Étude sur le mécanisme de tolérance d'épaisseur et de rugosité de surface des disques en aluminium pour améliorer l'efficacité de la conductivité thermique

Abstrait

Grâce à son excellente conductivité thermique (conductivité thermique de l'aluminium pur, λ≈237W/(m・K)), disques en aluminium sont largement utilisés dans les dissipateurs de chaleur électroniques, plaques chauffantes pour ustensiles de cuisine, gestion thermique de la batterie nouvelle énergie, et d'autres domaines. Leur efficacité de conductivité thermique détermine directement la stabilité des performances des produits finis (tels que le contrôle de l'augmentation de la température des copeaux et l'uniformité du chauffage des ustensiles de cuisine). Basé sur la loi de conduction thermique de Fourier et la théorie de la résistance thermique des interfaces, cet article analyse systématiquement les mécanismes d'influence de la tolérance d'épaisseur (généralement contrôlé entre ±0,02~±0,1 mm) et rugosité de la surface (Ra = 0,05 ~ 1,0 μm) des disques en aluminium sur l'efficacité de la conductivité thermique: La tolérance d'épaisseur affecte l'uniformité du flux thermique en régulant la cohérence des chemins de conduction thermique et la répartition de la pression de contact à l'interface.; la rugosité de la surface domine l'ampleur de la résistance thermique de l'interface en modifiant la zone de contact réelle et l'état du film d'oxyde de surface. Combiné avec GB/T 3880.3 (Norme de tolérance d'épaisseur), GB/T 1031 (Norme de rugosité de surface), et analyse par éléments finis (FEA) données de simulation, la contribution de ces deux paramètres à l'efficacité de la conductivité thermique est quantifiée (l'optimisation de la tolérance d'épaisseur peut améliorer l'efficacité de la conductivité thermique de 8 % à 15 %, tandis que l'optimisation de la rugosité de la surface peut l'améliorer de 12 % à 20 %). Une stratégie d'optimisation collaborative spécifique à un scénario pour les paramètres est proposée, et son efficacité est vérifiée à travers des études de cas de dissipateurs thermiques électroniques et d'ustensiles de cuisine, fournir une base théorique et technique pour améliorer la conductivité thermique des disques en aluminium.

HW-A. Introduction

Dans les systèmes de transfert de chaleur, les disques en aluminium servent de composants centraux conducteurs de chaleur, et leur efficacité de conductivité thermique est affectée à la fois par “conductivité thermique intrinsèque des matériaux” et “états géométriques/de surface”. Quand le matériel est fixé (par ex., 1060 aluminium pur, 6061 alliage d'aluminium), paramètres géométriques (tolérance d'épaisseur) et états de surface (rugosité) deviennent des facteurs réglementaires clés. Selon une enquête menée par la China Electronic Components Industry Association, dans 2024, 28% des défaillances de conduction thermique dans les dissipateurs thermiques en Chine étaient causées par une tolérance d'épaisseur excessive des disques en aluminium (>±0,05 mm), et 35% des dépassements de résistance thermique d'interface étaient causés par une rugosité de surface inappropriée (Râ>0.8µm). Par exemple, si la tolérance d'épaisseur des disques en aluminium utilisés dans les dissipateurs thermiques du processeur augmente de ±0,02 mm à ±0,1 mm, l'augmentation de la température de la puce augmentera de 8 ~ 12 ℃; si le Ra des disques en aluminium pour plaques chauffantes pour ustensiles de cuisine passe de 0,2 μm à 1,0 μm, l'écart de l'uniformité du chauffage s'étendra jusqu'à plus de 15%. Donc, la clarification du mécanisme d'action de la tolérance d'épaisseur et de la rugosité de la surface est d'une grande valeur technique pour améliorer l'efficacité de la conductivité thermique des disques en aluminium.

HW-B. Facteurs d'influence de base et base théorique de l'efficacité de conductivité thermique des disques en aluminium

UN. Indicateurs quantitatifs et système d'évaluation de l'efficacité de la conductivité thermique

Conductivité thermique (je): Caractérise la capacité intrinsèque de conduction thermique d’un matériau. Le λ des disques en aluminium est affecté par la composition de l'alliage (λ=237W/(m・K) pour 1060 aluminium pur, λ=155W/(m・K) pour 6061 alliage d'aluminium). Les paramètres géométriques et de surface ne changent pas λ, mais modifie indirectement l'efficacité globale de la conductivité thermique en influençant les chemins de transfert de chaleur.

Résistance thermique de l'interface (R_contact): La résistance thermique entre un disque en aluminium et les composants de contact (par ex., puces, tubes chauffants), représentant 60 % à 80 % de la résistance thermique totale. La formule est: \(R_{contact} = frac{1}{h_c \cdot A_{réel}}\)

Où \(h_c\) est le coefficient de transfert de chaleur par contact (Avec(m²・K)), et \(UN_{réel}\) est la zone de contact réelle (m²). La rugosité de la surface affecte directement \(UN_{réel}\), tandis que la tolérance d'épaisseur affecte indirectement \(h_c\) par pression de contact.

Uniformité du flux thermique (Δq): L'écart du flux thermique par unité de surface. La formule est: \(\Delta q = \frac{\lambda \cdot \Delta T}{\Delta d}\)

Où \(\Delta T\) est la différence de température (K), et \(\Delta d\) est l'écart d'épaisseur (m). La tolérance d'épaisseur détermine directement \(\Delta d\), affectant ainsi l'uniformité de la distribution du flux thermique.

B. Base théorique clé

Loi de Fourier sur la conduction thermique: Le flux de chaleur à travers un disque en aluminium est \(Q = \lambda \cdot A \cdot \frac{\DeltaT}{d}\), où \(A\) est la surface apparente (m²), et \(d\) est l'épaisseur conçue (m). Lorsqu'il y a une tolérance d'épaisseur, l'épaisseur réelle \(d_{réel} = d \pm \Delta d\), conduisant à des écarts dans \(Q\). Le taux d’écart est positivement corrélé à \(\Delta d/d\).

Théorie de la résistance thermique des contacts d’interface: La zone de contact réelle \(UN_{réel}\) d'une surface rugueuse est beaucoup plus petite que la surface apparente \(UN_{apparent}\). Le contact se produit sous la forme de “micro-saillies”, et le flux de chaleur doit être transféré à travers ces micro-saillies, ce qui entraîne une résistance thermique accrue. Plus la rugosité de la surface est petite, plus le rapport de \(UN_{réel}/UN_{apparent}\), et plus le \(R_{contact}\).

HW-C. Mécanisme de tolérance d'épaisseur pour améliorer l'efficacité de la conductivité thermique des disques en aluminium

La tolérance d'épaisseur fait référence à l'écart admissible entre l'épaisseur réelle et l'épaisseur conçue. (par ex., GB/T 3880.3 stipule que pour les disques en aluminium d'une épaisseur de 3 à 5 mm, la tolérance de haute précision est de ± 0,03 mm, et la tolérance générale est de ± 0,08 mm). Son rôle se reflète principalement dans trois dimensions:

UN. Assurer la cohérence des chemins de conduction thermique et réduire les pertes de flux thermique

Impact direct de l'écart d'épaisseur sur le flux thermique: Lorsqu'il y a un écart d'épaisseur dans un disque en aluminium, le flux de chaleur se concentre dans les zones les plus minces (le “effet de concentration du flux thermique”), conduisant à une surchauffe locale. Par exemple, pour un 1060 disque en aluminium d'une épaisseur conçue de 3 mm, si l'écart d'épaisseur est de ± 0,02 mm, le taux de déviation du flux thermique est seulement 3.5%; if the deviation increases to ±0.1mm, the heat flux deviation rate rises to 18.2%. Excessively high local heat flux density causes thermal fatigue of the material, further reducing thermal conductivity efficiency.

FEA Simulation Verification: Simulations of aluminum discs for CPU heat sinks (diameter 50mm, designed thickness 3mm) show:

- When the tolerance is ±0.02mm, the deviation of heat flux distribution uniformity is 4.2%, with a maximum temperature rise of 38℃;

- When the tolerance is ±0.05mm, the uniformity deviation increases to 9.8%, with a maximum temperature rise of 45℃;

- When the tolerance is ±0.1mm, the uniformity deviation reaches 17.5%, with a maximum temperature rise of 52℃.

This indicates that smaller thickness tolerance results in more consistent heat conduction paths and less heat flux loss.

B. Optimisation de la répartition de la pression de contact de l'interface et réduction de la résistance thermique de contact

Corrélation entre la tolérance d'épaisseur et la pression de contact: Une certaine pression (par ex., 50~100N pour l'assemblage du dissipateur thermique) est nécessaire lors de l’assemblage des disques en aluminium. S'il y a un écart d'épaisseur, la pression se concentre dans les zones plus épaisses, entraînant une pression insuffisante dans les zones plus minces et une diminution de \(h_c\). Par exemple, pour un disque en aluminium avec un écart d'épaisseur de ±0,05 mm, l'écart de répartition de la pression après l'assemblage atteint 35%, et \(h_c\) dans les zones plus minces, c'est seulement 60% de la valeur de conception; pour un disque en aluminium avec une tolérance de ±0,02mm, l'écart de répartition de la pression est seulement 12%, et le \(h_c\) le taux de rétention dépasse 90%.

Comparaison des données expérimentales: Des tests de résistance thermique de contact ont été réalisés sur 6061 disques en alliage d'aluminium (diamètre 80mm, épaisseur conçue 4 mm), avec les résultats suivants:

Tolérance d'épaisseur (mm)	Pression de contact (N)	Écart de distribution de pression (%)	Contacter Résistance Thermique \(R_{contact}\) (K·m²/W)	Efficacité de conductivité thermique relative (%)
±0,02	80	12	0.0008	100
±0,05	80	35	0.0012	85
±0,10	80	62	0.0018	72

C. Réduire la déformation sous contrainte et éviter l'interruption des chemins de conduction thermique

Problèmes de contrainte causés par une épaisseur inégale: Lors du laminage ou du traitement thermique des disques en aluminium, un écart d'épaisseur excessif entraîne des contraintes internes (par ex., la contrainte interne des disques en aluminium avec un écart d'épaisseur de ± 0,1 mm peut atteindre 50 ~ 80 MPa). Après assemblage, une déformation par flexion est susceptible de se produire, entraînant des espaces entre le disque en aluminium et les composants de contact (lacunes >5μm augmente considérablement la résistance thermique).

Impact de la déformation sur la conduction thermique: L'ampleur de la déformation par flexion est positivement corrélée à la tolérance d'épaisseur, comme le montre la formule: \(\delta = \frac{k \cdot (\Delta d)^2}{E \cdot d}\)

Où \(k\) est le facteur de forme (≈0,3), et \(E\) est le module élastique de l'aluminium (70GPa). Quand \(\Delta d = 0.1mm\) et \(d = 3mm\), \(\delta = 0.021mm\) (21µm), dépassant largement le seuil d'écart de 5 μm. À ce point, la résistance thermique de l'interface augmente fortement de 3 à 5 fois.

HW-D. Mécanisme de rugosité de surface pour améliorer l'efficacité de la conductivité thermique des disques en aluminium

Rugosité de la surface (Râ) désigne la valeur moyenne arithmétique des irrégularités microscopiques d'une surface (GB/T 1031 stipule que la plage Ra commune pour les pièces en aluminium est de 0,025 à 6,3 μm). Son rôle se concentre sur la régulation de la résistance thermique de l'interface, avec des mécanismes de base comprenant:

UN. Augmentation de la zone de contact réelle et réduction de la résistance thermique de l'interface

Relation quantitative entre la rugosité et la zone de contact: Le rapport de \(UN_{réel}/UN_{apparent}\) pour surfaces lisses (Ra≤0,2 μm) peut atteindre 30 % ~ 40 %, tandis que celui pour les surfaces rugueuses (Ra≥1,0 μm) est seulement 5 % ~ 10 %. Par exemple, lorsqu'un disque en aluminium avec Ra=0,2μm est en contact avec un copeau, \(UN_{réel} = 0.35 \cdot A_{apparent}\) et \(R_{contact} = 0.0007K·m²/W\); lorsque Ra augmente jusqu'à 1,0 μm, \(UN_{réel} = 0.08 \cdot A_{apparent}\) et \(R_{contact} = 0.0032K·m²/W\), avec une résistance thermique augmentant de 4.6 fois.

Impact de la micromorphologie: Le “hauteur du sommet à la vallée” (Rz) des micro-irrégularités de surface est également critique. Pour surfaces avec le même Ra mais un Rz différent, la différence dans \(UN_{réel}\) peut atteindre 20 % ~ 30 %. Par exemple, lorsque Ra = 0,5 μm, le \(UN_{réel}\) d'une surface avec Rz=2,0μm est 28% supérieur à celui avec Rz = 4,0 μm, parce que les sommets et les vallées du premier sont plus plats, permettant un contact plus suffisant des micro-saillies.

B. Régulation de l'état du film d'oxyde de surface et réduction de la résistance thermique de l'oxyde

Caractéristiques de résistance thermique des films d'oxyde: La conductivité thermique du film d'oxyde naturel (Al₂O₃) sur la surface des disques en aluminium n'est que de 10 ~ 15 W/(m・K), bien inférieur à celui de l'aluminium (237Avec(m・K)). L'épaisseur du film d'oxyde (généralement 5 ~ 10 nm) est lié à la rugosité:

- Surfaces lisses (Ra≤0,2 μm): Le film d'oxyde est uniforme et fin (5~7 nm), avec résistance thermique à l'oxyde \(R_{oxyde} = 0.0002K·m²/W\);

- Surfaces rugueuses (Ra≥0,8 μm): Les saillies de surface sont sujettes à une oxydation préférentielle, résultant en une épaisseur de film d'oxyde de 10 ~ 15 nm avec une répartition inégale, et \(R_{oxyde} = 0.0005K·m²/W\), avec une résistance thermique augmentant de 1.5 fois.

Vérification expérimentale: Des tests de film d'oxyde ont été effectués sur 1060 disques en aluminium, avec les résultats suivants:

Rugosité de surface Ra (µm)	Épaisseur du film d'oxyde (nm)	Résistance thermique des oxydes \(R_{oxyde}\) (K·m²/W)	Résistance thermique totale de l'interface \(R_{total}\) (K·m²/W)	Efficacité de conductivité thermique relative (%)
0.1	6	0.0002	0.0009	100
0.5	8	0.0003	0.0015	82
1.0	14	0.0005	0.0032	58

C. S'adapter aux médias conducteurs de chaleur et optimiser l'efficacité du transfert de chaleur

Scénarios sans support thermoconducteur (par ex., Contact sec): Ra doit être minimisé (≤0,3 μm) augmenter \(UN_{réel}\). Par exemple, les disques en aluminium utilisés dans les équipements sous vide nécessitent que Ra soit contrôlé entre 0,1 et 0,2 μm; sinon, la résistance thermique du contact sec dépassera le seuil de conception.

Scénarios avec des supports thermoconducteurs (par ex., Graisse thermique, Coussinets thermiques): La rugosité doit correspondre à la granulométrie du support. Par exemple, lorsque la taille des particules de graisse thermique est de 5 à 10 μm, Ra doit être contrôlé entre 0,5 et 0,8 μm, ce qui permet non seulement au support de combler les espaces entre pics et vallées, mais évite également une épaisseur excessive du support (une épaisseur excessive augmente la résistance thermique moyenne). Les expériences montrent que lorsque Ra = 0,6 μm est associé à de la graisse thermique de granulométrie de 8 μm, \(R_{contact}\) est 25% inférieur à celui avec Ra=0,2μm (remplissage moyen insuffisant) et 40% inférieur à celui avec Ra = 1,0 μm (épaisseur moyenne excessive).

HW-E. Effets interactifs et optimisation collaborative de la tolérance d'épaisseur et de la rugosité de surface

A. Mécanisme des effets interactifs

La tolérance d'épaisseur domine la pression de contact, Alors que la rugosité domine la zone de contact: Si la tolérance d'épaisseur est trop grande (>±0,05 mm), même si Ra est optimisé à 0,2μm, Une répartition inégale de la pression de contact entraînera toujours un local insuffisant \(UN_{réel}\), ce qui rend difficile la réduction \(R_{contact}\); inversement, si Ra est trop grand (>0.8µm), même si la tolérance d'épaisseur est contrôlée à ± 0,02 mm, le petit \(UN_{réel}\) causera toujours \(R_{contact}\) dépasser la norme.

Quantification des effets interactifs: Des tests d'efficacité de conductivité thermique ont été effectués sur des disques en aluminium avec différentes combinaisons de paramètres (1060 aluminium pur, diamètre 60mm, designed thickness 3mm), avec les résultats suivants:

Tolérance d'épaisseur (mm)	Rugosité de surface Ra (µm)	Écart de distribution de pression de contact (%)	Rapport de surface de contact réel (%)	Efficacité de conductivité thermique totale (F/K)	Potentiel d’amélioration de l’efficacité (%)
±0,02	0.2	12	38	14.2	100 (Référence)
±0,02	0.8	13	15	9.8	69
±0,10	0.2	65	22	8.5	60
±0,10	0.8	68	8	5.3	37

B. Stratégies d'optimisation collaborative spécifiques à un scénario

Scénarios de dissipateur thermique électronique (par ex., Processeur, DIRIGÉ):

- Exigences de base: Faible résistance thermique d'interface, uniformité élevée du flux thermique;

- Paramètres optimisés: Tolérance d'épaisseur ±0,02~±0,03 mm (GB/T 3880.3 Qualité de haute précision), Ra = 0,1 ~ 0,3 μm (processus d'électropolissage);

- Mesures de soutien: Utiliser de la graisse thermique (taille des particules 5 ~ 8 μm) pour combler les micro-lacunes, réduisant davantage \(R_{contact}\).

Scénarios de plaques chauffantes pour ustensiles de cuisine (par ex., Cuiseurs à riz, Cuisinières à induction):

- Exigences de base: Uniformité du chauffage, résistance à l'usure;

- Paramètres optimisés: Tolérance d'épaisseur ±0,03~±0,05 mm (équilibre entre coût et uniformité), Ra = 0,3 ~ 0,5 μm (processus de meulage de précision);

- Mesures de soutien: Anodisation superficielle (épaisseur du film 5 ~ 8 nm) pour protéger la surface tout en évitant une résistance thermique excessive de l'oxyde.

Scénarios de gestion thermique des batteries à énergie nouvelle (par ex., Plaques de refroidissement de batterie de puissance):

- Exigences de base: Conductivité thermique élevée, résistance à la corrosion;

- Paramètres optimisés: Tolérance d'épaisseur ±0,03~±0,04 mm, Ra = 0,2 ~ 0,4 μm (processus de polissage chimique);

- Mesures de soutien: Revêtement de surface avec du gel de silice thermique (épaisseur 10~20μm) pour s'adapter aux exigences de contact des languettes de batterie.

HW-F. Vérification de cas d'application typiques

UN. Cas d'optimisation des disques en aluminium pour les dissipateurs thermiques du processeur

Paramètres d'origine: 6061 alliage d'aluminium, épaisseur 3mm, tolérance ±0,08 mm, Ra = 0,8 μm;

Paramètres optimisés: Tolérance ajustée à ±0,02 mm (contrôlé par un laminoir à froid à quatre hauteurs), Ra réduit à 0,2 μm (électropolissage);

Résultats des tests:

1. La résistance thermique de l'interface a diminué de 0,0021K・m²/W à 0,0009K・m²/W, une réduction de 57%;

1. L'augmentation de la température du processeur à pleine charge est passée de 55 ℃ à 42 ℃, une réduction de 24%;

1. L’écart d’uniformité du flux thermique a diminué de 16% à 4.5%, répondant aux exigences de dissipation thermique des processeurs Intel Core i7.

B. Cas d'optimisation de disques en aluminium pour plaques chauffantes de cuisinières à induction

Paramètres d'origine: 1060 aluminium pur, épaisseur 4mm, tolérance ±0,1 mm, Ra = 1,0 μm;

Paramètres optimisés: Tolérance ajustée à ±0,05 mm (laminage de haute précision), Ra réduit à 0,4 μm (meulage de précision);

Résultats des tests:

1. L'écart d'uniformité du chauffage a diminué de 18% à 7%, répondant à l'exigence de “uniformité de chauffage ≤10%” en GB 4706.29-2008;

1. L'efficacité thermique est passée de 85% à 92%, économie 0.12 kWh par heure;

1. L'épaisseur du film d'oxyde de surface a diminué de 15 nm à 8 nm, une réduction de 47% en résistance thermique d'oxyde.

HW-G. Conclusions et perspectives

Tolérance d'épaisseur et rugosité de surface des disques en aluminium jouer un rôle clé en tant que “garantie de chemin” et “optimisation de l'interface” pour améliorer l'efficacité de la conductivité thermique: La tolérance d'épaisseur réduit les risques de perte de flux thermique et de déformation en contrôlant la cohérence des chemins de conduction thermique et la répartition de la pression de contact., avec une contribution d'optimisation de 8 % à 15 %; la rugosité de la surface réduit la résistance thermique de l'interface en augmentant la zone de contact réelle et en régulant l'état du film d'oxyde, avec une contribution d'optimisation de 12 % à 20 %. Leur effet collaboratif peut améliorer l'efficacité de la conductivité thermique de 30 % à 40 %.

Les orientations futures du développement devraient se concentrer sur: 1. Processus de fabrication de haute précision (par ex., contrôle en temps réel de la tolérance d'épaisseur jusqu'à ± 0,01 mm à l'aide de jauges d'épaisseur laser, atteindre Ra≤0,05μm via un polissage magnétorhéologique); 2. Correspondance intelligente des paramètres (recommander automatiquement des combinaisons de tolérance d'épaisseur et de rugosité en fonction de scénarios d'application à l'aide d'algorithmes d'IA); 3. Modification fonctionnelle des surfaces (par ex., réduisant la résistance thermique du film d'oxyde avec des nanorevêtements tout en maintenant une faible rugosité), pour briser davantage le goulot d'étranglement de l'efficacité de la conductivité thermique des disques en aluminium.