Comment calculer la taille du dissipateur thermique pour votre application
Pour calculer la taille d'un dissipateur thermique, vous devez d'abord déterminer la résistance thermique totale requise entre la jonction du composant et l'air ambiant, puis diviser l'élévation de température maximale admissible par la puissance dissipée. Ce calcul donne une valeur de résistance thermique requise (en °C/W) que vous comparez à la courbe de performance ou à la fiche technique d'un dissipateur. Pour un processeur de 10 W avec une élévation de température admissible de 50 °C au-dessus de l'ambiant, vous avez besoin d'un dissipateur avec une résistance thermique de 5,0 °C/W ou moins, ce qui correspond généralement à un profilé en aluminium extrudé d'environ 75 mm x 75 mm x 25 mm en convection naturelle.
Quelle est la formule de base pour dimensionner un dissipateur thermique ?
L'équation directrice est une simple analogie de circuit thermique : Tj = Ta + (P x Rth), où Tj est la température de jonction, Ta est la température ambiante, P est la puissance dissipée en watts, et Rth est la résistance thermique totale de la jonction à l'ambiant. Pour trouver la résistance thermique totale maximale admissible, réorganisez la formule : Rth(max) = (Tj(max) - Ta) / P. Cette résistance totale est la somme de trois résistances en série : jonction-boîtier (Rth-jc), boîtier-dissipateur (Rth-cs), et dissipateur-ambiant (Rth-sa). Pour la plupart des calculs, vous résoudrez pour Rth-sa, la résistance thermique propre du dissipateur, qui est la seule valeur que vous pouvez contrôler par la géométrie et le matériau.
À titre d'exemple pratique, considérons un MOSFET produisant 15 W de chaleur avec une température de jonction maximale de 150 °C et une température ambiante de 50 °C. L'élévation de température admissible est de 100 °C, ce qui donne une Rth totale de 6,67 °C/W. Si la résistance jonction-boîtier est de 0,5 °C/W et que l'interface boîtier-dissipateur (avec pâte thermique) est de 0,2 °C/W, la résistance dissipateur-ambiant requise est de 5,97 °C/W. Vous sélectionneriez alors un dissipateur avec une valeur de fiche technique de 6,0 °C/W ou moins dans vos conditions de flux d'air spécifiques.
Comment convertir la résistance thermique en dimensions physiques ?
Pour la convection naturelle avec des dissipateurs en aluminium extrudé, une règle empirique utile est qu'une résistance thermique de 1 °C/W nécessite environ 100 à 150 centimètres carrés de surface. Pour la convection forcée avec un flux d'air de 2 m/s, la surface requise tombe à environ 40 à 60 centimètres carrés par 1 °C/W. À partir de ces objectifs de surface, vous pouvez dériver la longueur, la largeur et la hauteur des ailettes. Un dissipateur en convection naturelle de 5 °C/W, par exemple, nécessite environ 500 à 750 cm² de surface totale mouillée, ce qui peut être réalisé avec une plaque de base de 100 mm x 100 mm et 12 ailettes de 20 mm de hauteur.
Les profilés extrudés ont généralement des hauteurs d'ailettes entre 10 mm et 40 mm, des épaisseurs d'ailettes entre 1,5 mm et 3,0 mm, et un pas d'ailettes (espacement centre à centre) entre 5 mm et 10 mm. Pour la convection naturelle, un espacement plus large de 7 à 10 mm est préférable pour réduire l'interférence de la couche limite. Pour la convection forcée, un espacement plus serré de 4 à 6 mm augmente la surface par unité de volume. L'épaisseur de la plaque de base doit être d'au moins 5 mm pour une répartition uniforme de la chaleur, bien que 8 à 10 mm soit recommandé pour des sources de chaleur de plus de 25 mm de diamètre.
Pourquoi la température ambiante et l'altitude comptent-elles dans le calcul ?
La température ambiante réduit directement la différence de température disponible entre la surface du dissipateur et l'air environnant, qui est la force motrice de la dissipation thermique. Si votre température ambiante est de 70 °C au lieu de 25 °C, l'élévation de température admissible pour une limite de jonction de 125 °C passe de 100 °C à 55 °C, ce qui signifie que vous avez besoin d'environ le double de surface pour la même puissance. À des altitudes plus élevées, la densité de l'air diminue, réduisant le coefficient de transfert thermique par convection d'environ 2 à 3 pour cent par 300 mètres de gain d'altitude. À 3000 mètres d'altitude, vous pourriez avoir besoin de 20 à 30 pour cent de surface supplémentaire par rapport au niveau de la mer pour la même performance.
Pour la convection naturelle, le coefficient de transfert thermique est typiquement entre 5 et 15 W/(m²·K) selon l'orientation et la géométrie des ailettes. Pour la convection forcée, le coefficient varie de 20 à 100 W/(m²·K) selon la vitesse de l'air. La plupart des simulations thermiques et des valeurs de fiches techniques supposent des conditions au niveau de la mer avec un air à 20 à 25 °C. Dératez toujours la performance de votre dissipateur de 10 pour cent pour chaque 15 °C au-dessus de 25 °C ambiant, et de 10 pour cent pour chaque 1000 mètres au-dessus du niveau de la mer.
Quel matériau devriez-vous choisir pour votre dissipateur thermique ?
L'aluminium 6063-T5 est la norme industrielle pour les dissipateurs extrudés, offrant une conductivité thermique d'environ 200 W/(m·K) à un coût de 3 à 6 USD par kilogramme. Le cuivre offre 385 W/(m·K) mais coûte 8 à 15 USD par kilogramme et pèse 3,3 fois plus, il est donc généralement utilisé uniquement lorsque l'espace est extrêmement contraint. L'aluminium 6061-T6 est légèrement plus résistant mais a la même conductivité thermique, tandis que l'aluminium moulé sous pression ADC12 a une conductivité plus faible d'environ 96 W/(m·K) en raison de la porosité et de la teneur en alliage, ce qui le rend moins efficace malgré des coûts d'outillage plus faibles.
Pour les applications à grand volume, l'outillage d'extrusion d'aluminium coûte entre 800 et 3000 USD par profilé, avec des délais de 2 à 4 semaines. Les dissipateurs moulés sous pression nécessitent un outillage de 10 000 à 50 000 USD mais offrent des formes plus complexes. Les ensembles d'ailettes en aluminium embouti, courants dans la ligne de production de BQUQ, offrent une performance thermique à moins de 10 à 15 pour cent des extrusions pleines à un coût unitaire plus faible pour des volumes supérieurs à 10 000 pièces par an. Les dissipateurs en cuivre décolleté offrent une conductivité proche du cuivre pur à 380 W/(m·K) mais coûtent 30 à 50 pour cent de plus que l'aluminium extrudé.
De quelle surface avez-vous besoin pour une dissipation de puissance donnée ?
Le tableau suivant fournit des exigences empiriques de surface pour des dissipateurs en aluminium en convection naturelle au niveau de la mer avec une élévation de température de 30 °C au-dessus de l'ambiant. Ces valeurs supposent une surface anodisée noire, qui améliore l'émissivité de 0,1 (aluminium nu) à 0,9, améliorant le transfert thermique par rayonnement de 20 à 30 pour cent.
| Dissipation de puissance (W) | Surface requise (cm²) | Taille typique du dissipateur (mm) | Rth-sa estimée (°C/W) |
| 5 | 200 | 60 x 60 x 15 | 6,0 |
| 10 | 350 | 75 x 75 x 25 | 5,0 |
| 15 | 500 | 100 x 100 x 25 | 4,0 |
| 20 | 650 | 120 x 120 x 30 | 3,0 |
| 30 | 950 | 150 x 150 x 35 | 2,5 |
| 50 | 1600 | 200 x 200 x 40 | 1,8 |
| 75 | 2400 | 250 x 250 x 45 | 1,2 |
Pour la convection forcée avec un flux d'air de 2 m/s, divisez la surface requise par 2,5 à 3,0. Pour un flux d'air de 5 m/s, divisez par 4,0 à 5,0. Ces multiplicateurs supposent que le flux d'air est dirigé le long des canaux d'ailettes avec un blocage minimal. Si votre application a un flux d'air restreint ou si le dissipateur est enfermé dans un boîtier, augmentez la surface de 50 pour cent.
Comment tenir compte de la résistance de contact et des matériaux d'interface thermique ?
L'interface entre la source de chaleur et la base du dissipateur contribue de 0,1 à 1,0 °C/W selon la planéité de surface, la pression et le matériau d'interface thermique (TIM) utilisé. Une couche de 0,1 mm de graisse thermique avec une conductivité de 1,5 W/(m·K) sur une puce de 25 mm x 25 mm donne environ 0,1 °C/W. Les matériaux à changement de phase et les tampons thermiques vont de 1,0 à 5,0 W/(m·K) mais ajoutent 0,2 à 0,5 °C/W en raison de leur épaisseur. Pour une performance optimale, utilisez une couche de 25 µm à 50 µm de graisse thermique appliquée uniformément, avec une pression de montage de 10 à 30 psi.
La planéité de surface de la base du dissipateur doit être de 0,05 mm ou mieux pour un contact optimal. BQUQ usine les bases de dissipateurs avec une tolérance de planéité de 0,02 mm sur 100 mm de longueur, garantissant une résistance d'interface minimale. Si vous devez monter plusieurs sources de chaleur sur un seul dissipateur, espacez-les d'au moins 10 mm et utilisez une épaisseur de base d'au moins 8 mm pour éviter le couplage thermique. Pour les modules IGBT haute puissance, envisagez des dissipateurs à chambre à vapeur ou à caloducs, qui peuvent réduire la résistance d'étalement de 50 pour cent par rapport à l'aluminium massif.
Quand devriez-vous envisager un refroidissement actif plutôt qu'un dissipateur plus grand ?
Si votre Rth-sa requise est inférieure à 1,0 °C/W et que le volume du dissipateur dépasse 500 cm³, la convection forcée avec un ventilateur est généralement plus rentable qu'un dissipateur passif. Un ventilateur de 40 mm x 40 mm fournissant 10 m³/h de flux d'air à 3000 tr/min peut réduire la surface requise de 60 pour cent, faisant passer le volume du dissipateur de 500 cm³ à 200 cm³. Les ventilateurs ajoutent 1 à 5 W de consommation électrique et un temps moyen entre pannes de 30 000 à 70 000 heures, ce qui peut être acceptable pour les équipements industriels mais pas pour l'électronique grand public scellée.
Pour des densités de puissance supérieures à 50 W/cm² sur la source de chaleur, envisagez le refroidissement liquide, qui atteint 0,05 à 0,2 °C/W avec une plaque froide et un radiateur. Les caloducs sont efficaces pour déplacer la chaleur d'une source confinée vers une pile d'ailettes distante, avec une capacité typique de 50 à 100 W par caloduc. Le critère de décision est simple : si le volume du dissipateur requis pour le refroidissement passif dépasse 1 litre, ou si le poids dépasse 2 kilogrammes, le refroidissement actif ou les caloducs réduiront le coût total du système et l'espace.
Quelles sont les étapes pratiques pour valider la taille de votre dissipateur thermique ?
Premièrement, calculez la Rth-sa requise en utilisant la formule de la section 1, y compris toutes les résistances d'interface. Deuxièmement, estimez la surface en utilisant le tableau de la section 4, puis sélectionnez un profilé d'extrusion standard qui fournit au moins cette surface. Troisièmement, mesurez la résistance thermique réelle à l'aide d'un thermocouple sur la source de chaleur et d'un deuxième thermocouple dans l'air ambiant, avec une charge de puissance connue. Quatrièmement, ajustez pour l'orientation : les ailettes horizontales performent 10 à 15 pour cent moins bien que les ailettes verticales en convection naturelle en raison de l'effet de cheminée réduit.
Utilisez un outil de simulation CFD ou des tests empiriques pour vérifier l'efficacité des ailettes, qui varie typiquement de 70 à 90 pour cent pour les ailettes en aluminium. Si votre élévation de température mesurée dépasse la valeur calculée de plus de 15 pour cent, vérifiez un mauvais contact, une pression de montage insuffisante ou un flux d'air bloqué. Pour la validation en production, BQUQ recommande un test de cyclage thermique de 1000 cycles de -40 °C à 125 °C pour garantir que le TIM ne s'échappe pas et que le dissipateur ne se déforme pas.
FAQ
Quelle est une résistance thermique raisonnable pour un petit dissipateur ?
Un dissipateur en aluminium de 50 mm x 50 mm x 10 mm en convection naturelle fournit environ 8 à 10 °C/W. À titre de comparaison, un dissipateur de 100 mm x 100 mm x 25 mm fournit 3 à 4 °C/W, et un dissipateur de 200 mm x 200 mm x 40 mm fournit 1,2 à 1,8 °C/W.
Comment l'anodisation améliore-t-elle la performance du dissipateur ?
L'anodisation noire augmente l'émissivité de surface de 0,1 à 0,9, ce qui améliore le transfert thermique par rayonnement de 20 à 30 pour cent en convection naturelle. La couche anodique est électriquement isolante et résistante à la corrosion, n'ajoutant aucune résistance thermique mesurable lorsqu'elle est appliquée à une épaisseur de 10 à 25 µm.
Puis-je utiliser un dissipateur sans pâte thermique ?
Vous pouvez, mais la résistance d'interface augmentera de 0,1 °C/W à 0,5 à 1,0 °C/W en raison des espaces d'air, qui ont une conductivité thermique de seulement 0,026 W/(m·K). Cela peut réduire la performance effective du dissipateur de 30 à 50 pour cent, donc la pâte thermique ou un tampon est fortement recommandé.
Quelle est la hauteur maximale des ailettes pour un dissipateur extrudé ?
Les extrusions d'aluminium standard peuvent atteindre des hauteurs d'ailettes jusqu'à 75 mm avec une épaisseur d'ailette de 1,5 mm et un rapport hauteur-largeur de 1:50. Pour des ailettes plus hautes au-dessus de 75 mm, utilisez des assemblages à décolletage, à brasage ou à ailettes collées, qui peuvent atteindre des hauteurs de 150 mm.
Comment calculer la taille du dissipateur pour des charges de puissance pulsée ?
Pour les charges pulsées, faites la moyenne de la puissance sur la constante de temps thermique du dissipateur, qui est typiquement de 1 à 5 minutes pour les extrusions d'aluminium. Si la durée de l'impulsion est inférieure à 10 secondes, utilisez la capacité thermique du dissipateur pour absorber le pic d'énergie sans dépasser la température de jonction.
Quel débit d'air est nécessaire pour un dissipateur en convection forcée ?
Un minimum de 1 à 2 m/s de flux d'air à travers les canaux d'ailettes est requis pour obtenir une amélioration de 2,5x par rapport à la convection naturelle. Pour un dissipateur de 100 mm x 100 mm, cela correspond à 0,6 à 1,2 m³/min de flux d'air provenant d'un ventilateur.
Combien coûte un dissipateur thermique personnalisé ?
Un dissipateur en aluminium extrudé avec un outillage personnalisé coûte de 800 à 3000 USD pour la filière, plus 3 à 6 USD par kilogramme pour le matériau. L'usinage ajoute 10 à 50 USD par pièce selon les caractéristiques, et l'anodisation ajoute 1 à 3 USD par mètre carré.
L'équipe d'ingénieurs de BQUQ peut calculer la taille exacte du dissipateur thermique pour votre application en 12 heures. Envoyez votre dissipation de puissance, température ambiante et température de jonction maximale à sc@bquq.com ou contactez-nous sur WhatsApp au +86 13713157787. Visitez www.bquq.com pour les fiches techniques et les profilés standard.
