Comment la performance thermique de Wedgelock est mesurée

La résistance thermique des wedgelocks est indiquée sur les fiches techniques en °C/W. Cet article offre 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, voir 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 heatframe vers le mur froid du châssis. Elle s'exprime en °C/W, ce qui indique combien de degrés de hausse de température on obtient pour chaque watt de puissance dissipée 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 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 heatframe et dans le mur froid du châssis. Il existe deux chemins parallèles pour ce transfert de chaleur :

• Contact cadre-mur froid : Le couvercle du heatframe appuie directement contre un côté de la fente du mur froid, bénéficiant d'une grande surface de contact.
• Contact wedgelock-mur froid : Le wedgelock s'expanse contre le côté opposé de la fente du mur froid. Ce chemin est essentiel pour la force de serrage et contribue également à la performance thermique.

Le pourcentage de chaleur transporté par chaque chemin n'est pas fixe. Il dépend de la résistance thermique relative de chaque chemin, qui varie selon l'orientation de montage du wedgelock. En pratique, cela se traduit généralement par une répartition comprise entre 70/30 et 80/20, comme détaillé ci-dessous.

Les pertes convectives et radiatives des surfaces du module sont généralement négligeables dans les boîtiers scellés et ne sont pas prises en compte dans la caractérisation thermique des wedgelocks.

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. La répartition entre les chemins résulte de cette combinaison en parallèle, et n’est pas une donnée que vous supposez à l’avance. Le chemin avec la résistance thermique la plus faible transporte toujours la plus grande partie de la chaleur.

Comment l’orientation du verrou affecte le flux de chaleur

L’orientation du montage du verrou est l’une des décisions les plus importantes pour la performance thermique. Dans une comparaison représentative de conception, l’orientation côté secondaire a permis d’atteindre une résistance thermique totale environ 5 à 6 fois plus faible que l’orientation côté primaire pour la même carte, principalement grâce au retrait du PCB du chemin principal de conduction. L’amélioration exacte varie selon la conception, mais le PCB est systématiquement le plus grand contributeur unique à la résistance thermique dans une configuration côté primaire, donc le retirer du chemin a un effet considérable.

La répartition de la chaleur entre le contact cadre-paroi froide et le contact verrou-paroi froide n’est pas constante. Elle varie selon l’orientation du montage du verrou, car cette orientation détermine quel côté du cadre de la carte est en contact direct avec la paroi froide, et la résistance que la chaleur rencontre pour y parvenir.

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, et la manière dont la chaleur peut l’atteindre directement, déterminent l’efficacité de l’extraction de cette chaleur.

Orientation côté secondaire (verrou SOLIDWEDGE™ à côté du PCB)

Le couvercle côté primaire est en contact direct avec la paroi froide, et le PCB est complètement retiré du chemin principal de la chaleur. Avec ce contact métal à métal direct, le chemin cadre-paroi froide devient la voie de moindre résistance, transportant environ 80 % de la chaleur. Le verrou SOLIDWEDGE gère les 20 % restants provenant du côté secondaire.

Orientation côté primaire (verrou SOLIDWEDGE™ au-dessus du PCB)

Le couvercle secondaire est en contact direct avec la paroi froide, mais la chaleur provient du côté primaire (côté composants) et doit se propager à travers le PCB et le couvercle secondaire pour atteindre ce contact. Le substrat du PCB est un mauvais conducteur thermique, donc ce chemin présente une résistance importante. Pour cette raison, la majeure partie de la chaleur emprunte en fait le chemin le plus court à travers le verrou SOLIDWEDGE situé au-dessus du couvercle primaire, environ 70 %, tandis qu'environ 30 % seulement effectuent le trajet plus long à travers le PCB jusqu'au contact du couvercle secondaire. Ici, les rôles sont inversés, le côté verrou étant désormais le chemin de moindre résistance. Cette configuration est généralement utilisée lorsque la convection est la méthode principale 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.

Dispositif de test du mur froid

Le mur froid est un dissipateur thermique avec une fente de bord de 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 de test prévue
• Thermocouples : Placés des deux côtés de la fente pour mesurer la température du mur froid à chaque interface

Un entretoise non conductrice thermique (généralement en plastique ABS) est placée à la base de la fente pour empêcher le cadre thermique de toucher le fond et de créer un troisième chemin thermique qui fausserait les résultats.

Plaque de test

La plaque de test simule un cadre thermique avec un verrou 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 et de l'expansion nominale :

Épaisseur de la plaque de test = Hauteur de la fente du mur froid - Hauteur du verrou - Expansion nominale du verrou

Pour une configuration standard VITA 48 avec un verrou 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 de test 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 la température

Trois mesures de température sont nécessaires pour calculer la résistance thermique :

• Température de la plaque d'essai (T_P) : Moyenne de quatre thermocouples espacés uniformément le long de la plaque d'essai, situés entre la source de chaleur et le wedgelock, positionnés à environ 0,100" à 0,200" du bord du wedgelock
• Température côté cadre du mur froid (T_CWF) : 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 wedge du mur froid (T_CWW) : Moyenne de deux thermocouples centrés le long de la longueur du mur froid, positionnés à environ 0,100" à 0,200" de l'interface wedgelock-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. La répartition de la chaleur utilisée dans ces calculs est spécifique à l'orientation de montage testée, environ 80/20 (côté cadre/côté wedge) pour l'orientation côté secondaire, et environ 70/30 (côté wedge/côté cadre) pour l'orientation côté primaire.

Résistance thermique côté cadre (R_F)

R_F = (T_P - T_CWF) / (S_FP)

Où P est la puissance totale et S_F est la fraction de chaleur circulant par le chemin côté cadre pour l'orientation testée, environ 0,8 pour l'orientation côté secondaire ou environ 0,3 pour l'orientation côté primaire.

Résistance thermique côté wedge (R_W)

R_W = (T_P - T_CWW) / (S_WP)

Où S_W est la fraction de chaleur circulant par le chemin wedgelock pour l'orientation testée, environ 0,2 pour l'orientation côté secondaire ou environ 0,7 pour l'orientation côté primaire.

Résistance thermique totale (R_T)

R_T = (R_F × R_W) / (R_F + R_W)

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 : Aucun changement de température supérieur à 1°C sur cinq minutes (selon MIL-STD-202)
• Étalonnage initial : Moyennes du mur froid et de la plaque d'essai dans un écart de 0,2°C avant l'application de la puissance

Les tests à plusieurs niveaux de puissance confirment que la résistance thermique reste constante et révèlent tout comportement non linéaire pouvant affecter les applications à haute puissance.

Pourquoi le fini de surface est important

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 vallées. Seuls les pics sont en contact, donc la zone de contact effective est une fraction de la zone apparente.

Une spécification de fini de surface de 16 µin RMS garantit des conditions de contact cohérentes et répétables. Des surfaces plus rugueuses réduisent la zone de contact et augmentent la résistance thermique. C’est pourquoi WaveTherm spécifie des exigences de fini 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 d’air réduite élimine le refroidissement par convection, rendant la conduction à travers le wedgelock 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 du fournisseur et à prévoir les performances réelles. Lors de l’évaluation des données de résistance thermique des wedgelocks, considérez :

• Conditions de test : Les tests ont-ils été réalisés à des niveaux de puissance pertinents pour votre application ?
• Conditions de surface : Quel fini de surface et quel placage ont été utilisés ?
• Conformité VITA : Le dispositif de test a-t-il été construit selon la même spécification VITA que votre châssis ?
• Répétabilité : Le fournisseur utilise-t-il une méthodologie standardisée qui produit des résultats cohérents ?
• Force de serrage : La pression de contact à l'interface wedgelock-paroi froide affecte 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 répétable des wedgelocks 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.