Construire un modèle de réseau de résistance thermique
Réponse courte : Un modèle de réseau de résistance thermique traite chaque couche entre une source de chaleur et l'air ambiant comme une résistance en série et en parallèle, mesurée en °C/W. Vous additionnez les résistances jonction-boîtier, d'interface, d'étalement, de conduction de base, de conduction d'ailette et de convection pour obtenir le θJA total. Pour un dissipateur thermique typique en aluminium extrudé de 50 mm en air calme, le terme de convection domine à environ 1,5–3,0 °C/W, tandis qu'une bonne interface thermique n'ajoute que 0,1–0,4 °C/W. Construisez d'abord le modèle, puis dimensionnez le dissipateur thermique — BQUQ établit des devis pour des dissipateurs thermiques sur mesure en 12 heures ouvrables.
Pourquoi s'embêter avec un réseau de résistance thermique ?
La plupart des problèmes thermiques dans un planning de projet ne sont pas résolus en achetant un dissipateur thermique plus gros. Ils sont résolus en sachant quelle couche de l'empilement est réellement chaude. Un réseau de résistance thermique transforme une plainte vague « ça chauffe » en un nombre que vous pouvez attaquer.
Le concept est emprunté aux circuits électriques. Le flux de chaleur (watts) est le courant, la différence de température (°C) est la tension, et la résistance thermique (°C/W) est la résistance. La loi d'Ohm devient ΔT = Q × θ. Une fois le réseau dessiné, vous voyez immédiatement si le goulot d'étranglement est le matériau d'interface, la base du dissipateur thermique, les ailettes ou l'air qui les entoure.
Les ingénieurs qui sautent cette étape sur-spécifient généralement le dissipateur thermique et sous-spécifient l'interface, ou vice versa. Les deux erreurs coûtent de l'argent. Un modèle de réseau prend une heure à construire et permet généralement d'économiser des semaines d'itération sur prototype.
Le réseau en série de base
Le modèle utile le plus simple est une chaîne en série de la jonction à l'ambiance :
| Élément | Symbole | Valeur typique | Remarques |
|---|---|---|---|
| Jonction à boîtier | θJC | 0,2–1,5 °C/W | D'après la fiche technique du composant |
| Boîtier à dissipateur thermique (TIM) | θCS | 0,1–0,8 °C/W | Dépend de la graisse, du pad ou de l'adhésif |
| Étalement de la base du dissipateur | θspread | 0,05–0,5 °C/W | Augmente rapidement avec une petite surface de source |
| Dissipateur thermique à l'ambiance | θSA | 0,3–5,0 °C/W | Le terme dominant dans la plupart des conceptions |
La résistance totale jonction-ambiance est la somme :
θJA = θJC + θCS + θspread + θSA
Ensuite, la température de jonction est :
TJ = TA + (Q × θJA)
Si votre composant dissipe 15 W, l'ambiance est à 40 °C et θJA est de 3,0 °C/W, la jonction se situe à 85 °C. Si la limite de la fiche technique est de 125 °C, vous avez de la marge — mais seulement si chaque résistance de la chaîne est réaliste. Les valeurs d'interface optimistes sont la source d'erreur la plus courante.
Où le modèle en série échoue
Le modèle en série suppose que toute la chaleur s'écoule par un seul chemin. En réalité, une partie de la chaleur s'échappe par le cuivre du PCB, une partie rayonne, et une partie se conduit dans le boîtier. Pour un dissipateur thermique monté sur un petit boîtier avec un mauvais chemin thermique PCB, le modèle en série est conservateur — il surestime θJA, ce qui est généralement acceptable. Pour un composant soudé sur un grand plan de cuivre, le PCB est un chemin parallèle et l'ignorer rend le modèle pessimiste de 10–30 %.
Modélisation du dissipateur thermique lui-même
La résistance du dissipateur thermique θSA n'est pas un nombre unique. C'est un sous-réseau de conduction de base, d'étalement, de conduction d'ailette et de convection. Le diviser est là où le modèle gagne sa place.
Résistance d'étalement
La chaleur entre dans la base par une petite empreinte, puis s'étale latéralement. Si la source est beaucoup plus petite que la base, la résistance d'étalement devient significative. En règle générale, lorsque la surface de la source est inférieure à environ 20 % de la surface de la base, la résistance d'étalement peut dépasser 0,3 °C/W sur une base en aluminium.
Deux solutions existent. Premièrement, épaissir la base localement sous la source — une pièce rapportée, un bossage ou un socle. Deuxièmement, passer au cuivre pour la base. La conductivité thermique du cuivre est d'environ 400 W/m·K contre 200 W/m·K pour l'alliage d'aluminium 6063 courant, donc une base en cuivre ou un insert en cuivre réduit la résistance d'étalement d'environ moitié pour la même géométrie. Les dissipateurs thermiques en cuivre et les conceptions à base en cuivre et ailettes en aluminium existent précisément pour cette raison. Vous pouvez consulter les options sur notre page produit des dissipateurs thermiques.
Conduction d'ailette et efficacité d'ailette
Le long de chaque ailette, la température chute de la base à la pointe. L'efficacité d'ailette est le rapport de la chaleur réellement dissipée à la chaleur qui serait dissipée si toute l'ailette était à la température de la base. Les ailettes longues et fines ont une faible efficacité ; les ailettes courtes et épaisses ont une efficacité élevée mais il y en a moins qui rentrent.
| Paramètre d'ailette | Effet sur l'efficacité | Limite pratique |
|---|---|---|
| Hauteur d'ailette | Diminue avec la hauteur | L'efficacité chute en dessous de 80 % au-delà d'environ 30–40 mm en air calme |
| Épaisseur d'ailette | Augmente avec l'épaisseur | 1,0–2,0 mm typique pour les profilés extrudés |
| Conductivité d'ailette | Augmente avec k | Aluminium 200 W/m·K, cuivre ~400 W/m·K |
| Espacement des ailettes | Affecte la convection, pas la conduction | 6–12 mm pour la convection naturelle |
Pour la convection naturelle, l'espacement des ailettes est le paramètre qui est le plus souvent mal optimisé. Trop serré et les couches limites fusionnent, étouffant l'écoulement. Trop lâche et vous gaspillez la surface de base. Notre article sur l'espacement des ailettes en convection naturelle couvre le compromis en détail.
Résistance de convection et de rayonnement
La résistance de convection est l'inverse de h × A, où h est le coefficient de transfert thermique et A est la surface effective. En air calme, h est typiquement de 5–10 W/m²·K. Avec de l'air forcé à 2–3 m/s, h monte à 25–50 W/m²·K. Ce seul coefficient change souvent θSA d'un facteur trois ou plus.
Le rayonnement contribue à environ 10–25 % de la dissipation totale pour les surfaces anodisées ou peintes à des températures modérées, et moins pour l'aluminium nu brillant, qui a une faible émissivité. L'anodisation noire augmente l'émissivité à environ 0,8 et c'est une raison pour laquelle de nombreux dissipateurs thermiques sont finis de cette façon même lorsque la corrosion n'est pas un problème.
Un exemple concret
Considérons une charge de 20 W, une ambiance à 45 °C, une jonction cible inférieure à 110 °C. Cela laisse un budget de 65 °C.
| Couche | Résistance (°C/W) | ΔT à 20 W (°C) |
|---|---|---|
| θJC | 0,40 | 8,0 |
| θCS (graisse, 0,1 mm) | 0,15 | 3,0 |
| θspread (base 80 × 80 mm) | 0,20 | 4,0 |
| θSA (convection naturelle) | 2,50 | 50,0 |
| Total | 3,25 | 65,0 |
Le résultat tombe exactement sur la cible de 110 °C, ce qui signifie aucune marge. Pour gagner de la marge, vous réduisez soit θSA avec de l'air forcé, agrandissez le dissipateur thermique, ou réduisez la charge. Réduire davantage θCS est presque inutile — il ne représente déjà que 4,6 % du total.
C'est la valeur pratique du modèle : il vous dit où ne pas dépenser d'efforts. La sélection de la graisse thermique compte, mais seulement jusqu'à un certain point. Notre guide sur la sélection de la graisse thermique explique pourquoi une amélioration de 0,05 °C/W de θCS change rarement le résultat, tandis qu'une amélioration de 0,5 °C/W de θSA le fait généralement.
Chemins parallèles et corrections du monde réel
Les assemblages réels ont des chemins thermiques parallèles. Les plus courants sont le PCB, la visserie de montage et le boîtier.
Le PCB comme résistance parallèle
Un composant soudé sur un plan de cuivre conduit la chaleur dans la carte. Ce chemin peut transporter 10–40 % de la chaleur totale dans les conceptions à montage en surface. Dans le réseau, il apparaît comme une résistance en parallèle avec la branche du dissipateur thermique. L'ignorer rend votre modèle conservateur ; l'inclure nécessite d'estimer la conductivité thermique de la carte, qui est anisotrope et difficile à mesurer.
Une approche pragmatique : construisez d'abord le modèle en série, puis appliquez un facteur de correction de 0,8–0,9 si le composant a un pad en cuivre substantiel et que la carte n'est pas thermiquement isolée.
La résistance d'interface n'est pas constante
La résistance d'interface thermique dépend de la pression, de l'épaisseur de la couche de liaison et de la planéité de la surface. Une couche de graisse comprimée à 0,05 mm peut donner 0,08 °C/W ; la même graisse à 0,15 mm peut donner 0,25 °C/W. C'est une variation d'un facteur trois rien qu'à cause de la pression d'assemblage.
Pour les dissipateurs thermiques collés ou montés avec adhésif, l'adhésif lui-même devient l'interface. Les conceptions à ailettes collées et à dos adhésif échangent une certaine performance thermique contre une simplicité mécanique et un coût inférieur. Si votre modèle suppose 0,1 °C/W mais que l'adhésif fournit 0,5 °C/W, tout le calcul est invalide.
Du modèle à la pièce fabriquée
Un modèle thermique n'est utile que si la pièce que vous recevez correspond à la géométrie que vous avez modélisée. Trois détails de fabrication cassent régulièrement les modèles :
Tolérance d'épaisseur d'ailette. Les profilés extrudés maintiennent l'épaisseur de paroi à environ ±0,1 mm, ce qui est bien. Les ailettes skivées et collées peuvent varier davantage. Notre aperçu du processus de skiving explique où se situent les limites.
Planéité de la base. Une base qui n'est pas plane crée une couche d'interface épaisse et irrégulière. Les bases usinées CNC peuvent maintenir une planéité de l'ordre de 0,05 mm, ce qui garde l'interface mince et prévisible. Voir dissipateurs thermiques usinés CNC pour savoir comment cela est contrôlé.
Finition de surface et émissivité. Les surfaces anodisées rayonnent bien mieux qu'une finition brute d'usinage. Si votre modèle inclut un terme de rayonnement, la finition doit correspondre à l'hypothèse.
BQUQ réalise de l'usinage CNC à ±0,005 mm, de l'emboutissage des métaux, des ressorts sur mesure et de la production de dissipateurs thermiques sur quatre lignes dans une seule usine à Dongguan, le tout sous ISO9001. Cela compte pour la modélisation thermique car la géométrie que vous simulez est la géométrie que vous recevez. Les profilés extrudés sont disponibles dans notre gamme de dissipateurs thermiques extrudés, et le MOQ est flexible pour les prototypes et les préséries.
Questions fréquentes
Q : Quel est le θJA typique pour un petit dissipateur thermique extrudé ?
R : Pour un dissipateur thermique en aluminium extrudé de 50 × 50 × 25 mm en air calme, le θSA total se situe généralement entre 2,5 et 4,5 °C/W. L'ajout d'un petit ventilateur à 2 m/s peut le ramener à 0,8–1,5 °C/W. La valeur exacte dépend fortement de l'espacement des ailettes, de l'épaisseur de la base et de la restriction éventuelle du flux d'air par le boîtier environnant. Mesurez ou simulez toujours plutôt que de supposer un numéro de catalogue.
Q : Quelle est la précision d'un réseau de résistance thermique calculé à la main ?
R : Les calculs manuels sont généralement à 15–25 % des résultats mesurés lorsque la géométrie est simple et le flux d'air bien défini. La précision se dégrade dans les boîtiers, avec plusieurs sources de chaleur, ou lorsque le rayonnement est significatif. Considérez le réseau comme un outil de dimensionnement, pas comme une réponse finale, et validez la conception choisie avec un thermocouple ou une caméra thermique avant de vous engager dans l'outillage de production.
Q : Le cuivre bat-il toujours l'aluminium pour les dissipateurs thermiques ?
R : Non. Le cuivre conduit la chaleur environ deux fois mieux, mais il est environ trois fois plus dense et considérablement plus cher. Le cuivre gagne lorsque la résistance d'étalement domine, comme avec de petites sources de chaleur sur de grandes bases. L'aluminium gagne sur le coût, le poids et l'extrudabilité. Les conceptions à base en cuivre et ailettes en aluminium capturent la plupart du bénéfice d'étalement à une fraction du poids.
Q : Comment modéliser un dissipateur thermique avec un ventilateur ?
R : Remplacez le coefficient de convection naturelle par une valeur de convection forcée, typiquement 25–50 W/m²·K à un flux d'air de 2–3 m/s. Ajoutez ensuite les considérations thermiques et de fiabilité du ventilateur. L'espacement des ailettes qui optimise la convection naturelle est généralement trop large pour l'air forcé ; des ailettes plus serrées avec plus de surface performent mieux lorsque l'air circule.
Q : Quelles informations dois-je envoyer pour un devis de dissipateur thermique ?
R : Envoyez la charge thermique, la température ambiante, l'enveloppe disponible, la méthode de montage et toutes les données de flux d'air. Un croquis ou un fichier STEP aide. BQUQ renvoie un devis dans les 12 heures ouvrables, et un MOQ flexible signifie que vous pouvez commander des quantités prototypes avant de vous engager sur le volume. Envoyez un e-mail à sc@bquq.com avec vos exigences.
Ressources associées
- À propos de BQUQ et de notre empreinte manufacturière à Dongguan : /about/
- Familles de produits de dissipateurs thermiques et finitions : /heat-sinks/
- Profilés en aluminium extrudé pour applications thermiques : /extruded-heat-sinks/
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