Technologies de fabrication de plaques froides et principaux défis

Avec l'évolution constante de l'électronique de puissance dans des secteurs tels que les centres de données, les véhicules électriques, le stockage d'énergie et le calcul haute performance, la gestion thermique est devenue un facteur critique pour la fiabilité et l'efficacité des systèmes. Les solutions de refroidissement par air traditionnelles sont de moins en moins adaptées aux applications actuelles générant des flux thermiques élevés. Par conséquent, la plaque froide liquide, également appelée dissipateur thermique à refroidissement liquide, est devenue un composant essentiel des systèmes de refroidissement modernes.

Cet article présente une vue d'ensemble complète de la technologie des plaques froides liquides, abordant les principes de fonctionnement, les types de plaques froides courants, les défis de fabrication et les procédés d'assemblage avancés. Il vise à aider les ingénieurs et les décideurs à mieux comprendre les solutions de refroidissement liquide par plaques froides et à choisir l'approche la plus adaptée à leurs applications.

1. Qu'est-ce qu'une plaque froide liquide ?

Une plaque froide liquide (également appelée plaque de refroidissement liquide ou plaque froide à eau) est un dispositif de transfert de chaleur qui élimine la chaleur des composants haute puissance en faisant circuler un liquide de refroidissement à travers des canaux internes.

Le principe de fonctionnement de base du refroidissement par plaque froide est le suivant :

1. La chaleur est générée par des composants électroniques tels que les processuseurs, les cartes graphiques, les modules d'alimentation ou les batteries.

2. La chaleur est conduite de l'appareil au dissipateur thermique à plaque froide par contact direct.

3. Le liquide de refroidissement circule dans des canaux internes, absorbant et évacuant la chaleur.

4. Le liquide chauffé est transféré vers un échangeur de chaleur externe pour dissipation.

Comparées au refroidissement par air, les plaques de refroidissement par eau offrent :

• efficacité de transfert de chaleur plus élevée

• répartition de température plus uniforme

• intégration système compacte

• performances supérieures dans les environnements à flux thermique élevé

Dans les applications informatiques, le même principe est appliqué aux waterblocks pour processuseurs, aux blocs de refroidissement pour processuseurs et aux GPU avec waterblock, où un waterblock compact refroidit directement les processuseurs.

2. Types typiques de plaques froides liquides et leurs défis

Différentes applications requièrent différentes structures de plaques froides à liquide. Le choix des matériaux, la conception des canaux internes et les méthodes de fabrication ont un impact direct sur les performances, le coût et la fiabilité.

2.1 Plaque froide à liquide à tube intégré

Les conceptions à tubes intégrés intègrent des tubes métalliques dans une plaque de base pour former des canaux de refroidissement.

avantages :

• structure simple

• faible coût de fabrication

• convient aux applications de faible à moyenne puissance

défis :

• Une densité de canaux limitée réduit l'efficacité du refroidissement

• Les interfaces thermiques multiples augmentent la résistance thermique

• L'association d'un tube en cuivre et d'une plaque en aluminium peut provoquer une corrosion galvanique

• ne convient pas aux systèmes de refroidissement à plaque froide haute performance

2.2 Plaque de refroidissement liquide perforée

Le perçage au canon crée des canaux internes rectilignes à l'intérieur d'une plaque métallique pleine, qui sont ensuite scellés aux extrémités.

avantages :

• haute résistance mécanique

• surfaces internes lisses du canal

• fiable pour des charges thermiques modérées

défis :

• Les canaux droits limitent la flexibilité de conception

• Il est difficile de fabriquer des plaques de plus de 500 mm de long avec une grande précision.

• Les bouchons d'extrémité sont des points de fuite potentiels

• moins adapté aux configurations thermiques complexes

2.3 plaque froide liquide brasée

Une plaque froide à liquide brasée est produite en usinant des canaux d'écoulement dans une plaque de base et en assemblant de manière permanente une plaque de recouvrement par brasage sous vide.

avantages :

• permet des conceptions de canaux internes complexes

• excellentes performances thermiques

• répartition uniforme de la température

• couramment utilisé dans les systèmes de refroidissement à plaque froide liquide haut de gamme

défis :

• nécessite des fours de brasage sous vide coûteux

• longs cycles de production (6 à 8 heures par lot)

• haute sensibilité à la propreté des surfaces et au contrôle des processusus

• coûts de fabrication plus élevés et flexibilité limitée

2.4 plaque froide tubulaire intégrée

Dans cette conception, les tubes cintrés sont pressés, brasés ou collés sur une plaque de base.

avantages :

• acheminement des canaux plus flexible que les tubes montés en surface

• compatible avec les tubes en aluminium, en cuivre ou en acier inoxydable

défis :

• processusus d'assemblage complexe

• La constance de la qualité dépend fortement du savoir-faire.

• Les versions brasées sont coûteuses et difficiles à réparer

3. Comparaison des procédés de fabrication des plaques froides liquides

Les performances et la fiabilité d'une plaque de refroidissement liquide dépendent fortement de sa technologie d'assemblage et d'étanchéité. Différentes méthodes de fabrication présentent des avantages et des inconvénients distincts.

3.1 Technologies d'assemblage communes

3.2 Soudage par friction-malaxage pour plaques froides liquides

Le soudage par friction-malaxage (FSW) est un procédé d'assemblage à l'état solide qui produit de la chaleur par friction mécanique plutôt que par fusion du matériau.

Les principaux avantages de la fabrication de plaques froides liquides sont les suivants :

• Pas de fusion, préservation de la conductivité thermique d'origine

• soudures denses et sans vides, avec un risque de fuite quasi nul

• haute résistance mécanique, proche du matériau de base

• Cycles de soudage courts, idéaux pour l'automatisation

• Les coûts de fabrication sont 2 à 10 fois inférieurs à ceux du brasage.

La technologie FSW est de plus en plus utilisée pour les plaques froides liquides OEM, les plaques de refroidissement liquides ODM et les plaques froides personnalisées à grand volume.

4. Scénarios d'application

Les plaques froides à liquide sont largement utilisées dans les applications nécessitant une gestion thermique haute performance, notamment :

• centres de données et serveurs (bloc de refroidissement pour processuseur, meilleures solutions de waterblock pour processuseur)

• accélérateurs d'IA et GPU avec systèmes de refroidissement liquide

• électronique de puissance pour véhicules électriques

• batteries et systèmes de stockage d'énergie

• équipement de télécommunications et infrastructure 5G

• alimentations et onduleurs industriels

5. Facteurs clés lors du choix d'une plaque froide à liquide

Lors du choix d'une plaque froide à liquide sur mesure, les facteurs suivants doivent être évalués :

• charge thermique et densité de flux thermique

• type de fluide de refroidissement et pression de service

• conditions environnementales

• exigences en matière de fiabilité et de durée de vie

• objectifs de coûts et volume de production

• besoins de personnalisation et d'intégration

Collaborer avec un fabricant expérimenté de plaques froides liquides garantit un équilibre optimal entre performance, fiabilité et coût.

La plaque froide liquide est un composant essentiel des systèmes modernes de refroidissement liquide par plaque froide. Si les solutions traditionnelles telles que les conceptions à tube intégré et à perçage profond restent viables pour certaines applications, les procédés avancés comme le brasage sous vide et le soudage par friction-malaxage font progresser l'industrie.

Parmi celles-ci, les plaques de refroidissement liquide soudées par friction-malaxage offrent le meilleur équilibre entre :

• performances thermiques

• résistance mécanique

• fiabilité sans fuite

• rentabilité

Face à la demande croissante en matière de refroidissement haute performance, les plaques froides sur mesure, les plaques froides liquides OEM et les plaques de refroidissement liquides ODM joueront un rôle de plus en plus important dans les solutions de gestion thermique de nouvelle génération.