Aluminium Dissipation de la chaleur | Conductivité thermique

1. Conductivité thermique de l'aluminium

L'aluminium est le matériau de choix pour la dissipation de la chaleur dans les systèmes modernes de gestion thermique, grâce à son équilibre unique entre conductivité thermique, légèreté et rentabilité. Avec une conductivité thermique comprise entre 160 et 220 W/(m-K) (selon la composition de l'alliage), l'aluminium transfère efficacement la chaleur tout en étant trois fois plus léger que le cuivre et beaucoup plus abordable.

Comparaison des performances thermiques : Dissipateurs thermiques en aluminium et en cuivre

Métrique	Dissipateur thermique en aluminium	Dissipateur thermique en cuivre	Dissipateur thermique en acier
Conductivité thermique	160-220 W/(m-K) <br>(Al pur : ~237)	~398 W/(m-K)	~50-80 W/(m-K)
Capacité thermique spécifique	0,9 J/g-K (réponse thermique rapide)	0,385 J/g-K (réponse plus lente)	~0,45 J/g-K (réponse modérée)
Emissivité de la surface	0,1 (poli) → 0,8-0,9 (anodisé noir)	0,03-0,1 (naturel)	~0,1-0,3 (en fonction de l'état de surface)
Résistance thermique du contact	0,1-0,5 K-cm²/W (avec TIM)	<0,1 K-cm²/W (résistance inférieure)	~0,5-1,0 K-cm²/W (résistance plus élevée)
Densité	2,7 g/cm³ (léger)	8,96 g/cm³ (lourd)	7,87 g/cm³ (poids modéré)
Coût	Faible (rentable pour la production de masse)	Élevé (3 à 5 fois plus cher que l'aluminium)	Très faible (option la moins chère)

2. Nuances d'alliage d'aluminium Dissipation de la chaleur par impact

Lors de la conception d'un dissipateur thermique en aluminiumLe choix du bon alliage est essentiel pour équilibrer les performances thermiques, la résistance mécanique et la facilité de fabrication. Alors que l'aluminium pur offre la conductivité thermique la plus élevée, la plupart des applications industrielles utilisent des alliages d'aluminium pour améliorer la durabilité et la facilité de production.

2.1 Aluminium pur (série 1xxx) - Meilleure conductivité, faible résistance

Principaux alliages : 1050, 1060, 1100

Propriété	Valeur	Impact sur la dissipation de la chaleur
Conductivité thermique	~200-237 W/(m-K)	Le plus haut niveau possible pour l'aluminium, idéal pour le transfert thermique.
Résistance à la traction	70-110 MPa	Trop faible pour les applications structurelles.
Utilisation typique	Dissipateurs thermiques à ailettes minces, refroidissement par LED.

Pour :
✔ Meilleure performance thermique parmi les alliages d'aluminium.
✔ Facile à extruder pour obtenir des formes d'ailerons complexes.

Cons :
✖ Faible résistance mécanique - susceptibles de se déformer sous l'effet de la contrainte.
✖ Rarement utilisé dans des environnements à fortes vibrations (par exemple, l'automobile).

2.2 Série 6xxx (6061, 6063) - La norme industrielle

Alliages les plus courants : 6061-T6, 6063-T5

Propriété	6063-T5	6061-T6	Impact sur les dissipateurs thermiques
Conductivité thermique	~200 W/(m-K)	~170 W/(m-K)	Légèrement inférieur à celui de l'Al pur, mais toujours efficace.
Résistance à la traction	186 MPa	310 MPa	Suffisamment solide pour la plupart des applications.
Extrudabilité	Excellent	Bon	Le 6063 est plus facile à façonner en ailettes fines.

Pourquoi la série 6xxx domine-t-elle ?
✔ Propriétés thermiques et mécaniques équilibrées - idéal pour les dissipateurs thermiques des secteurs de l'électronique, de l'automobile et de l'industrie.
✔ 6063-T5 est le alliage go-to pour dissipateurs thermiques extrudés (courant dans les refroidisseurs de CPU).
✔ 6061-T6 est plus fort, utilisé dans environnements très stressants (par exemple, les convertisseurs de puissance).

Compromis :
✖ ~10-20% conductivité inférieure que l'aluminium pur.

2.3 Série 5xxx (5052, 5083) - Résistance à la corrosion mais faible conductivité

Principaux alliages : 5052, 5083

Propriété	Valeur	Impact sur la dissipation de la chaleur
Conductivité thermique	~120-140 W/(m-K)	Nettement moins bons que ceux de la série 6xxx.
Résistance à la traction	210-290 MPa	Plus solide que le 6063 mais plus difficile à extruder.
Résistance à la corrosion	Excellent	Convient aux environnements marins/à forte humidité.

Quand l'utiliser ?
✔ Environnements extérieurs ou corrosifs (par exemple, l'électronique marine).
✔ Composants structurels nécessitant un refroidissement modéré.

À éviter si :
✖ La performance thermique est essentielle (la conductivité est ~40% inférieure à celle du 6063).

2.4 Séries 2xxx & 7xxx (2024, 7075) - Haute résistance, pire conductivité

Principaux alliages : 2024-T6, 7075-T6

Propriété	Valeur	Impact sur les dissipateurs thermiques
Conductivité thermique	~120-150 W/(m-K)	Mauvaise dissipation de la chaleur.
Résistance à la traction	400-570 MPa	Utilisé dans l'aérospatiale et la défense.
Usinabilité	Excellent	Difficile à extruder ; souvent usiné par CNC.

Pourquoi éviter les dissipateurs thermiques ?
✖ Très faible conductivité thermique (~50% de 6063).
✖ Cher et excessif à moins qu'une résistance extrême ne soit nécessaire.

Exception :
✔ Dissipateurs thermiques pour l'aérospatiale où le poids et la résistance sont plus importants que l'efficacité du refroidissement.

2.5 Alliages spécialisés (Al-SiC, Al-Graphite) - Haute performance, coût élevé

Exemple : Al-SiC (renforcé au carbure de silicium)

Propriété	Valeur	Impact sur la dissipation de la chaleur
Conductivité thermique	250-300 W/(m-K)	Meilleur que l'aluminium pur.
CTE (Coefficient de dilatation thermique)	Correspond aux semi-conducteurs (par exemple, Si, GaAs).	Réduit les contraintes thermiques dans l'électronique de haute puissance.
Coût	5-10× alliages d'aluminium standard.	Ne se justifie que dans des applications de niche.

Meilleur pour :
✔ Diodes laser de haute puissance, amplificateurs RF, électronique aérospatiale.
✔ Là où l'adéquation CTE est cruciale (par exemple, les modules d'alimentation).

Inconvénient :
✖ Extrêmement cher - n'est pas viable pour les produits de consommation.

Résumé : Choisir le bon alliage pour votre dissipateur thermique

Série alliage	Meilleur pour	Conductivité thermique	La force	Coût
1xxx (Al pur)	Dissipateurs thermiques à ailettes, diodes électroluminescentes	★★★★★ (~237 W/(m-K))	★★☆☆☆	$
6xxx (6063, 6061)	Électronique, automobile	★★★★☆ (~200 W/(m-K))	★★★★☆	$$
5xxx (5052, 5083)	Utilisation marine/extérieure	★★☆☆☆☆ (~130 W/(m-K))	★★★☆☆	$$
2xxx/7xxx (2024, 7075)	Aérospatiale/défense	★★☆☆☆☆ (~140 W/(m-K))	★★★★★	$$$$
Composites Al-SiC	RF de haute puissance, lasers	★★★★★ (~300 W/(m-K))	★★★★☆	$$$$$

3. Impact de la structure sur le refroidissement de l'aluminium

Si le choix des matériaux est essentiel, la conception structurelle d'un dissipateur thermique joue un rôle tout aussi important dans l'efficacité de la dissipation de la chaleur. Même le meilleur alliage d'aluminium ne sera pas aussi performant si la géométrie et la dynamique du flux d'air sont mal optimisées.

3.1 Géométrie des ailettes : Le cœur de la dissipation thermique

Les nageoires sont responsables de maximiser la surface pour transférer la chaleur à l'air ambiant. Les principaux paramètres sont les suivants

(1) Hauteur des ailettes (H) et espacement (P)

Paramètres	Fourchette optimale	Trop bas	Trop élevé
Hauteur (H)	5-50 mm (convection naturelle)<br>10-100 mm (air pulsé)	Surface réduite	Blocage du flux d'air (convection naturelle)
Espacement (P)	3-15 mm (en fonction du débit d'air)	Résistance à l'écoulement de l'air	Réduction de la surface de transfert de chaleur

Conseil de conception :

Pour convection naturelle, utiliser des ailettes plus hautes (20-50 mm) et plus espacées (5-15 mm)pour permettre à l'air chaud de s'élever.
Pour refroidissement par air pulsé, des ailettes plus courtes (10-30 mm) avec un espacement plus serré (3-8 mm)améliorer les turbulences.

(2) Forme des nageoires et texture de la surface

Type d'aileron	Avantage	Meilleur cas d'utilisation
Palmes droites	Facile à fabriquer	Électronique à faible coût
Palmes à épingles	20-30% plus de surface	Espaces compacts (par exemple, refroidisseurs de GPU)
Ailerons Wave/Offset	Perturbe l'écoulement laminaire → améliore la turbulence	Air pulsé à grande vitesse (serveurs, télécommunications)
Texturé/Sablé	+10-15% Efficacité de la convection	Refroidissement passif (pas de ventilateur)

3.2 Conception de la plaque de base : Le pont thermique

La plaque de base transfère la chaleur de la source (par exemple, l'unité centrale) aux ailettes. Principales considérations :

Paramètres	Valeur optimale	Impact sur les performances
Épaisseur	3-10 mm	Trop mince → congestion thermique<br>Trop épais → poids inutile
Planéité	≤0,05 mm/m	Une mauvaise planéité augmente la résistance thermique
Matériau	Base en cuivre + ailettes en aluminium (hybride)	Meilleur pour les puces à haute puissance (par exemple, les CPU)

Note critique :

A Base en aluminium de 6 mm d'épaisseur est la norme pour la plupart des appareils électroniques.
Pour Charges calorifiques >100W, a noyau de cuivre ou chambre à vapeur est recommandé.

3.3 Caloducs et chambres à vapeur : Augmenter l'efficacité

Lorsque la conductivité latérale de l'aluminium est insuffisante, technologies à changement de phase aident à répartir la chaleur de manière homogène.

Technologie	Comment ça marche	Meilleur pour
Caloducs	Évaporation/condensation d'un fluide pour transférer la chaleur	Ordinateurs portables, refroidisseurs de CPU
Chambres à vapeur	Diffuseur de chaleur plat et bidimensionnel	GPU haute puissance, LED

Gain de performance :

Conduites de chaleur peut réduire la résistance thermique de 40-60% par rapport à l'aluminium pur.
Chambres à vapeur sont idéales pour >150W/cm² points chauds.

4. Effets du traitement de surface sur le refroidissement de l'aluminium

Si la sélection des matériaux et la conception structurelle sont essentielles pour les performances des dissipateurs thermiques, les traitements de surface jouent un rôle vital dans l'amélioration de l'efficacité de la dissipation thermique, de la résistance à la corrosion et de la fiabilité à long terme. Différents traitements peuvent améliorer le rayonnement thermique, la convection et même le transfert de chaleur interfacial.

4.1 Anodisation : L'étalon-or des dissipateurs thermiques en aluminium

Anodisation crée une couche d'oxyde contrôlée sur l'aluminium, améliorant la durabilité et l'émissivité thermique.

Types d'anodisation et leur impact

Type	Épaisseur	Émissivité (ε)	Conductivité thermique Impact	Meilleur cas d'utilisation
Anodisation claire	5-25 µm	0,1-0,2 (faible)	Légère réduction (~5-10%)	Dissipateurs thermiques à usage général
Anodisation noire	10-25 µm	0,8-0,9 (élevé)	Réduction modérée (~10-15%)	Refroidissement passif, transfert de chaleur par rayonnement
Anodisation dure	25-100 µm	0.3-0.5	Réduction significative (~20-30%)	Applications industrielles à forte usure

Principaux avantages :
✔ Résistance à la corrosion - Protège contre l'oxydation et l'exposition aux produits chimiques.
✔ Emissivité améliorée (anodisation noire) - Renforce le refroidissement radiatif par 8-10× par rapport à l'aluminium nu.
✔ Isolation électrique - Prévient les courts-circuits dans les appareils électroniques.

Compromis :
✖ Conductivité thermique réduite - La couche d'oxyde est moins conductrice que l'aluminium pur.
✖ Des revêtements plus épais augmentent la résistance thermique - Maintenir l'anodisation <15 µm pour un transfert de chaleur optimal.

4.2 Revêtements de conversion chimique (chromate/phosphate)

Ces revêtements minces améliorent la résistance à la corrosion sans affecter de manière significative les performances thermiques.

Type de revêtement	Épaisseur	Effet sur le transfert de chaleur	Meilleur cas d'utilisation
Conversion du chromate	0,5-2 µm	Impact négligeable	Militaire, aérospatiale (lorsque la toxicité est acceptable)
Revêtement de phosphate	1-5 µm	Légère réduction (~3-5%)	Dissipateurs thermiques pour l'automobile et l'industrie

Avantages :
✔ Très fin - Impact minimal sur la résistance thermique.
✔ Améliore l'adhérence peinture/adhésif - Utile pour les dissipateurs thermiques revêtus.

Inconvénients :
✖ Amélioration limitée de l'émissivité - Moins efficace que l'anodisation pour le refroidissement par rayonnement.

4.3 Revêtement par poudre et peinture : Esthétiques mais thermiquement restrictifs

Revêtement en poudre apporte couleur et protection, mais peut entraver la dissipation de la chaleur.

Paramètres	Impact typique	Recommandation
Épaisseur	30-100 µm	Éviter sur les dissipateurs thermiques de forte puissance
Émissivité	0,4-0,8 (selon la couleur)	La peinture noire aide légèrement
Résistance thermique	Élevée (réduction du refroidissement de 20-50%)	A n'utiliser que sur des dissipateurs de chaleur de faible puissance ou décoratifs

Quand l'utiliser ?

Electronique grand public où l'apparence est importante.
Applications à faible consommation d'énergie (par exemple, les boîtiers de LED).

À éviter si :

Des performances thermiques élevées sont nécessaires - Le revêtement agit comme un isolant.

4.4 Texturation mécanique (sablage, brossage)

La modification de la rugosité de la surface peut améliorer l'efficacité de la convection.

Traitement	Rugosité de la surface (Ra)	Effet sur le refroidissement
Sablage	3-10 µm	+10-15% Efficacité de la convection
Brossage	1-5 µm	+5-10% efficacité de la convection

Pour :
✔ Pas de résistance thermique supplémentaire - Modifie uniquement la texture de la surface.
✔ Rentabilité - Aucun processus chimique n'est nécessaire.

Cons :
✖ Pas d'amélioration du refroidissement radiatif - Ne favorise que la convection.

Meilleur pour :

Systèmes de refroidissement à air pulsé (par exemple, les dissipateurs thermiques des serveurs).
Échangeurs de chaleur industriels.

4.5 Placage (nickel, argent, or) - Niche mais efficace

L'électrodéposition peut améliorer la conductivité ou la résistance à la corrosion.

Type de placage	Conductivité thermique	Meilleur cas d'utilisation	Inconvénients
Nickelage	~90 W/(m-K)	Protection contre la corrosion	Ajoute ~0,2 K-cm²/W de résistance thermique
Placage d'argent	~429 W/(m-K)	Refroidissement ultra performant	Cher, se ternit avec le temps
Placage d'or	~318 W/(m-K)	Applications RF/spatiales (résistant à l'oxydation)	Extrêmement coûteux

Quand faut-il l'envisager ?

Placage argent pour des performances thermiques extrêmes (par exemple, les supraconducteurs).
Nickelage pour les environnements humides/marins.

Résumé : Choisir le bon traitement de surface

Traitement	Meilleur pour	Impact thermique	Coût
Anodisation noire	Refroidissement passif, haute émissivité	★★★★☆ (rayonnement optimal)	$$
Anodisation claire	Protection générale contre la corrosion	★★★☆☆☆ (impact minimal)	$
Sablage	Amélioration de la convection forcée	★★★★☆ (meilleure circulation de l'air)	$
Nickelage	Utilisation marine/extérieure	★★☆☆☆☆ (ajoute de la résistance)	$$$
Revêtement par poudre	Applications esthétiques	★☆☆☆☆ (isolant)	$$