Qu'est-ce que l'extrusion de dissipateurs thermiques ? Guide complet

L'extrusion de dissipateurs thermiques est une méthode de fabrication de profils à ailettes. Un lingot d'aluminium chauffé est poussé à travers une filière profilée. Le long profil ainsi obtenu est ensuite découpé et fini pour former un dissipateur thermique. Les composants électroniques génèrent de la chaleur lorsqu'ils fonctionnent. Cette chaleur peut nuire aux performances ou endommager les composants si elle n'est pas correctement gérée. Chez Trumonytechs, nous travaillons sur… gestion thermique des batteries et plaques de refroidissement. Nous devons souvent déterminer si un dissipateur thermique en profilé d'aluminium est le bon choix.

Qu'est-ce que l'extrusion de dissipateurs thermiques ?

Le dissipateur thermique extrudé est un profilé en aluminium muni d'ailettes. Ces ailettes augmentent la surface d'échange thermique, favorisant ainsi la dissipation de la chaleur par convection et rayonnement. Fréquemment utilisé pour son bon compromis, il offre un faible coût, une facilité de production et une grande liberté de conception pour de nombreux composants électroniques. L'extrusion est optimale avec une bonne ventilation, qu'elle soit naturelle ou forcée. Une surface d'ailettes suffisante est également nécessaire pour un échange thermique efficace avec l'air.

Comment fonctionne l'extrusion des dissipateurs thermiques ?

Le procédé commence par le chauffage d'un lingot d'aluminium massif. Celui-ci est ensuite forcé à travers une filière en acier. On obtient ainsi un profilé continu muni d'ailettes. Le profilé est ensuite redressé, vieilli, puis coupé à la longueur voulue. Le procédé se déroule selon les étapes suivantes :

1. Chauffage des billettes : On chauffe un lingot d'aluminium massif (souvent 6063 ou 6061). Il atteint une température suffisante pour être travaillé, sans toutefois fondre.
2. Extrusion: Un vérin hydraulique pousse le matériau à travers la filière. Ceci forme la section transversale à ailettes.
3. Refroidissement / trempe : Le profilé est refroidi par air ou par eau. Cela permet de contrôler ses propriétés.
4. Lissage par étirement : Le profil allongé est étiré. Cela le rend plus droit et soulage les tensions.
5. Vieillissement (trempage) : Le vieillissement artificiel permet au métal d'atteindre ses propriétés mécaniques cibles, comme T5 ou T6.
6. Découpe et finition : Les longues barres sont coupées à la longueur voulue. Ensuite, l'usinage permet d'ajouter des éléments tels que des trous, des fentes ou des surfaces de montage.

Principes de conception fondamentaux qui contrôlent les performances de refroidissement

Les performances de refroidissement dépendent de la résistance thermique. Cette résistance se manifeste tout au long du trajet de la chaleur : du composant, à travers le matériau d’interface (TIM), jusqu’à la base du dissipateur thermique, puis à travers les ailettes, et enfin vers l’air. On obtient de meilleurs résultats en corrigeant le maillon présentant la plus grande résistance. Cette approche est plus efficace que l’ajout d’ailettes. Voici les éléments de conception de base que nous vérifions en premier :

1. Épaisseur de la base et répartition de la chaleur : Une base plus épaisse répartit mieux la chaleur, mais alourdit le produit. Cela peut s'avérer inutile si la principale difficulté réside dans une mauvaise circulation de l'air. Si la source de chaleur est petite, la répartition de la chaleur à la base est primordiale.
2. Hauteur, épaisseur et espacement des ailerons : L'espacement des ailettes doit être adapté au flux d'air. Un espacement trop faible peut bloquer la convection naturelle et engendrer une chute de pression importante dans les systèmes de ventilation forcée.
3. Orientation par rapport au flux d'air : Les ailettes extrudées sont plus performantes lorsque l'air circule à travers leurs canaux. En cas de doute sur le sens du flux d'air, un autre type d'ailettes pourrait être plus sûr.
4. Qualité de l'interface : Un dissipateur thermique performant peut être défaillant en cas de mauvais contact. Le type et l'épaisseur de la pâte thermique, la planéité de la surface et la force de fixation sont souvent déterminants pour les résultats obtenus.
5. Choix des matériaux et des finitions : L'aluminium 6063 est couramment utilisé pour les dissipateurs thermiques extrudés. Il s'extrude facilement et offre de bonnes performances thermiques. L'aluminium 6061 est quant à lui privilégié lorsqu'une résistance accrue ou des propriétés d'usinage différentes sont requises.

Principaux types de profilés extrudés pour dissipateurs thermiques

Le type d'extrusion le plus adapté dépend de vos besoins. Tenez compte du flux d'air (forcé ou naturel), de sa direction et des contraintes d'espace. Vous trouverez ci-dessous les types les plus courants rencontrés sur les chantiers.

Extrusion à ailettes droites

Les profilés à ailettes droites possèdent des ailettes parallèles. Ces ailettes forment des canaux qui fonctionnent bien avec un flux d'air unidirectionnel et prévisible. Ils sont particulièrement adaptés aux enceintes équipées de ventilateurs ou de conduits. Leur efficacité diminue en cas de flux d'air faible ou obstrué. Les canaux étroits peuvent rapidement perdre en performance.

Extrusion à ailettes obliques

Les ailettes inclinées orientent ces dernières en biais. Cela augmente la surface et permet un espacement plus important. Elles peuvent améliorer les performances si l'on tolère des espaces plus grands entre les ailettes et que l'on souhaite une meilleure circulation de l'air. Elles peuvent en revanche être moins adaptées si l'on doit intégrer un grand nombre d'ailettes dans un espace réduit.

Extrusion à ailettes

Les profilés à ailettes utilisent une matrice d'ailettes, et non de longs canaux. Ils sont donc plus adaptés aux flux d'air mixtes ou changeants, ce qui est particulièrement utile sur les circuits imprimés denses où la circulation de l'air est complexe. Cependant, leur nettoyage peut s'avérer plus difficile dans les environnements poussiéreux. De plus, ils ne constituent pas toujours la solution optimale en termes de perte de charge pour certaines configurations de ventilateurs.

Extrusion à coupe transversale

Les profilés à découpe transversale divisent les ailettes longues en segments plus courts, ce qui favorise la convection naturelle et rend l'évier moins sensible à la direction du flux d'air. Ils sont souvent utilisés lorsqu'une ventilation forcée puissante est impossible. Leur principal inconvénient réside dans un processus de fabrication plus complexe et parfois une efficacité de canal réduite.

Profilé extrudé en étoile/rond à LED

Les profilés LED en forme d'étoile ou ronds présentent un profil radial. Ils sont conçus pour dissiper la chaleur des cartes et lampes LED circulaires. Leur forme s'adapte parfaitement aux luminaires et facilite l'assemblage. Ils ne sont cependant pas toujours la solution idéale pour les boîtiers électroniques compacts où le flux d'air est directionnel et l'espace rectangulaire.

Comment choisir le dissipateur thermique extrudé adapté ?

À choisir un dissipateur thermique, Il faut faire correspondre l'objectif thermique aux contraintes de débit d'air et de dimensions. Ensuite, il faut vérifier la faisabilité et la qualité de l'interface. Voici généralement la démarche à suivre :

1. Définir la charge thermique et l'élévation de température cible.
2. Confirmer le type de flux d'air : convection naturelle, convection forcée par ventilateur ou incertain.
3. Définir des limites d'espace et de poids, notamment des objectifs de taille, de hauteur et de masse.
4. Choisissez un type d'ailette en fonction de la certitude du flux d'air (droite ou à ailettes/coupe croisée).
5. Définir le plan d'interface : méthode de montage, type de TIM et objectifs de planéité.
6. Valider les besoins de fabrication tels que la longueur de coupe, l'usinage et la finition.

Dans le domaine des batteries, les dissipateurs thermiques extrudés conviennent parfaitement aux composants électroniques ou aux modules d'alimentation refroidis par air. Ils permettent également de répartir la chaleur efficacement dans un boîtier ventilé. En cas de faible ventilation et de forte chaleur, nous privilégions généralement le refroidissement liquide. Nous n'utilisons jamais une extrusion au-delà de ses capacités.

Problèmes courants et vérifications pratiques de dépannage

La plupart des défaillances de dissipateurs thermiques ne sont pas dues à l'extrusion elle-même. Il s'agit généralement de problèmes d'interface, de flux d'air ou d'orientation. Ces vérifications rapides permettent de résoudre de nombreux problèmes sur le terrain :

Conclusion

L'extrusion de dissipateurs thermiques est une méthode fiable et évolutive pour fabriquer des dissipateurs en aluminium à ailettes. Elle offre des résultats optimaux lorsque l'on soigne la conception du flux d'air et la qualité de l'interface. Si vous dimensionnez les ailettes sans vérifier le flux d'air réel, la résistance thermique réelle risque de différer des objectifs de conception. Chez Trumonytechs, nous considérons les dissipateurs thermiques extrudés comme un outil parmi d'autres dans notre arsenal de solutions avancées de gestion thermique. Notre expertise nous permet de proposer la solution la plus adaptée à vos besoins spécifiques, qu'il s'agisse d'extrusion, de refroidissement liquide ou d'une approche personnalisée. Si vous êtes prêt à optimiser les performances de votre système, contacter Trumonytechs et découvrir comment notre solutions de gestion thermique peut être le moteur de votre prochain succès.

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