Procédé et principe de fabrication d'un dissipateur thermique et d'un refroidisseur de processeur

Chaleur émanant du cœur du processeur vers la surface dudissipateur de chaleurLa conduction thermique est un processus. La base du dissipateur thermique, en contact direct avec une petite source de chaleur à forte chaleur, doit pouvoir évacuer rapidement la chaleur. L'utilisation de matériaux à haute conductivité thermique pour les dissipateurs thermiques contribue à améliorer l'efficacité de la conduction thermique. Le tableau comparatif des systèmes de conduction thermique montre que la conductivité thermique de l'aluminium est de 237 W/mK et celle du cuivre de 401 W/mK. À volume de radiateur identique, le cuivre pèse trois fois plus lourd que l'aluminium, tandis que sa chaleur spécifique n'est que de 2,3 fois supérieure à celle du cuivre. Ainsi, à volume de radiateur identique, le cuivre absorbe plus de chaleur que l'aluminium et chauffe plus lentement. À épaisseur de base de radiateur identique, le cuivre évacue rapidement la chaleur de la source, comme celle de la puce du processeur, et sa montée en température est plus lente que celle du dissipateur thermique en aluminium. Le cuivre est donc plus adapté à la base d'un dissipateur thermique.

Cependant, la combinaison de ces deux métaux est plus complexe : l'affinité entre le cuivre et l'aluminium est faible. Si l'assemblage n'est pas correctement réalisé, il en résultera une résistance thermique d'interface importante (la résistance thermique entre les deux métaux étant due à un contact insuffisant). Lors de la conception et de la fabrication, les fabricants s'efforcent toujours de réduire au maximum la résistance thermique d'interface afin d'éviter les défauts, qui reflètent souvent les capacités de conception et le procédé de fabrication du fabricant.

Les procédés courants de liaison du cuivre et de l'aluminium comprennent :

Collage de brochettes

Le soudage à l'électrode enrobée consiste à utiliser une soudure dont le point de fusion est supérieur à celui du matériau de base. En cas de point de fusion inférieur à celui du matériau de base et supérieur à celui de la soudure, on utilise une soudure liquide pour mouiller le matériau de base, combler les espaces entre les joints, puis condenser la soudure pour former une interface solide. Les principaux procédés sont : le prétraitement des matériaux, l'assemblage, le chauffage et le soudage, le refroidissement, le post-traitement, etc. Le soudage à l'étain est couramment utilisé. La surface de l'aluminium, exposée à l'air, forme une couche d'oxyde très stable (AL2O3), ce qui rend le soudage du cuivre et de l'aluminium plus difficile, ce qui constitue le principal obstacle au soudage. Cette couche doit être retirée ou éliminée chimiquement et plaquée d'une couche de nickel ou d'un autre métal soudable, afin que le cuivre et l'aluminium puissent être soudés ensemble sans problème.

La base en cuivre du dissipateur thermique est destinée à la conduction thermique, ce qui nécessite non seulement une résistance mécanique, mais plus important encore, une grande surface de soudure (le taux de soudure doit être élevé) afin d'améliorer efficacement les performances de dissipation thermique, sinon cela ne sera pas seulement pas améliorer les performances de dissipation thermique, mais aussi le rendre encore pire que le dissipateur thermique entièrement en alliage d'aluminium.

CMS et verrouillage à vis

Le procédé de patch consiste à associer une fine feuille de cuivre à une surface inférieure en aluminium, au moyen de vis. L'objectif principal est d'augmenter la capacité d'absorption thermique instantanée du dissipateur thermique et de prolonger la durée de vie de certains dissipateurs thermiques en aluminium pur, déjà bien conçus. Les essais ont montré que l'utilisation d'un matériau conducteur thermique haute performance entre la base du dissipateur en aluminium et le bloc de cuivre, ainsi que l'application d'une force de compression de 80 kgf à l'aide de vis pour le fixer, produisent une dissipation thermique comparable à celle d'une soudure cuivre-aluminium, permettant d'atteindre l'efficacité thermique attendue et d'améliorer la dissipation thermique.

Cette méthode est plus simple que le soudage, offre une qualité stable, un procédé simple et un coût d'investissement en équipement inférieur, mais ne constitue qu'une amélioration, de sorte que l'amélioration des performances n'est pas évidente. Bien que rempli de pâte thermique, le contact incomplet entre la feuille de cuivre et la base en aluminium reste le principal obstacle au transfert de chaleur.

Les principaux processus de fabrication sont : la découpe de tôles de cuivre, l'étalonnage (planéité inférieure à 0,1 mm), le perçage, l'application d'un milieu conducteur thermique, le taraudage, le nettoyage, un programme de pré-pression puissant, une opération de verrouillage en deux étapes, des vis de verrouillage à couple fixe.

Le processus de patching se concentre sur le contrôle de la planéité et de la rugosité du cuivre et de l'aluminium, ainsi que du couple de serrage des vis de blocage et d'autres facteurs. Il permet d'obtenir un certain degré d'efficacité. L'association du cuivre et de l'aluminium est une bonne méthode. Si le support de conduction thermique utilisé est peu performant ou si le bloc de cuivre est mal plan, la chaleur ne sera pas correctement conduite vers la surface du dissipateur thermique en aluminium, ce qui réduira considérablement la dissipation thermique. De plus, la force de blocage des vis et le manque de pureté du cuivre sont des facteurs indésirables.

Bouchon en cuivre Cuivre incorporé

Il existe deux principales méthodes d'insertion du cuivre : l'une consiste à l'intégrer dans la plaque de base en aluminium, une méthode courante pour les radiateurs extrudés en aluminium. L'épaisseur limitée de la base du radiateur en aluminium limite le volume de cuivre intégré. L'augmentation de la feuille de cuivre vise principalement à renforcer la capacité d'absorption thermique instantanée du radiateur. Le contact avec le radiateur en aluminium est également très limité. Ainsi, la plupart du temps, ce type de radiateur cuivre-aluminium n'est guère plus performant que le radiateur en aluminium, et en cas de mauvais contact, il peut même empêcher la dissipation thermique. Il existe également un radiateur en aluminium avec des plots en cuivre intégrés dans des ailettes radiales, modèle du radiateur d'origine d'Intel. Les plots en cuivre sont plus grands et offrent un meilleur contact avec le radiateur. L'utilisation de piliers en cuivre permet d'améliorer la capacité thermique et l'absorption thermique instantanée du dissipateur thermique. Cette conception est également davantage utilisée par les OEM.