Le remplacement du cuivre par l'aluminium est devenu une tendance irréversible dans le domaine des dissipateurs thermiques à ailettes biseautées. Les principaux facteurs déterminants sont le coût, la légèreté et la sécurité des ressources, et l'écart de performance est comblé par l'innovation des procédés (technologie de biseautage, conception de microcanaux). Dans les applications classiques, les solutions en aluminium sont largement utilisées dans des environnements à haut rendement tels que les centres de données et les véhicules à énergies nouvelles. Cependant, remplacer le cuivre par l'aluminium ne se résume pas à un simple remplacement de matériau, mais à un projet systématique qui nécessite une optimisation complète, du choix du matériau à la conception structurelle, en passant par le processus de fabrication et les scénarios d'application, afin d'atteindre le meilleur équilibre entre coût et performance. Cet article explore en profondeur les principales avancées technologiques et solutions d'application de ce remplacement.

1-Aluminium vs. Cuivre : Propriétés des matériaux et défis du remplacement

Pour évaluer scientifiquement la faisabilité du remplacement du cuivre par l'aluminium, il est essentiel de comprendre les différences de propriétés physiques fondamentales des deux métaux dans les applications de dissipation thermique :

Tableau 1 : Comparaison complète des propriétés des matériaux de dissipation thermique en aluminium et en cuivre

Les performances du dissipateur thermique dépendent non seulement de la conductivité thermique du matériau, mais aussi de ses caractéristiques de capacité thermique et de sa surface d'utilisation. La différence de propriétés physiques entre l'aluminium et le cuivre détermine la limite de faisabilité de la substitution :

a. Relation dialectique entre conductivité thermique et capacité thermique

·Avantage immédiat du cuivre : conductivité thermique élevée (385 W/m·K), diffusion thermique initiale plus rapide ;

·Percée de l'aluminium à l'état stationnaire : capacité thermique massique élevée (900 J/kg·K, soit 2,3 fois celle du cuivre), augmentation de 133 % de la capacité de stockage thermique par unité de masse, faible densité (2,7 g/cm³, soit 30 % de cuivre), augmentation de 40 % de la surface de dissipation thermique pour un même volume, et équilibre à long terme obtenu grâce à une surface plus importante pendant la phase de dissipation thermique continue.

b. Ajout d'adaptation thermique

Le coefficient de dilatation thermique de l'aluminium (23,1 × 10⁻⁶/K) est proche de celui du substrat PCB (13-18 × 10⁻⁶/K), ce qui réduit le risque de défaillance due aux contraintes thermiques.

De plus, cette tendance est portée par un changement de perspective de performance : une réduction de la conductivité thermique locale est acceptée en échange d'un allègement du système, d'une optimisation des coûts et d'une meilleure durabilité.

2-Avancées majeures dans le processus de fabrication

a. Avancée majeure dans le système de matériaux : optimisation de la composition des alliages et contrôle de la dureté

· Points faibles habituels : les matériaux en aluminium traditionnels (comme l'aluminium pur 1060) ont une faible dureté (24-38HB) et sont faciles à raboter, mais l'usinage ultérieur a tendance à coller à l'outil ; l'alliage d'aluminium 6063 a une dureté élevée (34-42HB), ce qui facilite l'usinage ultérieur, mais la hauteur de rabotage est limitée (≤ 50 mm). · Point décisif : Grâce à l’optimisation de la composition de l’alliage (Si 0,25 %, Mg 0,41 %) et à l’innovation des procédés de fusion et de coulée (homogénéisation à 556 °C + extrusion à 430 °C / trempe à 490 °C), la dureté des matériaux en aluminium est contrôlée par étapes : une faible dureté de 32 à 39 HB est maintenue avant l’ailette ébavurée (pour garantir l’usinage d’ailettes de 70 mm de haut) et une dureté de 55 à 64 HB est atteinte après l’ailette ébavurée (pour résoudre le problème d’adhérence à l’outil pendant l’usinage).

·Contrôle des impuretés et équilibre de la conductivité thermique : Grâce à un contrôle élevé de la pureté de Fe ≤ 0,11 % et de Cu ≤ 0,02 % (base aluminium à 99,70 %), une conductivité thermique élevée est maintenue tout en améliorant l’efficacité de l’usinage, de sorte que les radiateurs en aluminium à ailettes hautes offrent à la fois des performances d’usinage et une résistance à l’usure.

b. Différence essentielle entre la dureté du matériau et la réponse à la coupe : Le principal avantage de l’aluminium pour la réalisation d’ailettes ultra-fines réside dans ses caractéristiques d’écrouissage et ses exigences en matière de force de coupe. Analyse technique :

· Les propriétés souples du cuivre permettent le rabotage des ailettes : l’extrusion de l’outil provoque facilement une accumulation de matière à la base de l’ailette (effet de « curling »).

La zone de film mince présente une déformation plastique importante (taux d’instabilité élevé lorsque l’épaisseur est inférieure à 0,1 mm). Le degré d’écrouissage est faible et la structure ne peut être renforcée par déformation.

· Lors du rabotage de l’alliage d’aluminium : l’écrouissage améliore significativement la rigidité de l’ailette (la résistance de l’alliage 6063 est améliorée après durcissement à froid). La faible force de coupe permet l’utilisation d’outils à lame fine plus précis. La faible récupération élastique (environ 1/3 du cuivre) garantit la précision géométrique de l’ailette.

c. Percée dans les limites structurelles et optimisation des coûts

La conception d’ailettes ultra-minces vise essentiellement à maximiser le rapport surface/volume, et les propriétés physiques de l’aluminium sont plus adaptées à cet objectif.

Tableau 2 : Comparaison des paramètres des dissipateurs thermiques à ailettes biseautées en aluminium et en cuivre

Des profilés en aluminium à section simple (plaque/rainure) remplacent les moules complexes, réduisant ainsi les coûts de moulage de 60 %. La production en petites séries utilise directement des ailettes biseautées (sans moule) pour s'adapter aux besoins spécifiques.

3-Essence de la tendance : L'optimisation du système remplace l'égoïsme matériel

L'intérêt principal du dissipateur thermique à ailettes biseautées en aluminium réside dans l'optimisation complète du système, plutôt que dans le remplacement d'une seule performance de conductivité thermique.

·Avantage technique : Réaliser une percée synergétique en matière de dissipation thermique légère et efficace grâce à une structure à ailettes multiples, un procédé d'ailettes fines et un moulage monobloc.

·Avantage de l'intégration légère : Dans des domaines émergents tels que les nouvelles énergies et la 5G, la légèreté et le coût sont devenus des indicateurs plus critiques que la conductivité thermique absolue, et les avantages dérivés ont été améliorés.

·Économie sur l'ensemble du cycle : Le coût initial ne représente que 45 % de celui de la solution en cuivre, et la réduction de la consommation d'énergie du ventilateur induite par l'allègement permet un retour sur investissement rapide. ·Fondement de fabrication durable : les caractéristiques de l'industrie, à savoir une capacité de production d'aluminium suffisante et un taux de récupération > 95 %, garantissent la stabilité de la chaîne d'approvisionnement.

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