Miten Wedgelockin lämmönkestävyys mitataan

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

Mikä on lämmönvastus?

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

Wedgelock, jonka lämmönvastus on 0,1 °C/W, aiheuttaa 1 °C lämpötilan laskun rajapinnassa, kun se johtaa 10 wattia. Pienempi lämmönvastus tarkoittaa parempaa lämmönsiirtoa. Johdinkylmennetyissä VPX-moduuleissa, jotka hajottavat 50–100 wattia tai enemmän, pienetkin erot lämmönvastuksessa johtavat suoraan komponenttien lämpötilaeroihin, jotka vaikuttavat luotettavuuteen ja suorituskykyyn.

Miten lämpö virtaa johdinkylmennetyssä moduulissa?

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

• Runko-kylmän seinän kontakti: Lämmönkehyksen kansi painaa suoraan kylmän seinän uran toista puolta vasten, hyötyen suuresta kontaktialueesta.
• Wedgelockin kontakti kylmän seinän kanssa: Wedgelock laajenee vastakkaista kylmän seinän uran puolta vasten. Tämä reitti on välttämätön puristusvoimalle ja vaikuttaa myös lämmönsiirtoon.

Lämmön kulkeutumisprosentti kunkin reitin kautta ei ole kiinteä. Se riippuu kunkin reitin suhteellisesta lämmönvastuksesta, joka muuttuu wedgelockin asennussuuntautumisen mukaan. Käytännössä tämä on tyypillisesti jossain 70/30 ja 80/20 jaon välillä, kuten alla on yksityiskohtaisesti kuvattu.

Moduulin pintojen konvektiiviset ja säteilyhäviöt ovat tyypillisesti merkityksettömiä suljetuissa koteloissa, eikä niitä oteta huomioon wedgelockin lämpökarakterisoinnissa.

Koska lämpö virtaa molempia reittejä samanaikaisesti, järjestelmän kokonaislämmönvastus noudattaa rinnakkaisvastuksen kaavaa, kuten vastukset sähköpiirissä. Reittien välinen jakautuminen on tämän rinnakkaisyhdistelmän tulos, ei etukäteen oletettu arvo. Matalamman lämmönvastuksen reitti kuljettaa aina enemmän lämpöä.

Miten Wedgelockin suuntaus vaikuttaa lämmönvirtaukseen

Wedgelockin asennussuuntaus on yksi merkittävimmistä päätöksistä lämmönhallinnan kannalta. Edustavassa suunnitteluvertailussa toissijaisen puolen suuntaus saavutti kokonaislämmönvastuksen, joka oli noin 5-6 kertaa pienempi kuin ensisijaisen puolen suuntaus samalle kortille, pääasiassa siksi, että piirilevy poistettiin ensisijaisesta johtoreitistä. Tarkka parannus vaihtelee suunnittelun mukaan, mutta piirilevy on johdonmukaisesti suurin yksittäinen lämmönvastuksen aiheuttaja ensisijaisessa puolen kokoonpanossa, joten sen poistaminen reitiltä vaikuttaa merkittävästi.

Lämmön jakautuminen runko-kylmäseinämä- ja wedgelock-kylmäseinämä-kosketuksen välillä ei ole vakio. Se vaihtelee wedgelockin asennussuuntauksen mukaan, koska suuntaus määrää, kumpi kortin rungon puoli on suorassa kosketuksessa kylmään seinämään ja kuinka paljon vastusta lämpö kohtaa matkallaan sinne.

Ensisijaisen puolen kansi (piirilevyn komponenttipuoli) vastaanottaa suurimman osan piirilevyn lämmöstä. Se, missä tämä kansi sijaitsee suhteessa kylmään seinämään ja kuinka suoraan lämpö voi siihen päästä, määrää kuinka tehokkaasti lämpö saadaan poistettua.

Toissijaisen puolen suuntaus (SOLIDWEDGE™ Wedgelock piirilevyn vieressä)

Ensisijaisen puolen kansi on suorassa kosketuksessa kylmään seinämään, ja piirilevy on kokonaan poistettu ensisijaisesta lämmönjohtoreitistä. Tämän suorassa metallista metalliin -kosketuksessa runko-kylmäseinämä-reitti muodostuu matalimman vastuksen reitiksi, joka kuljettaa noin 80 % lämmöstä. Wedgelock hoitaa jäljellä olevan 20 % toissijaiselta puolelta.

Ensisijaisen puolen suuntaus (SOLIDWEDGE™ Wedgelock piirilevyn päällä)

Toissijainen sivukansi on suoraan kosketuksissa kylmään seinämään, mutta lämpö syntyy ensisijaisella puolella (komponenttien puolella) ja sen täytyy johtua piirilevyn ja toissijaisen sivukannen kautta saavuttaakseen tämän kosketuspinnan. Piirilevyn alusta on huono lämmönjohdin, joten tämä reitti aiheuttaa merkittävää vastusta. Tästä syystä suurin osa lämmöstä kulkee lyhyempää reittiä wedgelockin kautta, joka sijaitsee ensisijaisen sivukannen päällä, noin 70 %, kun taas vain noin 30 % kulkee pidemmän matkan piirilevyn kautta toissijaisen sivukannen kosketuspintaan. Tässä roolit kääntyvät päinvastoin, wedgelockin puoli on nyt matalamman vastuksen reitti. Tätä kokoonpanoa käytetään tyypillisesti, kun konvektio on ensisijainen jäähdytystapa ja johtuminen toimii lisänä.

Korkean tehon johtamiskylmille moduuleille toissijainen puoli on suositeltava suunta, koska se tarjoaa suoran lämpöpolun suurimmalle osalle komponenttien lämmöstä.

Testauslaitteet ja asennus

Tarkka lämpötestaus vaatii laitteiston, joka jäljittelee todellisia koteloolosuhteita ja mahdollistaa tarkan lämpötilan mittauksen.

Kylmän seinämän testilaite

Kylmä seinämä on jäähdytin, johon on koneistettu kortin reunauran liitäntä VITA-määrityksen mukaisesti (VITA 48, VITA 78 jne.). Keskeiset vaatimukset ovat:

• Pintakäsittely: 16 µin RMS tai parempi uran kosketuspinnoilla
• Pinnoitus: Kirkas kromaatin pinnoite MIL-C-5541 luokka 3:n mukaisesti edustamaan tyypillisiä koteloolosuhteita
• Aktiiivinen jäähdytys: Siipimäiset jäähdyttimet ja puhaltimet, jotka on mitoitettu poistamaan suunniteltu testiteho
• Termoparit: Asetettu uran molemmille puolille mittaamaan kylmän seinämän lämpötila kussakin liitännässä

Lämpöä johtamaton välikappale (yleensä ABS-muovia) asetetaan uran pohjalle estämään lämpökehyksen kosketus pohjaan ja kolmannen lämmönjohtoreitin muodostuminen, joka vääristäisi tuloksia.

Testilevy

Testilevy simuloi lämpökehystä, johon on kiinnitetty välikappale. Se on valmistettu 6061-T6-alumiinista, ja kosketuspinnat on viimeistelty 16 µin RMS -pintakarkeudella. Levyn paksuus lasketaan kylmän seinämän uran korkeuden, välikappaleen korkeuden ja nimellisen laajenemisen perusteella:

Testilevyn paksuus = Kylmän seinämän uran korkeus - Välikappaleen korkeus - Välikappaleen nimellinen laajeneminen

Vakio VITA 48 -kokoonpanolle, jossa on 0,225" korkea välikappale ja 0,025" nimellinen laajeneminen: 0,525" - 0,225" - 0,025" = 0,275"

Testilevylle asennetut kuormavastukset simuloivat komponenttien lämmönhajotusta, kapasiteetti vähintään 100 wattia. Vastukset on peitetty PTFE-eristyksellä konvektiovaurioiden minimoimiseksi ja lämmön ohjaamiseksi suunniteltuihin johtumisreitteihin.

Lämpötilan mittaus

Lämmönvastuksen laskemiseksi tarvitaan kolme lämpötilamittausta:

• Testilevyn lämpötila (T_P): Neljän termoparin keskiarvo, jotka ovat tasaisesti sijoitettu testilevyn pituudelle lämmönlähteen ja wedgelockin väliin, sijoitettu noin 0,100"–0,200" wedgelockin reunasta
• Kylmän seinän runkopuolen lämpötila (T_CWF): Kahden termoparin keskiarvo, jotka ovat keskitetty kylmän seinän pituudelle ja sijoitettu noin 0,100"–0,200" rungon ja kylmän seinän rajapinnan väliin
• Kylmän seinän wedgelock-puolen lämpötila (T_CWW): Kahden termoparin keskiarvo, jotka ovat keskitetty kylmän seinän pituudelle ja sijoitettu noin 0,100"–0,200" wedgelockin ja kylmän seinän rajapinnan väliin

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

Lämmönvastuksen laskenta

Koska lämpö virtaa rinnakkaisia polkuja pitkin, kunkin polun lämmönvastus lasketaan erikseen ja yhdistetään sitten rinnakkaisvastuksen kaavalla. Laskuissa käytetty lämmön jakautuminen on spesifinen testattavalle kiinnityssuunnalle, noin 80/20 (runkopuoli/wedgelock-puoli) Secondary Side -asennossa ja noin 70/30 (wedgelock-puoli/runkopuoli) Primary Side -asennossa.

Runkopuolen lämmönvastus (R_F)

R_F = (T_P - T_CWF) / (S_FP)

Missä P on kokonaisteho ja S_F on lämmön virtausosuus runkopuolen polun kautta testattavassa asennossa, noin 0,8 Secondary Side -asennossa tai noin 0,3 Primary Side -asennossa.

Wedgelock-puolen lämmönvastus (R_W)

R_W = (T_P - T_CWW) / (S_WP)

Missä S_W on lämmön virtausosuus wedgelock-polun kautta testattavassa asennossa, noin 0,2 Secondary Side -asennossa tai noin 0,7 Primary Side -asennossa.

Kokonaislämmönvastus (R_T)

R_T = (R_F × R_W) / (R_F + R_W)

Tämä on standardi rinnakkaisvastuksen kaava. Tulos ilmaistaan °C/W-yksikössä.

Testimenettely

Tietoja kerätään useilla tehotasoilla varmistaakseen tasaisen suorituskyvyn koko käyttöalueella:

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

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

Miksi pintaviimeistely on tärkeää

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

16 µin RMS pintaviimeistelyvaatimus takaa johdonmukaiset ja toistettavat kontaktiehdot. Karkeammat pinnat vähentävät kosketuspintaa 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 soveltaa 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 myyjän teknisiä tietoja ja ennustamaan todellista suorituskykyä. Wedgelockin 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-määritykseen kuin kotelosi?
• Toistettavuus: Käyttääkö myyjä 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 erittelyn.

WaveThermin lämpötestausmenetelmä on suunniteltu tuottamaan tarkka ja toistettava karakterisointi SOLIDWEDGE™ wedgelockeista olosuhteissa, jotka vastaavat todellisia VPX-koteloympäristöjä. Julkaistut lämmönvastusarvot heijastavat suorituskykyä, jota voit odottaa oikein suunnitelluissa järjestelmissä.