Comment la performance thermique de Wedgelock est mesurée
La résistance thermique des wedgelocks est indiquée sur les fiches techniques en °C/W. Cet article fournit un aperçu de la méthodologie de test de WaveTherm pour déterminer le °C/W et caractériser la performance thermique des wedgelocks SOLIDWEDGE™ en utilisant des dispositifs conformes à VITA et des conditions standardisées. Pour la méthodologie complète, incluant des dessins détaillés des dispositifs et des exemples de calcul, consultez le rapport complet de test thermique.
Qu'est-ce que la résistance thermique ?
La résistance thermique mesure la capacité d'un matériau ou d'une interface à résister au flux de chaleur, et pour les wedgelocks, elle quantifie l'efficacité du transfert de chaleur du cadre thermique vers la paroi froide du châssis. Elle s'exprime en °C/W, ce qui indique combien de degrés de montée en température on obtient pour chaque watt dissipé par ce chemin.
Un wedgelock avec une résistance thermique de 0,1 °C/W produira une chute de température de 1 °C à travers l'interface lorsqu'il conduit 10 watts. Une résistance thermique plus faible signifie un meilleur transfert de chaleur. Pour les modules VPX refroidis par conduction dissipant de 50 à 100 watts ou plus, de petites différences de résistance thermique se traduisent directement par des différences de température des composants qui affectent la fiabilité et la performance.
Comment la chaleur circule-t-elle à travers un module refroidi par conduction ?
Dans un module VPX refroidi par conduction, la chaleur générée par les composants sur le PCB circule à travers le cadre thermique et dans la paroi froide du châssis. Il existe deux chemins parallèles pour ce transfert de chaleur :
- Contact cadre-paroi froide (environ 70 % de la chaleur) : Le couvercle du cadre thermique appuie directement contre un côté de la fente de la paroi froide. C'est le chemin principal de la chaleur en raison de la grande surface de contact.
- Contact wedgelock-paroi froide (environ 30 % de la chaleur) : Le wedgelock se dilate contre le côté opposé de la fente de la paroi froide. Ce chemin transporte moins de chaleur car la zone de contact est plus petite, mais il est essentiel pour la force de serrage et contribue de manière significative à la performance thermique.
Les pertes par convection et rayonnement depuis les surfaces du module sont généralement négligeables dans des boîtiers scellés et ne sont pas prises en compte dans la caractérisation thermique du wedgelock.
Parce que la chaleur circule simultanément par les deux chemins, la résistance thermique totale du système suit la formule de résistance en parallèle, similaire aux résistances dans un circuit électrique.
Comment l'orientation du Wedgelock affecte le flux de chaleur
La répartition thermique 70/30 entre le cadre et la paroi froide et le contact wedgelock-paroi froide reste constante quelle que soit la configuration. Cependant, l'orientation du montage du wedgelock détermine quel côté du cadre de la carte est en contact direct avec la paroi froide, ce qui a des implications thermiques importantes.
Le couvercle côté primaire (côté composants du PCB) reçoit la majorité de la chaleur de la carte. La position de ce couvercle par rapport à la paroi froide détermine l'efficacité avec laquelle cette chaleur est extraite.
Orientation côté secondaire (verrou SOLIDWEDGE™ à côté du PCB)
Le couvercle côté primaire est en contact direct avec la paroi froide. Comme ce couvercle transporte la majeure partie de la chaleur, diriger 70 % de celle-ci directement vers la paroi froide maximise l'efficacité thermique. Le verrou gère les 30 % restants provenant du côté secondaire.
Orientation côté primaire (verrou SOLIDWEDGE™ sur le dessus du PCB)
Le couvercle côté secondaire est en contact direct avec la paroi froide. Cependant, comme la chaleur provient du côté primaire (côté composants), elle doit d'abord traverser le PCB et le couvercle côté secondaire avant d'atteindre le chemin de contact direct à 70 %. Le substrat du PCB est un mauvais conducteur thermique, ce qui ajoute une résistance thermique significative. De plus, le verrou posé sur le couvercle côté primaire limite le chemin thermique de ce couvercle vers la paroi froide, restreignant la quantité de chaleur pouvant passer par le chemin de verrouillage à 30 %. Cette configuration est généralement utilisée lorsque la convection est le principal mode de refroidissement et que la conduction sert de complément.
Pour les modules refroidis par conduction à haute puissance, l'orientation côté secondaire est préférée car elle offre le chemin thermique le plus direct pour la majorité de la chaleur des composants.
Équipement et configuration de test
Un test thermique précis nécessite un équipement qui reproduit les conditions réelles du châssis tout en permettant une mesure précise de la température.
Montage d'essai pour paroi froide
La paroi froide est un dissipateur thermique avec une fente pour carte usinée selon la spécification VITA appropriée (VITA 48, VITA 78, etc.). Les exigences clés incluent :
- Finition de surface : 16 µin RMS ou mieux sur les surfaces de contact de la fente
- Placage : Chromate clair selon MIL-C-5541 classe 3 pour représenter les conditions typiques du châssis
- Refroidissement actif : Dissipateurs à ailettes avec ventilateurs dimensionnés pour dissiper la puissance prévue lors du test
- Thermocouples : Placés de chaque côté de la fente pour mesurer la température de la paroi froide à chaque interface
Un entretoise non conducteur thermique (généralement en plastique ABS) est placé à la base de la fente pour empêcher le cadre chauffant de toucher le fond et de créer un troisième chemin thermique qui fausserait les résultats.
Plaque d'essai
La plaque d'essai simule un cadre thermique avec un verrou à coin fixé. Elle est fabriquée en aluminium 6061-T6 avec une finition de surface de 16 µin RMS dans les zones de contact. L'épaisseur de la plaque est calculée en fonction de la hauteur de la fente du mur froid, de la hauteur du verrou à coin et de l'expansion nominale :
Épaisseur de la plaque d'essai = Hauteur de la fente du mur froid - Hauteur du verrou à coin - Expansion nominale du verrou à coin
Pour une configuration standard VITA 48 avec un verrou à coin de 0,225" de hauteur et une expansion nominale de 0,025" : 0,525" - 0,225" - 0,025" = 0,275"
Les résistances de charge montées sur la plaque d'essai simulent la dissipation thermique des composants, avec une capacité d'au moins 100 watts. Les résistances sont recouvertes d'une isolation en PTFE pour minimiser les pertes par convection et garantir que la chaleur circule par les chemins de conduction prévus.
Mesure de température
Trois mesures de température sont nécessaires pour calculer la résistance thermique :
- Température de la plaque d'essai (TP) : Moyenne de quatre thermocouples espacés uniformément le long de la plaque d'essai, situés entre la source de chaleur et le verrou à coin, positionnés à environ 0,100" à 0,200" du bord du verrou à coin
- Température côté cadre du mur froid (TCWF) : Moyenne de deux thermocouples centrés le long de la longueur du mur froid, positionnés à environ 0,100" à 0,200" de l'interface cadre - mur froid
- Température côté coin du mur froid (TCWW) : Moyenne de deux thermocouples centrés le long de la longueur du mur froid, positionnés à environ 0,100" à 0,200" de l'interface verrou à coin - mur froid
Des thermocouples de type T sont utilisés pour leur précision dans la plage de température concernée. Le placement des thermocouples est crucial. Les capteurs doivent être aussi proches que possible de l'interface sans gêner le contact.
Calculs de résistance thermique
Parce que la chaleur circule par des chemins parallèles, la résistance thermique de chaque chemin est calculée séparément, puis combinée en utilisant la formule de résistance parallèle.
Résistance thermique côté cadre (ROrange)
ROrange = (TP - TCWF) / 0,7P
Où P est la puissance totale et 0,7P représente les 70 % de chaleur supposés circuler par le chemin côté cadre.
Résistance thermique côté coin (RW)
RW = (TP - TCWW) / 0,3P
Où 0,3P représente les 30 % de chaleur supposés circuler par le chemin du verrou à coin.
Résistance thermique totale (RT)
RT = (ROrange × RW) / (ROrange + RW)
Ceci est la formule standard de résistance parallèle. Le résultat est exprimé en °C/W.
Procédure de test
Les données sont acquises à plusieurs niveaux de puissance pour vérifier une performance constante sur toute la plage de fonctionnement :
- Incréments de puissance : 20W, 40W, 60W, 80W et 100W
- Critères de stabilisation : Pas de variation de température supérieure à 1°C sur cinq minutes (selon MIL-STD-202)
- Étalonnage initial : Moyennes de la paroi froide et de la plaque de test dans une marge de 0,2°C avant application de la puissance
Tester à plusieurs niveaux de puissance confirme que la résistance thermique reste constante et révèle tout comportement non linéaire pouvant affecter les applications à haute puissance.
Pourquoi la finition de surface est importante
Le transfert de chaleur à travers une interface métal-métal dépend de la zone de contact réelle. À l’échelle microscopique, même les surfaces usinées présentent des pics et des creux. Seuls les pics sont en contact, donc la zone de contact effective est une fraction de la zone apparente.
Une spécification de finition de surface de 16 µin RMS garantit des conditions de contact cohérentes et reproductibles. Des surfaces plus rugueuses réduisent la zone de contact et augmentent la résistance thermique. C’est pourquoi WaveTherm spécifie des exigences de finition de surface pour l’équipement de test et le matériel de production.
Les surfaces du dispositif de test sont considérées comme des pièces d’usure et doivent être nettoyées entre chaque échantillon. Si la rugosité de surface dépasse la plage acceptable, les surfaces doivent être refaites pour maintenir la précision des tests.
Tests en vide et en altitude
La même méthodologie peut être appliquée dans une chambre à vide pour caractériser les performances en haute altitude. En altitude, la pression atmosphérique réduite élimine le refroidissement convectif, rendant la conduction à travers le verrouillage et le cadre thermique encore plus critique. Les tests en vide valident que les performances thermiques sont maintenues dans ces conditions.
Ce que cela signifie pour votre conception
Comprendre la méthodologie des tests thermiques vous aide à interpréter les spécifications des fournisseurs et à prévoir les performances en conditions réelles. Lors de l’évaluation des données de résistance thermique des verrouillages, considérez :
- Conditions de test : Les tests ont-ils été réalisés à des niveaux de puissance pertinents pour votre application ?
- Conditions de surface : Quel type de finition de surface et de placage a été utilisé ?
- Conformité VITA : Le dispositif de test a-t-il été construit selon la même spécification VITA que votre châssis ?
- Reproductibilité : Le fournisseur utilise-t-il une méthodologie standardisée qui produit des résultats cohérents ?
- Force de serrage : La pression de contact à l'interface entre le verrouillage et la paroi froide influence directement la qualité du transfert de chaleur à travers cette interface. Une force de serrage plus élevée signifie un meilleur contact et une résistance thermique plus faible. Voir comment la force de serrage SOLIDWEDGE™ est calculée pour une explication détaillée.
La méthodologie de test thermique de WaveTherm est conçue pour produire une caractérisation précise et reproductible des verrouillages SOLIDWEDGE™ dans des conditions correspondant aux environnements réels des châssis VPX. Les valeurs publiées de résistance thermique reflètent les performances que vous pouvez attendre dans des systèmes correctement conçus.
