Miten Wedgelockin lämmönkestävyys mitataan

Wedgelockin lämpövastus ilmoitetaan tuotetiedoissa °C/W-yksikössä. Tämä artikkeli tarjoaa lyhyen yleiskatsauksen WaveThermin testausmenetelmästä °C/W-arvon määrittämiseksi ja SOLIDWEDGE™ wedgelockien lämpöominaisuuksien kuvaamiseksi VITA-yhteensopivilla kiinnikkeillä ja standardoiduissa olosuhteissa. Täydellinen menetelmä, mukaan lukien yksityiskohtaiset kiinnikepiirustukset ja laskuesimerkit, löytyy kokonaisesta lämpötestausraportista.

Mikä on lämpövastus?

Lämpövastus mittaa, kuinka paljon materiaali tai rajapinta vastustaa lämmön virtausta, ja wedgelockien kohdalla se kuvaa, kuinka tehokkaasti lämpö siirtyy lämmönkehyksestä kotelon kylmäseinään. Se ilmaistaan °C/W-yksikössä, joka kertoo, kuinka monta astetta lämpötila nousee jokaista kyseisen reitin kautta siirtyvää wattia kohden.

Wedgelock, jonka lämpövastus on 0,1 °C/W, aiheuttaa 1 °C lämpötilan laskun rajapinnassa, kun se johtaa 10 wattia. Pienempi lämpövastus tarkoittaa parempaa lämmönsiirtoa. Johdinkylmennetyissä VPX-moduuleissa, jotka hajottavat 50–100 wattia tai enemmän, pienetkin erot lämpövastuksessa näkyvät suoraan komponenttien lämpötiloissa, mikä vaikuttaa luotettavuuteen ja suorituskykyyn.

Miten lämpö virtaa johdinkylmennetyssä moduulissa?

Johdinkylmennetyssä VPX-moduulissa piirilevyn komponenttien tuottama lämpö virtaa lämmönkehyksen kautta kotelon kylmäseinään. Lämmönsiirrolle on kaksi rinnakkaista reittiä:

• Rungon ja kylmäseinän kontakti (noin 70 % lämmöstä): Lämmönkehyksen kansi painaa suoraan kylmäseinän uran toiselle puolelle. Tämä on pääasiallinen lämmönsiirtoreitti suuren kontaktialueen vuoksi.
• Wedgelockin ja kylmäseinän kontakti (noin 30 % lämmöstä): Wedgelock laajenee kylmäseinän uran vastakkaiselle puolelle. Tämä reitti kuljettaa vähemmän lämpöä, koska kontaktialue on pienempi, mutta se on välttämätön puristusvoiman kannalta ja vaikuttaa merkittävästi lämpötehokkuuteen.

Moduulin pintojen konvektiiviset ja säteilevät häviöt ovat tyypillisesti vähäisiä suljetuissa koteloissa, eikä niitä oteta huomioon wedgelockin lämpöominaisuuksien määrittelyssä.

Koska lämpö virtaa molempia reittejä samanaikaisesti, järjestelmän kokonaislämpövastus noudattaa rinnakkaisvastuksen kaavaa, kuten vastukset sähköpiirissä.

Miten wedgelockin suunta vaikuttaa lämmönvirtaukseen

Lämpöjako 70/30 rungon ja kylmäseinän sekä wedgelockin ja kylmäseinän kontaktin välillä pysyy vakiona riippumatta kokoonpanosta. Wedgelockin kiinnityssuunta kuitenkin määrää, kumpi kortin rungon sivuista on suorassa kontaktissa kylmäseinään, ja tällä on merkittäviä lämpövaikutuksia.

Ensisijaisen puolen suojus (piirilevyn komponenttipuoli) vastaanottaa suurimman osan piirilevyn lämmöstä. Sen sijainti suhteessa kylmäseinään määrää, kuinka tehokkaasti lämpö saadaan johdettua pois.

Toissijaisen puolen suuntaus (SOLIDWEDGE™-välikappale piirilevyn vieressä)

Ensisijaisen puolen suojus on suorassa kosketuksessa kylmäseinään. Koska tämä suojus kantaa suurimman osan lämmöstä, 70 %:n suora reitti kylmäseinään maksimoi lämmönsiirron tehokkuuden. Välikappale hoitaa jäljellä olevan 30 % toissijaiselta puolelta.

Ensisijaisen puolen suuntaus (SOLIDWEDGE™-välikappale piirilevyn päällä)

Toissijaisen puolen suojus on suorassa kosketuksessa kylmäseinään. Koska lämpö kuitenkin syntyy ensisijaisella puolella (komponenttipuoli), sen on ensin johdettava piirilevyn ja toissijaisen puolen suojuksen läpi ennen kuin se saavuttaa 70 %:n suorankosketuksen reitin. Piirilevyn alusta on huono lämmönjohdin, joten tämä lisää merkittävästi lämmönvastusta. Lisäksi ensisijaisen puolen suojuksen päällä oleva välikappale rajoittaa lämmön kulkua tästä suojuksesta kylmäseinään, mikä rajoittaa lämmön siirtymistä 30 %:n välikappalereitin kautta. Tätä kokoonpanoa käytetään tyypillisesti, kun konvektio on ensisijainen jäähdytystapa ja johtavuus toimii lisänä.

Korkean tehon johtavuudella jäähdytetyille moduuleille toissijainen puoli on suositeltava suuntaus, koska se tarjoaa suorimman lämpöreitin suurimmalle osalle komponentin lämpöä.

Testauslaitteet ja -asetukset

Tarkka lämpötestaus vaatii laitteiston, joka jäljittelee todellisia koteloolosuhteita samalla kun sallii tarkan lämpötilan mittauksen.

Kylmäseinän testilaite

Kylmäseinä on jäähdytyselementti, jossa on kortin reunapaikka koneistettuna sopivaan VITA-määritykseen (VITA 48, VITA 78 jne.). Keskeiset vaatimukset ovat:

• Pintakäsittely: 16 µin RMS tai parempi paikan kosketuspintojen pinnanlaadulle
• Pinnoitus: Kirkas kromaattilakka MIL-C-5541 luokka 3:n mukaisesti edustamaan tyypillisiä koteloolosuhteita
• Aktiiivinen jäähdytys: Siipimäiset jäähdytyselementit tuulettimineen, mitoitettu suunnitellun testitehon haihduttamiseen
• Termoparit: Asetettu paikan molemmille puolille mittaamaan kylmäseinän lämpötila kussakin rajapinnassa

Lämpöä eristävä välikappale (tyypillisesti ABS-muovia) asetetaan paikan pohjalle estämään lämpökehyksen kosketus pohjaan ja kolmannen lämmönjohtoreitin syntyminen, joka vääristäisi tuloksia.

Testilevy

Testilevy simuloi lämpökehystä, johon on kiinnitetty kiilalukko. Se on valmistettu 6061-T6-alumiinista, ja kosketuspintojen pinnanlaatu on 16 µin RMS. Levyn paksuus lasketaan kylmän seinän uran korkeuden, kiilalukon korkeuden ja nimellisen laajenemisen perusteella:

Testilevyn paksuus = kylmän seinän uran korkeus - kiilalukon korkeus - kiilalukon nimellinen laajeneminen

Vakiovalmisteinen VITA 48 -kokoonpano, jossa on 0,225" korkea kiilalukko ja 0,025" nimellinen laajeneminen: 0,525" - 0,225" - 0,025" = 0,275"

Kuormavastukset testilevyllä simuloivat komponentin lämmönhajotusta, kapasiteetti vähintään 100 wattia. Vastukset on peitetty PTFE-eristyksellä konvektiovaurioiden minimoimiseksi ja lämmön ohjaamiseksi tarkoitettuihin johtumisreitteihin.

Lämpötilan mittaus

Lämpövastuksen laskemiseksi tarvitaan kolme lämpötilamittausta:

• Testilevyn lämpötila (T_P): Neljän termoparin keskiarvo, jotka on tasaisesti sijoitettu testilevyn pituudelle lämmönlähteen ja kiilalukon väliin, noin 0,100"–0,200" kiilalukon reunasta
• Kylmän seinän rungon puolen lämpötila (T_CWF): Kahden termoparin keskiarvo, jotka on sijoitettu kylmän seinän pituuden keskelle noin 0,100"–0,200" rungon ja kylmän seinän rajapinnan väliin
• Kylmän seinän kiilapuolen lämpötila (T_CWW): Kahden termoparin keskiarvo, jotka on sijoitettu kylmän seinän pituuden keskelle noin 0,100"–0,200" kiilalukon ja kylmän seinän rajapinnan väliin

T-tyypin termoparit valitaan niiden tarkkuuden vuoksi kyseisellä lämpötila-alueella. Termoparien sijoittelu on ratkaisevan tärkeää. Antureiden on oltava mahdollisimman lähellä rajapintaa häiritsemättä kosketusta.

Lämpövastuksen laskenta

Koska lämpö kulkee rinnakkaisia reittejä pitkin, kunkin reitin lämpövastus lasketaan erikseen ja yhdistetään sitten rinnankytkentäresistanssin kaavalla.

Rungon puolen lämpövastus (R_F)

R_F = (T_P - T_CWF) / 0,7P

Missä P on kokonaisteho ja 0,7P edustaa 70 % lämmöstä, jonka oletetaan kulkevan rungon puoleista reittiä pitkin.

Kiilapuolen lämpövastus (R_W)

R_W = (T_P - T_CWW) / 0,3P

Missä 0,3P edustaa 30 % lämmöstä, jonka oletetaan kulkevan kiilalukon kautta.

Kokonaislämpövastus (R_T)

R_T = (R_F × R_W) / (R_F + R_W)

Tämä on vakio rinnankytkentäresistanssin kaava. Tulos ilmoitetaan °C/W-yksikössä.

Testimenettely

Tietoja kerätään useilla tehotasoilla suorituskyvyn johdonmukaisuuden varmistamiseksi käyttöalueella:

• Tehon lisäykset: 20 W, 40 W, 60 W, 80 W ja 100 W
• Stabilointikriteerit: Ei lämpötilan muutosta yli 1 °C viiden minuutin aikana (MIL-STD-202:n mukaan)
• Alustava kalibrointi: Kylmän seinämän ja testilevyn keskiarvot alle 0,2 °C ennen tehon kytkemistä

Testaus useilla tehotasoilla varmistaa, että lämmönvastus pysyy johdonmukaisena ja paljastaa mahdollisen epälineaarisen käyttäytymisen, joka voisi vaikuttaa suuritehoisiin sovelluksiin.

Miksi pintaviimeistely on tärkeää

Lämmönsiirto metallin ja metallin rajapinnassa riippuu todellisesta kontaktialasta. Mikroskooppisella tasolla jopa koneistetut pinnat sisältävät huippuja ja laaksoja. Vain huiput ovat kosketuksissa, joten tehokas kontaktiala on vain murto-osa näennäisestä alasta.

16 µin RMS -pintaviimeistelyvaatimus varmistaa johdonmukaiset ja toistettavat kontaktiehdot. Karkeammat pinnat vähentävät kontaktialaa ja lisäävät lämmönvastusta. Tästä syystä WaveTherm määrittelee pintaviimeistelyvaatimukset sekä testilaitteille että tuotantolaitteille.

Testilaitteen pinnat katsotaan kulutustavaroiksi ja ne on puhdistettava näytteiden välillä. Jos pintakarkeus heikkenee hyväksyttävän alueen ulkopuolelle, pinnat on viimeisteltävä uudelleen testin tarkkuuden ylläpitämiseksi.

Tyhjiö- ja korkeustestaus

Samaa menetelmää voidaan käyttää myös tyhjiökammiossa korkeuden suorituskyvyn karakterisointiin. Korkealla ilmanpaineen aleneminen poistaa konvektiivisen jäähdytyksen, jolloin lämmönjohtuminen wedgelockin ja lämpökehyksen kautta korostuu entisestään. Tyhjiötestaus varmistaa, että lämmönsiirto toimii näissä olosuhteissa.

Mitä tämä tarkoittaa suunnittelullesi

Lämpötestausmenetelmän ymmärtäminen auttaa tulkitsemaan toimittajan teknisiä tietoja ja ennustamaan todellista suorituskykyä. Wedgelockien lämmönvastustietoja arvioidessa ota huomioon:

• Testausolosuhteet: Suoritettiinko testit tehotasoilla, jotka ovat sovelluksesi kannalta merkityksellisiä?
• Pintakunnon olosuhteet: Millainen pintakäsittely ja pinnoitus on käytetty?
• VITA-yhteensopivuus: Onko testilaite rakennettu samaan VITA-spesifikaatioon kuin kotelosi?
• Toistettavuus: Käyttääkö toimittaja standardoitua menetelmää, joka tuottaa johdonmukaisia tuloksia?
• Puristusvoima: Kosketuspainetta wedgelockin ja kylmän seinämän rajapinnassa vaikuttaa suoraan siihen, kuinka hyvin lämpö siirtyy tämän rajapinnan yli. Korkeampi puristusvoima tarkoittaa parempaa kontaktia ja pienempää lämmönvastusta. Katso miten SOLIDWEDGE™ puristusvoima lasketaan saadaksesi yksityiskohtaisen selityksen.

WaveThermin lämpötestausmenetelmä on suunniteltu tuottamaan tarkkaa ja toistettavaa SOLIDWEDGE™ wedgelockien karakterisointia olosuhteissa, jotka vastaavat todellisia VPX-koteloympäristöjä. Julkaistut lämmönvastusarvot heijastavat suorituskykyä, jota voit odottaa oikein suunnitelluissa järjestelmissä.