Pourquoi les dissipateurs thermiques isolants sont-ils si rares? Est-ce juste un coût?

Edit: Il semble que ma question initiale (pourquoi n'y a-t-il pas de dissipateurs thermiques isolants?) Était basée sur une fausse prémisse, et il y a en fait des dissipateurs thermiques isolants - je n'ai tout simplement pas pu les trouver avec une recherche rapide. Donc, à la place, je change cela pour demander leur rareté à la place.

Les dissipateurs thermiques semblent être presque universellement faits d'aluminium, de cuivre ou d'une combinaison de ceux-ci. C'est logique; l'aluminium et le cuivre sont faciles à travailler et ont une conductivité thermique élevée. Mais le diamant a l'une des conductivités thermiques les plus élevées de toutes les substances connues - il est évident, bien sûr, que le diamant du type approprié pour être utilisé comme dissipateur thermique serait excessivement cher pour le moins, car il devrait probablement être un seul cristal de qualité gemme, mais ne serait-il pas possible d'utiliser, par exemple, du nitrure de bore cubique, qui a une conductivité thermique similaire?

Et oui, les difficultés de fabrication avec la fabrication d'un grand monocristal de c-BN seraient probablement à peu près les mêmes que la fabrication d'un grand monocristal de diamant, mais je m'attends à ce que le prix final ne soit pas autant parce qu'il n'y a pas de groupe De Beers à venez après vous pour le nitrure de bore. Et il y a sûrement d'autres composés non métalliques qui ont une bonne conductivité thermique, et certains d'entre eux seraient probablement mieux adaptés à la fabrication. Je doute qu'ils seraient même en mesure d'approcher le prix de l'aluminium extrudé, mais parfois vous avez besoin de meilleures performances.

Donc, en résumé, ma question est: est-ce seulement le coût qui rend les dissipateurs thermiques non métalliques si rares, ou y a-t-il d'autres inconvénients qui les rendent moins souhaitables en dehors des applications les plus ésotériques?

Une autre chose que les autres réponses ne semblent pas couvrir, c'est que vous n'avez besoin que d'une très mince couche d'isolant électrique (à des tensions modestes) tandis que la partie dissipatrice de chaleur d'un dissipateur thermique fonctionne mieux si elle est épaisse. Il est donc plus efficace d'utiliser une mince barrière électriquement isolante suivie d'un dissipateur thermique épais, bon marché et facile à fabriquer qu'il ne le serait d'utiliser une seule pièce d'un matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant. Les quelques matériaux qui existent (comme le diamant) ne peuvent pas être extrudés ou autrement facilement façonnés en forme de dissipateur thermique. Certains peuvent être frittés mais le frittage ne peut généralement pas atteindre la conductivité thermique du matériau en vrac. L'effet d'ingénierie de toute cette science des matériaux est que nous finissons par faire ce que nous avons toujours fait.

Un autre facteur est la politique des stocks: en stockant des dissipateurs thermiques robustes et encombrants et un plus petit nombre (car ils ne sont pas toujours nécessaires) de petits tampons isolants délicats, votre stock occupe moins d'espace de stockage et de capital que si vous stockiez deux types de dissipateurs thermiques volumineux. Le coût et les performances sont meilleurs sans l'isolateur lorsqu'il n'est pas nécessaire.

Ce n'est guère un nouveau problème; ceux d'entre nous d'un certain âge se souviennent des dissipateurs thermiques avec isolants en mica pour les boîtiers TO-220 et TO-3.

Le problème (à l'époque) était à la fois le coût et la disponibilité des matériaux et la science des matériaux. Nous avons parcouru un long chemin dans notre compréhension de la conductivité thermique de divers composés au fil des ans, mais il s'agit encore d' une technologie relativement nouvelle (il y a des choses comme les coussinets thermoconducteurs qui existent depuis des décennies mais qui ne sont pas vraiment des dissipateurs de chaleur en eux-mêmes) droite).

Le TO-220 a le dissipateur de chaleur sur le collecteur / drain de l'appareil, qui est généralement à une tension élevée, donc l'arrangement typique a utilisé cette technique:

Source .

Il n'était pas rare d'utiliser également de la pâte thermique pour maximiser le transfert de chaleur.

Maintenant, cela n'explique pas vraiment la rareté relative des dissipateurs thermiques isolés intégrés; cela se résume vraiment à «est-ce nécessaire» ou puis-je simplement utiliser la méthode bien connue d'un dissipateur thermique et d'un matériau barrière électriquement isolant qui est moins cher (du moins, c'est aujourd'hui).

L'ancienne méthode éprouvée a bien fonctionné pendant de nombreuses décennies, mais pour certaines applications (en particulier celles des petits appareils), une telle solution peut ne pas convenir.

Il y a tout à fait quelques offres disponibles , mais ils ont tendance à être un peu plus cher (sur une base par watt). Il y a aussi beaucoup de recherches sur d'autres matériaux .

Bien sûr, pour le facteur bling, vous pouvez utiliser ces .

Cela se résume donc à un certain nombre de choses et le coût est un facteur majeur. Je noterai également qu'un marché important pour les dissipateurs thermiques concerne les processeurs et les GPU où le boîtier du circuit intégré est de toute façon électriquement isolé.

Les dissipateurs thermiques en polymère méritent une mention. Les dissipateurs thermiques en polymère ne sont pas si rares. Je rencontre de temps en temps des dissipateurs thermiques en polymère pour l'industrie, l'automobile et les biens de consommation. Ils sont souvent difficiles à reconnaître comme dissipateurs de chaleur, car ils peuvent avoir une deuxième fonction mécanique (une enceinte, un support, un réflecteur de lampe). Ces dissipateurs de chaleur sont toujours des pièces moulées par injection personnalisées.

$\mathrm{20 \frac {W} {m\cdot K} }$$\mathrm{200 \frac {W} {m\cdot K} }$ ) dissipateur thermique avec la même géométrie.

E2 est le plastique ( source )

Quelques discussions supplémentaires dans cette ancienne réponse .

Le problème avec un dissipateur de chaleur, c'est qu'il n'y a vraiment que deux façons d'éliminer la chaleur, la conduction et le rayonnement.

Donc, en fin de compte, en supposant que votre emmisivité est raisonnablement proche de 1 (ne compte vraiment que si vous pouvez exécuter HOT, la perte de puissance du rayonnement est la 4e puissance de la température absolue), et vous pouvez faire en sorte que la chose ait un bon contact thermique avec le milieu de refroidissement environnant (Air , l'eau, peu importe), ce que vous en faites n'a que peu d'importance (cette interface est le tueur pour les performances, pas la conductivité thermique en vrac du dissipateur thermique).

Désormais, il est clair que vous devez concevoir le dissipateur thermique de manière à ce que la chaleur le traverse de manière raisonnablement efficace et dans la zone où il y a beaucoup de densité de flux de puissance qui pourrait plaider pour autre chose qu'allié, pour l'essentiel de la chose où vous avez beaucoup de métal. pour maintenir le delta T bas, le moins cher est le meilleur.

Pour un dissipateur de chaleur ou une rondelle isolante, il est bien sûr différent, des dissipateurs de chaleur sont par définition utilisés lorsque la densité de flux de puissance est très élevée et qu'une résistance thermique minimale est une très bonne chose, d'où l'utilisation habituelle du cuivre dans ce rôle.

Pour l'isolateur, vous voyez des matériaux exotiques utilisés, car un bon conducteur thermique qui est également un isolant électrique n'est pas si courant, donc le nitrure de bore, l'alumine, l'oxyde de béryllium (!) Et autres voient tous le service ici, et je ne serais pas choqué par quelqu'un qui utilise du diamant (probablement dans un appareil RF étrange).

D'un point de vue technique, il est certainement possible de fabriquer des dissipateurs thermiques avec des tampons isolants intégrés. La raison pour laquelle ils ne le font pas est d'ordre économique.

Entre les différents choix mécaniques, électriques et thermiques, il existe de nombreuses combinaisons différentes. Si l'isolateur et le dissipateur thermique étaient une seule pièce, les fournisseurs devraient stocker beaucoup plus de références uniques.

En intégrant l'isolateur et le dissipateur de chaleur dans des produits uniques, l'utilisateur a beaucoup plus de choix.

Voici quelques éléments à considérer.

1) Dans de nombreux cas, l'utilisateur utilisera des coussinets d'espacement entre les dissipateurs de chaleur et les composants chauds pour récupérer le jeu dans les tolérances mécaniques. Cela signifie que chaque utilisateur voudra que le tampon soit d'une épaisseur différente.

2) Les matériaux des coussinets isolants thermiques varient en fonction de leur capacité à s'adapter aux surfaces rugueuses. Il y a souvent un échange entre la façon dont la matière est molle et la façon dont elle conduit la chaleur.

3) Différents utilisateurs auront des exigences d'isolation différentes en termes de tension. Il existe un compromis entre la tension d'isolement, l'épaisseur du matériau et la résistance thermique.

3) L'ajout d'un isolant entre un dissipateur thermique et une pièce a une pénalité en termes de résistance thermique. S'il est possible de ne pas utiliser de couche isolante, vous obtiendrez alors les meilleures performances thermiques.

Le meilleur compromis est de réaliser une couche extrêmement mince de grande surface avec une tension nominale élevée [kV / mm] avec une dureté suffisante pour ne pas être coupée ou perforée, mais doit également être peu coûteuse.

Les caractéristiques de l'isolant thermiquement conducteur comprennent;

Cost-effective
Resistant to tears and cut-through
High dielectric strength
UL94 VO rated options available
Low ageing rate: Pads do not dry out, ooze out or crack  
Gap Filling, if burrs, roughness or planarity is a problem
Compatibility (gas sensors must be non-silicone and LED interfaces must be non-organic)
Low dielectric constant for capacitance load on collector/drain tabs on high dV/dt high voltage drivers

Tous les isolateurs électriques sont des "diélectriques". Tous les dissipateurs thermiques sont de bons conducteurs thermiques.
Pourtant, dans les solides, il peut être coûteux d'avoir les deux comme bonnes caractéristiques.
Matériaux à changement de phase qui transforment le fluide sous pression pour en faire une solution possible.

Les processeurs ont tendance à utiliser du verre céramique comme dessus thermique du dissipateur thermique en raison de propriétés extrêmement plates.

Pour les triacs à tension de ligne, le Mica était le meilleur matériau pour la protection contre les impulsions de 5 kV et la conduction thermique avec de la graisse thermique.

Les fluides diélectriques comme l'huile de transformateur sont également de bons isolants thermiques avec le flux de chaleur.

Chiffres de mérite pour la comparaison des matériaux utilisés par les isolants thermoconducteurs;

Conductivité thermique [W / mK] ,
épaisseur [um] , dureté Shore [00] ,
rigidité diélectrique [kV / mm] et
impédance thermique [˚C-cm² / W]

$\frac{V}{mm} \cdot \frac{°C\cdot mm}{W}$$\frac{kV}{mm} /\frac{W}{m-K}$.

Solutions traditionnelles; ont été du Mica, du ruban 3M et quelques bandes de polymères.

La meilleure solution économique d'Aavid Thermalloy est:

Thermalsil III

  uses finely woven glass cloth with a silicone elastomer binder 0.152mm thick
  Dielectric Strength :  26 kV/mm     
  Thermal Conductivity: 0.92 W/m'C   
  UL 94V-0

Pour l'évacuation de la chaleur par air forcé, ce n'est pas le CFM qui compte, mais il est souvent rapporté, c'est plutôt la vitesse turbulente de l'air de surface qui contrôle le refroidissement en moyenne [m / s].

Le produit de ces deux paramètres conduit aux meilleures propriétés du matériau mais pas au moins cher.

En fait, il existe une bonne solution: l'aluminium. Aluminium anodisé. L'anodisation transforme la surface en oxyde d'aluminium, qui est un isolant. Bonne nouvelle: la surface est augmentée pour aider à conduire la chaleur vers l'air ambiant; Mauvaise nouvelle pas une surface plane et lisse pour entrer en contact avec le dispositif d'alimentation produisant de la chaleur. Solution: composé thermique (alias «graisse»). Remarques importantes: il existe plusieurs procédés pour anodiser l'aluminium. La plupart des jolies choses sont "Classe I" qui est douce ou "Classe II" qui est modérément dure. Vous pouvez utiliser la classe II S'il n'y a pas de mouvement relatif de l'appareil à refroidir et qu'il est solidement fixé au dissipateur de chaleur et qu'il n'y a pas de bavures ou de rayures, cela fonctionne bien. Trop de " si " s & ""C'est pour vous? Ensuite, l'anodisation" Classe III "est ce que vous voulez. Elle a tendance à être de couleur inégale et le noir a une teinte brunâtre ou violacée. Elle est presque aussi dure que les diamants et à peu près résistante aux rayures. Encore besoin de graisse, mais pas d'isolateur à des tensions raisonnables. Les militaires et l'aérospatiale l'utilisent depuis plus de 50 ans, soit comme des rondelles anodisées minces (~ 0,025 ") (similaires aux isolateurs TO-3 en mica perforé) ou dans toute l'enceinte (pensez aux missiles). Difficile à trouver de nos jours et coûte plus cher que d'autres solutions, mais fait bien le travail.

Pour la "graisse", utilisez du silicone (non à base de pétrole), de l'oxyde d'aluminium (pas de l'oxyde de zinc) de Dow, Shin-Etsu, Fuji-Poly ou Saint-Gobain. La boutique à base d'argent et de cuivre pour l'overclocking des joueurs sur PC est à la fois coûteuse et conductrice. C'est correct avec l'anodisation de classe III, tant qu'il ne migre pas, ne tombe pas, ne se dessèche pas, ne se poudre pas ou ne s'écaille pas, etc. Si vous avez vraiment besoin de coupler beaucoup de chaleur avec de la graisse, l'oxyde de béryllium est plusieurs fois meilleur que l'oxyde d'aluminium. Traitez-le comme de l'amiante: ne le léchez pas, ne le mangez pas, ne le respirez pas. C'est un irritant pour la peau, alors portez des gants et préparez-vous à l'assaut d'une "chasse aux sorcières toxiques". Ces graisses doivent seulement avoir une épaisseur de 0,0001 "à 0,0005" sous l'appareil (sorte de translucide). Appliquer avec une petite raclette en plastique ou en métal; pour les volumes de production, utilisez un pochoir (même type de matériau de pochoir que celui utilisé pour la pâte à souder ~ 0,005 "SS) et une raclette.

J'ai vu des dissipateurs de chaleur avec un mince revêtement en céramique dans la zone de montage, mais la différence de Cte ​​est un problème et peut fissurer la céramique mince.

J'espère que cela aide, je l'ai obtenu après plus de 40 ans d'errance entre les électrons et les trous d'électrons.

Dans l'ensemble, je soupçonne qu'éviter «l'usure» sur le terrain et le remplacement coûteux qui en résulte est une raison clé pour les applications générales évitant les dissipateurs thermiques cristallins. Cela ne veut pas dire que les dissipateurs métalliques ne manquent jamais sur le terrain. Mais en règle générale, le remplacement des dissipateurs métalliques sur le terrain serait beaucoup moins cher et nécessiterait un équipement beaucoup moins spécialisé que les dissipateurs cristallins.

C'est-à-dire au départ que les dissipateurs thermiques cristallins seraient généralement coûteux à usiner pour la mise en forme et une certaine rupture correcte se produirait en raison de contraintes thermiques et mécaniques. Vous pourriez toujours rester dans les coûts totaux acceptables si tout ce qui s'était passé à l'usine de dissipateur thermique spécial. Mais il n'est pas rare que les fabricants d'applications finales aient besoin de couper le dissipateur thermique pour s'adapter, etc.

Une deuxième fois dans une application sur le terrain, de nombreux dissipateurs thermiques subissent des chocs thermiques et mécaniques et des vibrations qui pourraient être en dehors du taux de survie de 100% pour les dissipateurs thermiques cristallins. Les bons vieux dissipateurs métalliques, en revanche, peuvent prendre un peu d'abus et de flexion. Certains servent même secondairement de point de fixation mécanique au châssis extérieur d'un ensemble plus grand.

De plus, dans le cas des dissipateurs thermiques cristallins, les fixations peuvent devenir des points de défaillance au lieu du dissipateur thermique. Une attache plus souple amortirait les dommages causés par les vibrations au dissipateur thermique, mais serait plutôt sciée progressivement par ces mêmes vibrations et flexions.

Ainsi, les dissipateurs thermiques cristallins deviendraient probablement un élément de réparation occasionnel sur le terrain ... en supposant un arrêt thermique intelligent et des alertes. Réfléchissez maintenant aux outils spéciaux nécessaires sur le terrain et aux taux de casse susceptibles de s'appliquer lorsque votre technicien moyen essaie de remplacer. Je parie que les dissipateurs thermiques seraient quelque chose que beaucoup de corps, les gouvernements et les clients privés s'attendraient à ce que les techniciens locaux gèrent même s'il ne s'agit pas de circuits. Juste un boulot, non?