Électronique : un revêtement en cuivre bon marché qui dissipe la chaleur plus efficacement

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| Pixabay
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Les appareils électroniques génèrent de la chaleur lorsqu’ils sont en marche. La quantité actuelle de données circulant à travers le monde accentue davantage la production de cette énergie thermique. Pour ne pas entraver le bon fonctionnement des appareils, la chaleur doit être évacuée par des dispositifs de refroidissement intégrés. Cependant, ces refroidisseurs peuvent être volumineux et encombrants, selon la taille et la puissance de l’appareil, en plus d’être couteux et difficiles à concevoir. Pour tenter de pallier cet inconvénient, des chercheurs de l’Université de l’Illinois et de Berkeley ont mis au point un nouveau revêtement à base de cuivre qui serait à la fois beaucoup moins encombrant et moins couteux à produire, tout en permettant un refroidissement nettement plus efficace.

Si la chaleur générée par un appareil électronique n’est pas dissipée, elle peut compromettre son fonctionnement, l’endommager, voire provoquer un incendie. Pour cela, ces objets sont basiquement munis de ce que l’on appelle des dissipateurs thermiques, qui, généralement pourvus d’ailettes, doivent idéalement être fixés verticalement et au-dessus des circuits électroniques, pour mieux évacuer la chaleur.

Ces dissipateurs varient en taille, en matière et en conception selon les appareils auxquels ils sont destinés. Ils ont également évolué avec les unités centrales de traitement et les processeurs graphiques, qui deviennent toujours plus puissants et dégagent donc toujours plus de chaleur pour assurer leur performance. La PlayStation 5 possède par exemple un très grand dissipateur thermique, afin de permettre de longues sessions de jeu.

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Les dernières avancées technologiques ont aussi permis de développer des dissipateurs thermiques adaptés aux téléphones portables, où l’espace restreint doit être judicieusement utilisé. Certains smartphones ultraperformants sont alors dotés de dissipateurs sous forme d’une sorte de pâte incrustée de microdiamants, qui permet de dissiper la chaleur efficacement et assurer leur fonctionnement à plein régime.

Trois principaux inconvénients

Malgré les avancées actuelles en matière d’ingénierie, les dissipateurs thermiques actuels présentent trois principales limites, d’après les auteurs de l’étude parue dans la revue Nature Electronics. L’inconvénient principal est le coût, autant celui des matières premières que celui de l’installation. « Les dissipateurs de chaleur en diamant, sont parfois utilisés au niveau de la puce, mais ils ne sont pas bon marché », indique dans un communiqué Tarek Gebrael, auteur principal de l’étude sur le nouveau revêtement et doctorant en génie mécanique à l’Université de l’Illinois.

Le deuxième inconvénient principal est qu’un dissipateur classique nécessite en général un épandeur et un évacuateur de chaleur. Pour évacuer efficacement la chaleur, ce refroidisseur en deux composantes doit être fixé au-dessus du dispositif électronique. Or, dans la plupart des cas, la plus forte concentration de chaleur est produite en dessous de l’appareil électronique. Le système de refroidissement n’est donc pas positionné là où il serait le plus efficace.

L’impossibilité d’installation des dissipateurs directement sur la surface électronique constitue également un inconvénient majeur. Une couche de matériaux d’interface thermique doit notamment être encastrée entre le dissipateur afin d’assurer un bon contact et en améliorer ainsi les performances. Toutefois, cette couche intermédiaire aurait d’assez mauvaises caractéristiques de transfert de chaleur, et peut impacter négativement les performances du dissipateur.

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Les chercheurs de la nouvelle étude proposent une solution qui résoudrait ces trois inconvénients ! Pour leur revêtement de refroidissement, le matériau choisi est le cuivre, beaucoup moins cher que le diamant ou d’autres métaux. De plus, le revêtement englobe entièrement le dispositif électronique, de sorte à absorber et disperser la chaleur sans qu’aucune région ne soit négligée. Le troisième avantage est qu’il n’y a pas besoin de matériau d’interface thermique. Tout le système de refroidissement est ainsi compris en un seul et unique dispositif.

Comparé aux dissipateurs actuels, le revêtement de cuivre serait au moins aussi efficace. Les chercheurs ont testé leur dispositif sur un appareil beaucoup plus petit que ceux utilisant des dissipateurs classiques, et ont observé une augmentation de 740% de la performance par unité de volume. Ce qui signifierait que, « vous pouvez empiler beaucoup plus de cartes de circuits imprimés dans le même volume lorsque vous utilisez notre revêtement, par rapport au cas où vous utiliseriez des dissipateurs thermiques conventionnels refroidis par un liquide ou par de l’air », explique Gebrael.

Un autre avantage du nouveau système est aussi qu’à terme, il pourrait être utile pour les installations traitant de grands volumes de données, telles que les centres de données. La prochaine étape pour le groupe de chercheurs est d’étudier la fiabilité et la durabilité du revêtement dans différents milieux, tels que l’eau bouillante, les fluides diélectriques bouillants et les environnements à haute tension.

Source : Nature Electronics

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