Processus et principe de fabrication des dissipateurs thermiques et des refroidisseurs de processeur

La chaleur émanant du cœur du processeur vers la surface de dissipateur de chaleur La conduction thermique est un processus essentiel. La base d'un dissipateur thermique, en contact direct avec une petite source de chaleur intense, doit pouvoir évacuer rapidement cette chaleur. L'utilisation de matériaux à conductivité thermique élevée pour les dissipateurs thermiques contribue à améliorer l'efficacité de la conduction thermique. Un tableau comparatif des systèmes de conduction thermique montre que, par exemple, la conductivité thermique de l'aluminium est de 237 W/mK, contre 401 W/mK pour le cuivre. À volume égal, le cuivre pèse trois fois plus que l'aluminium, tandis que sa capacité thermique massique est seulement 2,3 fois supérieure. Ainsi, à volume égal, un radiateur en cuivre peut emmagasiner plus de chaleur qu'un radiateur en aluminium et chauffe plus lentement. À épaisseur de base égale, le cuivre dissipe non seulement rapidement la chaleur de la source (comme la puce du processeur), mais sa propre température s'élève également moins vite que celle du dissipateur en aluminium. Par conséquent, le cuivre est plus adapté à la base d'un dissipateur thermique.

Cependant, l'assemblage de ces deux métaux est plus complexe, l'affinité entre le cuivre et l'aluminium étant faible. Un joint mal réalisé engendre une résistance thermique interfaciale importante (due à un contact insuffisant entre les deux métaux). Lors de la conception et de la fabrication, les fabricants s'efforcent de minimiser cette résistance thermique interfaciale afin d'éviter les défauts, ce qui témoigne souvent de leur savoir-faire en matière de conception et de processus de fabrication.

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

collage par brochette

Le soudage à l'électrode enrobée utilise un métal d'apport dont le point de fusion est inférieur à celui du matériau de base. Lorsque la température de fusion est inférieure à celle du matériau de base et supérieure à celle de l'électrode, on utilise une brasure liquide pour mouiller le matériau de base, remplir l'espace entre les joints, puis la condenser pour former une interface de joint solide. Les principales étapes sont : le prétraitement des matériaux, l'assemblage, le chauffage et le soudage, le refroidissement, et le post-traitement. Le soudage par électrodes enrobées le plus couramment utilisé est le soudage à l'électrode enrobée d'étain. 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 et constitue le principal obstacle. Il est nécessaire d'éliminer cette couche, soit par voie chimique, soit par dépôt d'une couche de nickel ou d'un autre métal facilement soudable, afin de pouvoir souder le cuivre et l'aluminium facilement.

La base en cuivre du dissipateur thermique sert à la conduction de la chaleur, ce qui nécessite non seulement une résistance mécanique, mais surtout une grande surface de soudure (le taux de soudure doit être élevé) afin d'améliorer efficacement les performances de dissipation de la chaleur ; sinon, non seulement les performances de dissipation de la chaleur ne seront pas améliorées, mais elles seront même pires que celles d'un dissipateur thermique entièrement en alliage d'aluminium.

CMS et verrouillage par vis

Le procédé de patch consiste à fixer une fine feuille de cuivre à la surface inférieure en aluminium à l'aide de vis. Son objectif principal est d'accroître la capacité d'absorption thermique instantanée du dissipateur et d'allonger la durée de vie de certains dissipateurs thermiques en aluminium pur, dont la conception est éprouvée. Les tests ont démontré que l'utilisation d'un matériau thermoconducteur haute performance entre la base du dissipateur en aluminium et le bloc de cuivre, combinée à une force de compression de 80 kgf grâce à des vis de fixation, offre une dissipation thermique comparable à celle obtenue par brasage cuivre-aluminium, permettant d'atteindre l'amélioration attendue de l'efficacité thermique et de la dissipation de chaleur.

Cette méthode est plus simple que le soudage, offre une qualité stable, un procédé simple et un coût d'investissement en équipement inférieur, mais il ne s'agit que d'une amélioration, de sorte que le gain de performance n'est pas évident. Bien que remplie 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 procédés de fabrication sont : la découpe de la feuille de cuivre, l’étalonnage (planéité inférieure à 0,1 mm), le perçage, l’application d’un milieu thermoconducteur, le taraudage, le nettoyage, un programme de pré-pression important, une opération de verrouillage en deux étapes, des vis de verrouillage à couple fixe.

Le processus de patch vise à contrôler la planéité et la rugosité du cuivre et de l'aluminium, ainsi que le couple de serrage des vis de blocage, entre autres facteurs, afin d'obtenir une certaine efficacité et de combiner efficacement le cuivre et l'aluminium. Si les performances du matériau thermoconducteur utilisé sont médiocres ou si la planéité du bloc de cuivre est insuffisante, la chaleur ne sera pas correctement conduite vers la surface du dissipateur thermique en aluminium, ce qui réduira considérablement l'efficacité de la dissipation thermique. De plus, la force de serrage des vis et le manque de pureté du cuivre sont des facteurs influents indésirables.

Bouchon en cuivre, cuivre intégré

Il existe deux principales méthodes d'intégration du cuivre. La première consiste à l'incorporer directement dans la plaque de base en aluminium, une technique courante pour les radiateurs fabriqués par extrusion d'aluminium. Cependant, la faible épaisseur de cette plaque limite le volume de cuivre incorporé. L'objectif principal de cette incorporation est d'améliorer la capacité d'absorption thermique instantanée du radiateur, mais le contact avec l'aluminium reste très limité. De ce fait, ce type de radiateur cuivre-aluminium n'est généralement pas beaucoup plus performant qu'un radiateur en aluminium seul, et en cas de mauvais contact, la dissipation thermique peut même être compromise. L'autre méthode consiste à utiliser des plots de cuivre intégrés dans les ailettes radiales d'un radiateur en aluminium, une conception initialement développée par Intel. Ces plots, plus larges, offrent une surface de contact plus importante avec le radiateur. Grâce à ces piliers de cuivre, la capacité thermique et l'absorption thermique instantanée du dissipateur sont améliorées. Cette conception est également privilégiée par les fabricants d'équipement d'origine (OEM).