ウェッジロックの熱性能の測定方法
Wedgelockの熱抵抗は製品データシートに°C/Wで記載されています。本記事では、WaveThermの°C/W測定方法と、VITA準拠の治具および標準化された条件を用いてSOLIDWEDGE™ wedgelockの熱性能を評価する手法の概要を紹介します。詳細な治具図面や計算例を含む完全な方法論については、完全な熱試験レポートをご覧ください。
熱抵抗とは何か？
熱抵抗は材料やインターフェースが熱の流れにどれだけ抵抗するかを示し、wedgelockの場合はヒートフレームからシャーシのコールドウォールへの熱伝達の効率を定量化します。単位は°C/Wで、1ワットの電力がその経路を通るごとに何度温度が上昇するかを示します。
熱抵抗が0.1°C/Wのwedgelockは、10ワットの熱を伝導するとインターフェースで1°Cの温度降下を生じます。熱抵抗が低いほど熱伝達が良好です。50〜100ワット以上を放散する伝導冷却VPXモジュールでは、熱抵抗のわずかな違いが信頼性や性能に影響を与えるコンポーネントの温度差に直結します。
伝導冷却モジュールを通じて熱はどのように流れるのか？
伝導冷却されたVPXモジュールでは、PCB上のコンポーネントで発生した熱がヒートフレームを通じてシャーシのコールドウォールに流れます。この熱伝達には2つの並列経路があります。
- フレームとコールドウォールの接触：ヒートフレームカバーはコールドウォールスロットの一方の側に直接押し付けられ、大きな接触面積の恩恵を受けます。
- Wedgelockとコールドウォールの接触：Wedgelockはコールドウォールスロットの反対側に向かって膨張します。この経路はクランプ力に不可欠であり、熱性能にも寄与します。
各経路で運ばれる熱の割合は固定されていません。これは各経路の相対的な熱抵抗に依存し、wedgelockの取り付け方向によって変化します。実際には、以下に詳述するように、通常70/30から80/20の間の割合になります。
モジュール表面からの対流および放射による熱損失は、密閉されたエンクロージャ内では通常無視できるため、wedgelockの熱特性評価には考慮されません。
熱は両方の経路を同時に流れるため、システム全体の熱抵抗は並列抵抗の公式に従います。これは電気回路の抵抗器に似ています。経路間の熱の分配はこの並列組み合わせの結果であり、事前に仮定するものではありません。熱抵抗が低い経路が常により多くの熱を運びます。
ウェッジロックの向きが熱流に与える影響
ウェッジロックの取り付け方向は熱性能に最も影響を与える重要な決定事項の一つです。代表的な設計比較では、二次側の向きが同じカードで一次側の向きに比べて総熱抵抗を約5～6倍低減しました。これは主にPCBを一次伝導経路から除外したことによるものです。正確な改善度は設計によって異なりますが、PCBは一次側構成で熱抵抗の最大の単一要因であるため、経路から除外することは非常に大きな効果をもたらします。
フレームから冷却壁への接触とウェッジロックから冷却壁への接触の間の熱の分配は一定ではありません。ウェッジロックの取り付け方向によって変化します。なぜなら、取り付け方向がカードフレームのどちら側が冷却壁に直接接触するかを決め、熱がそこに到達する際の抵抗量に影響を与えるからです。
一次側カバー（PCBの部品側）は基板からの熱の大部分を受け取ります。このカバーが冷却壁に対してどこに位置し、熱がどれだけ直接届くかが、熱の効率的な除去を決定します。
二次側の向き（PCBの横にあるSOLIDWEDGE™ウェッジロック）
一次側カバーは冷却壁に直接接触し、PCBは一次熱経路から完全に除外されています。この金属同士の直接接触により、フレームから冷却壁への経路が最も低抵抗のルートとなり、約80％の熱を運びます。ウェッジロックは二次側から残りの20％を処理します。
一次側の向き（PCBの上にあるSOLIDWEDGE™ウェッジロック）
二次側カバーは冷却壁に直接接触していますが、熱は一次側（部品側）から発生し、PCBと二次側カバーを通ってその接触点に伝導しなければなりません。PCB基板は熱伝導率が低いため、この経路はかなりの抵抗を伴います。そのため、実際には熱の約70％が一次側カバーの上にあるウェッジロックを通る短い経路を通り、約30％だけがPCBを通って二次側カバーの接触点に至る長い経路を通ります。ここでは役割が逆転し、ウェッジロック側がより低抵抗の経路となります。この構成は通常、対流が主な冷却方法で伝導が補助的な役割を果たす場合に使用されます。
高出力の伝導冷却モジュールでは、ほとんどの部品熱に対して最も直接的な熱経路を提供するため、セカンダリサイドの向きが推奨されます。
試験装置とセットアップ
正確な熱試験には、実際のシャーシ条件を再現しつつ、精密な温度測定を可能にする装置が必要です。
コールドウォール試験治具
コールドウォールは、適切なVITA仕様（VITA 48、VITA 78など）に加工されたカードエッジスロットを備えたヒートシンクです。主な要件は以下の通りです：
- 表面仕上げ：スロット接触面は16 µin RMS以上の仕上げ
- めっき：典型的なシャーシ条件を表すためにMIL-C-5541クラス3のクリアクロメート処理
- アクティブ冷却：計画された試験ワット数を放散するためのファン付きフィンヒートシンク
- 熱電対：スロットの両側に配置され、各接合部のコールドウォール温度を測定
熱フレームが底部に接触して第三の熱経路を作り結果を歪めるのを防ぐため、スロットの底部には非熱伝導性のスペーサー（通常はABSプラスチック）が配置されています。
試験プレート
試験プレートはウェッジロックが取り付けられたヒートフレームをシミュレートしています。6061-T6アルミニウム製で、接触面は16 µin RMSの表面仕上げです。プレートの厚さはコールドウォールスロット高さ、ウェッジロック高さ、公称膨張に基づいて計算されます。
試験プレート厚さ = コールドウォールスロット高さ - ウェッジロック高さ - ウェッジロック公称膨張
標準的なVITA 48構成で、高さ0.225インチのウェッジロックと公称膨張0.025インチの場合：0.525インチ - 0.225インチ - 0.025インチ = 0.275インチ
試験プレートに搭載された負荷抵抗器は、少なくとも100ワットの容量で部品の発熱をシミュレートします。抵抗器はPTFE絶縁で覆われており、対流損失を最小限に抑え、熱が意図した伝導経路を通るようにしています。
温度測定
熱抵抗を計算するには、3つの温度測定が必要です：
- テストプレート温度 (TP):熱源とウェッジロックの間に位置し、テストプレートの長さに均等に配置された4つの熱電対の平均値で、ウェッジロックの端から約0.100"〜0.200"の位置に設置
- コールドウォールフレーム側温度 (TCWF):コールドウォールの長さに沿って中央に配置された2つの熱電対の平均値で、フレームとコールドウォールの接合部から約0.100"〜0.200"の位置に設置
- コールドウォールウェッジ側温度 (TCWW):コールドウォールの長さに沿って中央に配置された2つの熱電対の平均値で、ウェッジロックとコールドウォールの接合部から約0.100"〜0.200"の位置に設置
Type-T熱電対は、該当温度範囲での精度のために使用されます。熱電対の配置は重要であり、接触を妨げない範囲でインターフェースにできるだけ近づける必要があります。
熱抵抗の計算
熱は並列経路を通って流れるため、各経路の熱抵抗を個別に計算し、並列抵抗の公式で組み合わせます。これらの計算に使用される熱分割は、試験中の取り付け方向に特有であり、セカンダリサイド方向では約80/20（フレーム側/ウェッジ側）、プライマリサイド方向では約70/30（ウェッジ側/フレーム側）です。
フレーム側熱抵抗 (RF)
RF = (TP - TCWF) / (SFP)
ここで P は総電力、SF は、試験中の方向におけるフレーム側経路を通る熱の割合であり、セカンダリサイド方向では約0.8、プライマリサイド方向では約0.3です。
ウェッジ側熱抵抗 (RW)
RW = (TP - TCWW) / (SWP)
ここで SW は、試験中の方向におけるウェッジロック経路を通る熱の割合であり、セカンダリサイド方向では約0.2、プライマリサイド方向では約0.7です。
総熱抵抗 (RT)
RT = (RF × RW) / (RF + RW)
これは標準的な並列抵抗の公式です。結果は°C/Wで表されます。
試験手順
動作範囲全体で一貫した性能を確認するため、複数の電力レベルでデータを取得します：
- 電力増分：20W、40W、60W、80W、100W
- 安定化基準：5分間で1°Cを超える温度変化がないこと（MIL-STD-202準拠）
- 初期校正：電力をかける前に、コールドウォールとテストプレートの平均温度が0.2°C以内であること
複数の電力レベルでのテストにより、熱抵抗が一貫していることが確認され、高出力用途に影響を与える可能性のある非線形挙動が明らかになります。
表面仕上げが重要な理由
金属間の熱伝達は実際の接触面積に依存します。微視的には、加工された表面でも峰と谷があります。接触するのは峰だけなので、実効接触面積は見かけの面積の一部にすぎません。
16 µin RMSの表面仕上げ仕様は、一貫した再現性のある接触条件を保証します。粗い表面は接触面積を減らし、熱抵抗を増加させます。これがWaveThermが試験装置と製造ハードウェアの両方に表面仕上げ要件を指定する理由です。
試験治具の表面は消耗品とみなされ、試料間で清掃が必要です。表面粗さが許容範囲を超えて劣化した場合、試験の精度を保つために表面を再仕上げする必要があります。
真空および高高度試験
同じ方法論は真空チャンバー内で高高度性能を評価するためにも適用できます。高高度では気圧が低下し対流冷却がなくなるため、ウェッジロックとヒートフレームを通じた伝導がさらに重要になります。真空試験はこれらの条件下で熱性能が維持されることを検証します。
設計における意味
熱試験方法を理解することで、ベンダーの仕様を正しく解釈し、実際の性能を予測できます。ウェッジロックの熱抵抗データを評価する際には、以下を考慮してください：
- 試験条件： 試験はお客様の用途に関連する電力レベルで行われましたか？
- 表面状態： どのような表面仕上げやメッキが使用されましたか？
- VITA準拠： テスト治具はお使いのシャーシと同じVITA仕様で作られていますか？
- 再現性： ベンダーは一貫した結果を出す標準化された方法論を使用していますか？
- 締付力： ウェッジロックとコールドウォールの接触面での圧力は、熱の伝達効率に直接影響します。締付力が高いほど接触が良くなり、熱抵抗は低くなります。詳細はSOLIDWEDGE™の締付力の計算方法をご覧ください。
WaveThermの熱試験方法は、実際のVPXシャーシ環境に合った条件下でSOLIDWEDGE™ウェッジロックの正確で再現性のある特性評価を行うよう設計されています。公表されている熱抵抗値は、適切に設計されたシステムで期待できる性能を反映しています。