כיצד נמדדת ביצועי החום של Wedgelock

התנגדות תרמית של וודג'לוק מופיעה בגליונות המידע של המוצר ב-°C/W. מאמר זה מספק סקירה קצרה של שיטת הבדיקה של WaveTherm לקביעת °C/W ולאפיון הביצועים התרמיים של וודג'לוקים SOLIDWEDGE™ באמצעות מתאמים התואמים ל-VITA ותנאים סטנדרטיים. לשיטת הבדיקה המלאה, כולל שרטוטי מתאמים מפורטים ודוגמאות חישוב, ראו את דוח הבדיקה התרמית המלא.

מהי התנגדות תרמית?

התנגדות תרמית מודדת כמה חומר או ממשק מתנגד לזרימת חום, ובמקרה של וודג'לוקים, היא כמותית את יעילות העברת החום ממסגרת החום אל קיר הקרור של השלדה. היא מבוטאת ב-°C/W, המראה כמה מעלות טמפרטורה עולות עבור כל וואט של הספק המועבר דרך הנתיב הזה.

וודג'לוק עם התנגדות תרמית של 0.1°C/W יגרום לירידת טמפרטורה של 1°C בממשק כאשר מעביר 10 וואט. התנגדות תרמית נמוכה יותר משמעותה העברת חום טובה יותר. עבור מודולי VPX מקוררים בהולכה המפזרים 50 עד 100 וואט ומעלה, הבדלים קטנים בהתנגדות התרמית מתורגמים ישירות להבדלים בטמפרטורת הרכיבים המשפיעים על אמינות וביצועים.

כיצד זורם החום במודול מקורר בהולכה?

במודול VPX מקורר בהולכה, החום שנוצר על ידי הרכיבים על לוח המעגלים המודפס זורם דרך מסגרת החום אל קיר הקרור של השלדה. קיימים שני נתיבים מקבילים להעברת חום זו:

• מגע המעטפת עם קיר הקרור (כ-70% מהחום): מכסה מסגרת החום לוחץ ישירות כנגד צד אחד של חריץ קיר הקרור. זהו נתיב החום הראשי בגלל שטח המגע הגדול.
• מגע הוודג'לוק עם קיר הקרור (כ-30% מהחום): הוודג'לוק מתרחב כנגד הצד הנגדי של חריץ קיר הקרור. נתיב זה מעביר פחות חום בגלל שטח המגע הקטן יותר, אך הוא חיוני לכוח ההידוק ותורם משמעותית לביצועים התרמיים.

אובדני הסעה והקרנה ממשטחי המודול בדרך כלל זניחים במארזים אטומים ואינם נלקחים בחשבון באפיון התרמי של הוודג'לוק.

מכיוון שהחום זורם בשני הנתיבים בו-זמנית, ההתנגדות התרמית הכוללת של המערכת פועלת לפי נוסחת ההתנגדות במקביל, בדומה להתנגדויות במעגל חשמלי.

כיצד כיוון הוודג'לוק משפיע על זרימת החום

חלוקת החום של 70/30 בין המעטפת לקיר הקרור לבין המגע של הוודג'לוק עם קיר הקרור נשארת קבועה ללא תלות בתצורה. עם זאת, כיוון ההרכבה של הוודג'לוק קובע איזו צד של מסגרת הכרטיס יוצר מגע ישיר עם קיר הקרור, וזה בעל השלכות תרמיות משמעותיות.

כיסוי הצד הראשי (צד הרכיבים של ה-PCB) מקבל את רוב החום מהלוח. מיקום הכיסוי ביחס לקיר הקר קובע כמה יעיל החום יוסר.

כיוון הצד המשני (SOLIDWEDGE™ Wedgelock לצד ה-PCB)

כיסוי הצד הראשי יוצר מגע ישיר עם הקיר הקר. מכיוון שכיסוי זה נושא את רוב החום, ניתוב 70% ממנו ישירות אל הקיר הקר ממקסם את היעילות התרמית. ה-wedgelock מטפל ב-30% הנותרים מהצד המשני.

כיוון הצד הראשי (SOLIDWEDGE™ Wedgelock מעל ל-PCB)

כיסוי הצד המשני יוצר מגע ישיר עם הקיר הקר. עם זאת, מכיוון שהחום מקורו בצד הראשי (צד הרכיבים), הוא חייב לעבור דרך ה-PCB וכיסוי הצד המשני לפני שהוא מגיע ל-70% ממסלול המגע הישיר. תת-הבסיס של ה-PCB הוא מוליך חום גרוע, ולכן זה מוסיף התנגדות תרמית משמעותית. בנוסף, ה-wedgelock שיושב מעל כיסוי הצד הראשי מגביל את מסלול החום מכיסוי זה אל הקיר הקר, ומגביל את כמות החום שיכולה לעבור דרך מסלול ה-wedgelock של 30%. תצורה זו משמשת בדרך כלל כאשר הקירור העיקרי הוא קונבקציה וההולכה משמשת כתוספת.

למודולים בעלי הספק גבוה עם קירור בהולכה, העדפת כיוון הצד המשני כי הוא מספק את מסלול החום הישיר ביותר לרוב החום של הרכיבים.

ציוד והגדרת בדיקה

בדיקה תרמית מדויקת דורשת ציוד שמדמה תנאי שלדה אמיתיים תוך מתן אפשרות למדידת טמפרטורה מדויקת.

מתקן בדיקת קיר קר

הקיר הקר הוא גוף קירור עם חריץ קצה כרטיס שעובד לפי מפרט VITA המתאים (VITA 48, VITA 78 וכו'). דרישות מפתח כוללות:

• גימור פני השטח: 16 µin RMS או טוב יותר על משטחי המגע בחריץ
• ציפוי: כרומט שקוף לפי MIL-C-5541 דרגה 3 לייצוג תנאי שלדה טיפוסיים
• קירור פעיל: גוף קירור עם סנפירים ומאווררים בגודל המתאים לפיזור ההספק המתוכנן של הבדיקה
• תרמופרות: מונחות משני צדי החריץ למדידת טמפרטורת הקיר הקר בכל ממשק

מרווח שאינו מוליך חום (בדרך כלל פלסטיק ABS) מונח בבסיס החריץ כדי למנוע ממסגרת החום ליצור מגע עם התחתית וליצור מסלול חום שלישי שישפיע על התוצאות.

לוח בדיקה

לוח הבדיקה מדמה heatframe עם וודג'לוק מחובר. הוא עשוי אלומיניום 6061-T6 עם גימור פני שטח RMS של 16 µin באזורים במגע. עובי הלוח מחושב על בסיס גובה חריץ הקיר הקר, גובה הוודג'לוק, וההרחבה הנומינלית:

עובי לוח הבדיקה = גובה חריץ הקיר הקר - גובה הוודג'לוק - הרחבה נומינלית של הוודג'לוק

עבור תצורת VITA 48 סטנדרטית עם וודג'לוק בגובה 0.225" והרחבה נומינלית של 0.025": 0.525" - 0.225" - 0.025" = 0.275"

נגדי עומס המותקנים על לוח הבדיקה מדמים פיזור חום של רכיבים, עם קיבולת של לפחות 100 וואט. הנגדים מכוסים בבידוד PTFE כדי למזער אובדני הסעה ולהבטיח שהחום יזרום דרך מסלולי ההולכה המיועדים.

מדידת טמפרטורה

נדרשות שלוש מדידות טמפרטורה לחישוב התנגדות תרמית:

• טמפרטורת לוח הבדיקה (T_P): ממוצע של ארבע תרמוקפלות המפוזרות באופן שווה לאורך לוח הבדיקה, ממוקמות בין מקור החום לוודג'לוק, במרחק של כ-0.100" עד 0.200" מקצה הוודג'לוק
• טמפרטורת צד המסגרת של הקיר הקר (T_CWF): ממוצע של שתי תרמוקפלות הממוקמות במרכז לאורך הקיר הקר, במרחק של כ-0.100" עד 0.200" מהממשק בין המסגרת לקיר הקר
• טמפרטורת צד הוודג' של הקיר הקר (T_CWW): ממוצע של שתי תרמוקפלות הממוקמות במרכז לאורך הקיר הקר, במרחק של כ-0.100" עד 0.200" מהממשק בין הוודג'לוק לקיר הקר

תרמוקפלות מסוג Type-T משמשות בשל הדיוק שלהן בטווח הטמפרטורות הרלוונטי. מיקום התרמוקפלות קריטי. החיישנים חייבים להיות קרובים ככל האפשר לממשק מבלי להפריע למגע.

חישובי התנגדות תרמית

מכיוון שהחום זורם דרך מסלולים מקבילים, התנגדות תרמית של כל מסלול מחושבת בנפרד, ואז משולבת באמצעות נוסחת ההתנגדות המקבילה.

התנגדות תרמית בצד המסגרת (R_פ)

ר_פ = (T_פ - T_CWF) / 0.7P

כאשר P הוא ההספק הכולל ו-0.7P מייצג 70% מהחום שמניחים שזורם דרך מסלול המסגרת.

התנגדות תרמית בצד הוודג' (R_ו)

ר_ו = (T_פ - T_CWW) / 0.3P

כאשר 0.3P מייצג 30% מהחום שמניחים שזורם דרך מסלול הוודג'לוק.

התנגדות תרמית כוללת (R_ת)

ר_ת = (R_פ × R_ו) / (R_פ + R_ו)

זו נוסחת ההתנגדות המקבילה הסטנדרטית. התוצאה מבוטאת ב-°C/W.

הליך הבדיקה

הנתונים נאספים ברמות הספק שונות כדי לוודא ביצועים עקביים לאורך טווח הפעולה:

• הגדלות הספק: 20W, 40W, 60W, 80W, ו-100W
• קריטריוני ייצוב: אין שינוי טמפרטורה גדול מ-1°C במשך חמש דקות (לפי MIL-STD-202)
• כיול ראשוני: ממוצעי הקיר הקר והצלחת הבדיקה בתוך 0.2°C לפני הפעלת ההספק

בדיקה ברמות הספק שונות מאשרת שההתנגדות התרמית נשארת עקבית וחושפת כל התנהגות לא ליניארית שעשויה להשפיע על יישומים בעלי הספק גבוה.

למה גימור משטח חשוב

העברת חום בממשק מתכת-למתכת תלויה בשטח המגע האמיתי. ברמה מיקרוסקופית, אפילו משטחים מעובדים מכילים פסגות ועמקים. רק הפסגות יוצרות מגע, ולכן שטח המגע האפקטיבי הוא חלק משטח המגע הנראה לעין.

מפרט גימור משטח של 16 µin RMS מבטיח תנאי מגע עקביים וחוזרים. משטחים מחוספסים יותר מצמצמים את שטח המגע ומעלים את ההתנגדות התרמית. לכן WaveTherm מגדירה דרישות גימור משטח גם לציוד הבדיקה וגם לחומרה בייצור.

משטחים במתקן הבדיקה נחשבים לפריטים מתכלים ויש לנקותם בין דגימות. אם מחוספסות המשטח יורדת מעבר לטווח המקובל, יש לחדש את המשטחים כדי לשמור על דיוק הבדיקה.

בדיקות ואקום וגובה

אותה שיטה ניתנת ליישום בתא ואקום כדי לאפיין ביצועים בגובה רב. בגובה, לחץ האוויר המופחת מבטל קירור קונבקטיבי, מה שהופך את ההולכה דרך ה-wedgelock וה-heatframe לקריטית אף יותר. בדיקות ואקום מאמתות שהביצועים התרמיים נשמרים בתנאים אלה.

מה המשמעות של זה עבור העיצוב שלך

הבנת שיטת הבדיקה התרמית עוזרת לך לפרש מפרטי הספק ולחזות ביצועים במציאות. כשמעריכים נתוני התנגדות תרמית של wedgelock, יש לשקול:

• תנאי הבדיקה: האם הבדיקות בוצעו ברמות הספק הרלוונטיות ליישום שלך?
• תנאי משטח: איזה גימור וציפוי שימשו?
• עמידה בתקני VITA: האם מתקן הבדיקה נבנה לפי אותו תקן VITA כמו השלדה שלך?
• חזרתיות: האם הספק משתמש בשיטה סטנדרטית שמניבה תוצאות עקביות?
• כוח ההידוק: לחץ המגע בממשק בין ה-wedgelock לקיר הקר משפיע ישירות על יעילות העברת החום בממשק זה. כוח הידוק גבוה יותר משמעותו מגע טוב יותר והתנגדות תרמית נמוכה יותר. ראה כיצד מחושב כוח ההידוק של SOLIDWEDGE™ לפירוט מלא.

שיטת הבדיקה התרמית של WaveTherm מיועדת לייצר תיאור מדויק וחוזר של SOLIDWEDGE™ wedgelocks בתנאים התואמים לסביבות של שלדות VPX אמיתיות. ערכי ההתנגדות התרמית שפורסמו משקפים ביצועים שניתן לצפות להם במערכות שעוצבו כראוי.