteur et le dissipateur thermique, degré/W

Rtf----- Résistance thermique du dissipateur thermique, degré/W

Tj----- Température de jonction du dispositif semi-conducteur, degré

Tc----- Température de la coque du dispositif semi-conducteur, degré

Tf----- Température du dissipateur thermique, degrés

Ta----- Température ambiante, degré

Pc----- Puissance de service des dispositifs à semi-conducteurs, W

△Tfa----- Augmentation de la température du dissipateur thermique, degré

Formule de calcul de dissipation thermique

Rtf=(Ti-Ta)/Pc-Rti-Rtc

La résistance thermique RFF du dissipateur thermique est la principale base de sélection du dissipateur thermique. TJ et RTJ sont les paramètres fournis par les dispositifs à semi-conducteurs, PC est les paramètres requis par la conception et RTC peuvent être trouvés dans les livres professionnels de conception thermique.

(1) Résistance thermique totale Rt calculée :

Rt=(Timax-Ta)/Pc

(2) Calculer la résistance thermique du dissipateur thermique RTF ou l'augmentation de température △ TFA

RTF=RTJ-RTC

△Tfa=Rtf × PC

(3) Selon les conditions de fonctionnement du dissipateur thermique (refroidissement naturel ou refroidissement par air forcé), sélectionnez le dissipateur thermique selon RT ou △ TFA et PC, et vérifiez la courbe de dissipation thermique (courbe RTF ou ligne △ TA) du radiateur sélectionné. dissipateur de chaleur. Lorsque la valeur trouvée sur la courbe est inférieure à la valeur calculée, le dissipateur thermique adapté est trouvé.

Conductivité thermique

La conductivité thermique signifie, en unité de longueur et par K, la quantité d'énergie w qui peut être transmise, unité : w/m.

« W » fait référence à l'unité de puissance, « m » représente l'unité de longueur, et « K » est l'unité de température absolue.

Plus la valeur est élevée, meilleure est la conductivité thermique.

AL6063 : Matériau commun pour l'extrusion d'aluminium

AL6061 : usinage CNC du métal :

AL1100 ou AL1050 : matériau commun des ailerons AL

C1100 : matériau commun des ailerons de Cu

C1020 : Matériau commun du caloduc

ADC12 ou ADC 10 ou A380 : matériau de moulage sous pression

Classification du dissipateur thermique

1. Selon le matériau utilisé, il peut être divisé en :

un. Dissipateur thermique en aluminium

b. Dissipateur thermique en cuivre

c. Dissipateur thermique combiné cuivre-aluminium

d. Aileron de caloduc

2. Selon le processus de fabrication, il peut être divisé en :

a. Dissipateurs de chaleur extrudés

Il s'agit d'un excellent matériau de dissipation thermique largement utilisé dans la dissipation thermique moderne, la plupart des fabricants utilisent de l'aluminium AL6063-T5 de haute qualité, sa pureté peut atteindre plus de 98 %, il a une forte capacité de conduction thermique, une faible densité et une faible prix, il a donc été favorisé par les grands fabricants.

b. Dissipateur thermique de forgeage et de moulage:

Couramment utilisé en LED, la forme : dissipateur thermique avec broche arrondie

c. Dissipateur thermique à ailettes AL

Avantages : zone de dissipation thermique (résout le problème du dissipateur thermique en aluminium extrudé, car l'ailette est trop dense)

Inconvénients : convient à la production en petits lots, coût élevé (par rapport au dissipateur thermique en aluminium extrudé)

d. Dissipateur thermique en cuivre :

Avantages : bonnes performances de dissipation thermique, ce qui résout le problème de l'extrusion du cuivre.

Inconvénients : coût élevé, poids élevé, dureté élevée, difficile à traiter (par rapport à AL)

g. Dissipateur thermique avec insert en cuivre

Avantages : faible coût et production de masse

Inconvénients : structure

Il est principalement utilisé pour le processeur d’un ordinateur. La partie contact est remplacée par un bloc de cuivre. Le cuivre a une absorption rapide de la chaleur et une énergie de conduction thermique

Avec les caractéristiques d'une force forte, il peut rapidement apporter une grande quantité d'énergie thermique générée par le fonctionnement du processeur au bloc de cuivre de surface, et le bloc de cuivre est étroitement combiné avec le dissipateur thermique extrudé en aluminium, de sorte qu'une grande quantité d'énergie thermique puisse se diffuse rapidement vers le dissipateur thermique en aluminium extrudé et est emporté par la rotation du ventilateur.

i. dissipateur thermique collé

Avantages :

Cette technologie peut être arbitrairement combinée et associée à des ailettes en cuivre et en aluminium et à une base en cuivre et en aluminium, et peut également éviter efficacement les inconvénients d'une nouvelle résistance thermique causée par une conduction thermique inégale de diverses pâtes à souder dans le processus de soudage, un dissipateur thermique de grande taille peut être produit.

Inconvénients :

Faire en sorte que les clients disposent de plus de sélectivité et de diversité de solutions thermiques. Cependant, en raison de la particularité de sa transformation, le coût de sa production en série reste encore trop élevé.

Plaque de refroidissement

La conception de la plaque de refroidissement :

La plaque de refroidissement est une plaque compacte et mince, avec des canaux de fluide disposés à l'intérieur, de manière à générer une convection entre le fluide et la plaque de refroidissement et à dissiper la consommation d'énergie thermique des composants électroniques de haute puissance qui se trouvent à la surface de la plaque de refroidissement. .

L'avantage d'application de la plaque de refroidissement est qu'elle peut dissiper plus de chaleur par unité de surface, de sorte que la structure du dissipateur thermique peut être miniaturisée. L'inconvénient du système de refroidissement est qu'il doit être utilisé dans un système à fluide fluide, que la maintenance est complexe et que la fiabilité des composants est élevée.

Base de conception de la plaque de refroidissement par eau

P : consommation électrique

Tc, Tj : Tc fait référence à la température de surface du dissipateur thermique, Tj fait référence à la température de jonction de la puce.

Étain : Température d’entrée d’eau

Δ TC : augmentation de la température de surface du dissipateur thermique, Δ T=(Tc-Tin)/P

Tout : température de l'eau en sortie

△ TW : montée en température de l'eau en entrée et en sortie, △ TW=Tout-Tin

Ta : Température ambiante

Fluide : EGW x %, ou PGW x %, ou eau

△ ts : différence de température de chaque puce sur la surface du dissipateur thermique

Pression : fluide Chute de pression

Fiabilité deplaque de refroidissement par eau

1) Résistance – le produit répond aux exigences d’utilisation structurelle

2) Test de maintien de la pression - le produit répond aux exigences d'étanchéité sous haute pression dans le système

3) Test de fuite - le produit répond aux exigences de fuite par unité de temps dans certaines conditions de pression

4) Exigences de résistance à la corrosion : les matières premières utilisées par le produit répondent aux exigences de plusieurs années de résistance à la corrosion et d'absence de fuite.

5) Exigences en matière de vibrations : le produit répond aux exigences d’étanchéité dans certaines conditions de vibrations. Et la structure n'est pas endommagée, l'étanchéité n'est pas réduite.

6) Autres, tels que la planéité, la rugosité, la force d'étirage des vis, la précharge des vis, etc.

Technologie de traitement de la plaque de refroidissement par eau :

1) Type de canal CNC : CNC (rainurage) + soudage à l'arc sous argon, CNC (rainurage) + brasage, CNC (rainurage) + brasage sous vide, CNC (rainurage) + soudage par friction malaxage, CNC (rainurage) + joint torique.

2) Forme de traitement de trous profonds : perceuse à pistolet + soudage à l'argon, perceuse à pistolet + pièce hélicoïdale + soudage à l'argon, perceuse à pistolet + joint torique, perceuse à pistolet + pièce hélicoïdale + joint torique

3) Forme de coulée : tuyau enterré par coulée par gravité, coulée par gravité + soudage à l'argon · coulée par gravité + brasage, coulée par gravité + soudage par brasage sous vide, coulée par gravité + soudage par friction-malaxage

4) Forme de soudage en bobine : plaque d'aluminium CNC + tuyau en cuivre + époxy, plaque d'aluminium CNC + tuyau en acier + époxy, plaque d'aluminium CNC + tuyau en cuivre + soudage à l'étain

5) Processus de plaque de refroidissement par eau ultra fine : soudage de tubes plats larges, soudage par diffusion de feuilles d'estampage, brasage de feuilles d'estampage, brasage sous vide de feuilles d'estampage

6) Forme de plaque d'eau extrudée : plaque d'eau à trou de dérivation de réseau, plaque de refroidissement par eau de batterie ultra-mince

Traitement de surface

1. Sablage

Le sablage est une méthode qui utilise de l'air comprimé pour souffler du sable de quartz à grande vitesse afin de nettoyer la surface des pièces. On l'appelle aussi soufflage de sable. Il enlève non seulement la rouille, mais aussi l’huile. Pour le revêtement, il est très adapté pour éliminer la rouille à la surface des pièces ; Modifier la surface de la pièce ; La connexion par boulons à haute résistance dans la structure en acier est une méthode avancée. Étant donné que la connexion à haute résistance utilise le frottement entre les surfaces de joint pour transférer la force, elle a des exigences élevées en matière de qualité de la surface de joint. La surface du joint doit être traitée par sablage.

Le sablage est utilisé pour les formes complexes, facile à éliminer la rouille manuellement, à faible efficacité et à un mauvais environnement de chantier.

La machine de sablage est équipée de pistolets de sablage de différentes spécifications. Tant qu'il ne s'agit pas d'une boîte particulièrement petite, le pistolet peut être mis à sécher.

Les produits de support du récipient sous pression----La tête adopte un sablage pour éliminer la peau d'oxyde sur la surface de la pièce. Le diamètre du sable de quartz est de 1,5 m à 3,5 mm.

Il existe un type de traitement qui utilise l'eau comme support pour amener l'émeri à traiter les pièces, c'est-à-dire le sablage.

2.Traitement de surface des alliages d'aluminium

1). Processus de galvanoplastie d'alliage d'aluminium

En raison des propriétés chimiques et physiques de l’aluminium et de ses alliages, la galvanoplastie sur pièces en aluminium est beaucoup plus difficile que celle sur substrat en acier, et certains traitements spéciaux doivent être effectués. Ce qui suit est le flux du processus de galvanoplastie du moyeu de roue en alliage d'aluminium d'automobile

Polissage - grenaillage (sélectif) → élimination de la cire par ultrasons → lavage à l'eau → gravure alcaline et élimination de l'huile → lavage à l'eau → gravure à l'acide (extinction légère) → lavage à l'eau → trempage au zinc → lavage à l'eau → dézincification → lavage à l'eau → trempage au zinc → lavage à l'eau → galvanoplastie nickel foncé → lavage à l'eau → cuivre brillant acide I → lavage à l'eau → polissage → élimination de la cire par ultrasons → lavage à l'eau → élimination de l'huile électrolytique cathodique → lavage à l'eau → activation → lavage à l'eau → nickel semi-brillant → nickel à haute teneur en soufre → nickel brillant → nickel étanchéité → lavage à l'eau → chromage → lavage à l'eau

2). Processus de placage autocatalytique d'alliage d'aluminium

Le nickelage autocatalytique sur alliage d’aluminium est de plus en plus accepté par les fabricants en raison de ses excellentes performances. Le nickelage autocatalytique est également connu sous le nom de placage nickel-phosphore. La surface en alliage d'aluminium (dissipateur thermique de l'ordinateur, disque dur, etc.) adopte le processus suivant

Dégraissage chimique à température normale → nettoyage à l'eau courante x 2 → dégraissage thermique → nettoyage à l'eau courante x 2 → corrosion alcaline → nettoyage à l'eau courante x 3 → décapage acide → nettoyage à l'eau courante x 2 → immersion primaire au zinc → nettoyage à l'eau courante x 2 → 20 % acide nitrique → nettoyage à l'eau courante × 3 → trempage secondaire au zinc → nettoyage à l'eau courante x3 → (1-5 %) pré-trempage à l'ammoniac → pré-placage chimique nickel → nettoyage à l'eau courante x2 → nettoyage à l'eau pure → phosphore moyen nickel chimique brillant ou nickel chimique brillant à haute teneur en phosphore → nettoyage à l'eau courante x3 → passivation → nettoyage à l'eau courante x3 → séchage et séchage → inspection → emballage

Le substrat en aluminium à la surface des composants électroniques tels que les dispositifs à semi-conducteurs nécessite souvent un placage au nickel autocatalytique et un placage à l'or autocatalytique en raison de la nécessité de souder. Le déroulement du processus est le suivant :

Dégraissage → gravure alcaline → polissage → premier trempage au zinc → dézincification → solution de prétraitement → deuxième trempage au zinc → nickelage autocatalytique → préimprégné de décapage → placage à l'or autocatalytique → traitement final

3. Passivité

La passivation consiste à traiter le métal dans une solution de nitrite, de nitrate, de chromate ou de dichromate pour créer une couche de film de passivation au chromate sur la surface du métal. Il est souvent utilisé comme post-traitement des revêtements de zinc et de cadmium pour améliorer la résistance à la corrosion des revêtements, la protection des métaux non ferreux et l'adhérence des films de peinture.

Processus de passivation de l'aluminium et de l'alliage d'aluminium :

Le traitement au chromate de l'aluminium et de ses alliages permet d'obtenir un autre film de conversion chimique complètement différent de l'anodisation. Sa composition est la même que celle du film de chromate de zinc et de cadmium, qui est un composé complexe de chrome.

Différence entre l'anode en aluminium et le chromate --- Conducteur et non conducteur

Finition couramment utilisée du dissipateur thermique en aluminium extrudé : 1.Nettoyer 2.Anodisation 3.Chromate

Finition couramment utilisée du dissipateur thermique en cuivre : Anti-oxydation

4. Nickelage

La méthode de placage d'une couche de nickel sur un métal ou un non-métal par des méthodes électrolytiques ou chimiques est appelée placage au nickel. Le nickelage comprend la galvanoplastie et le nickelage autocatalytique.

La galvanoplastie se fait dans un électrolyte composé de sel de nickel, de sel conducteur, de tampon PH et d'agent mouillant, le nickel métallique est utilisé pour l'anode. Lorsqu'un courant continu est appliqué, une couche de nickelage uniforme et dense sera déposée sur les pièces plaquées. Le nickel brillant est obtenu à partir de la solution de placage avec azurant, tandis que le nickel foncé est obtenu à partir de l'électrolyte sans azurant.

Le placage autocatalytique est également appelé placage autocatalytique. Le processus spécifique fait référence au processus dans lequel les ions métalliques en solution aqueuse sont réduits par un agent réducteur et précipités à la surface d'une matrice solide dans certaines conditions. Tel que défini dans l'ASTM b374 (American Society for testing and materials), le placage autocatalytique est « le dépôt d'un revêtement métallique par une réduction chimique contrôlée catalysée par le métal ou l'alliage déposé ». Ce processus est différent du placage par déplacement. Le revêtement peut être épaissi en continu et le métal plaqué lui-même possède également une capacité catalytique.

Le nickelage autocatalytique est couramment utilisé dans l’industrie de la dissipation thermique en raison de sa bonne soudabilité.

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