웨지락 열 성능 측정 방법

Wedgelock의 열 저항은 제품 데이터시트에 °C/W 단위로 기재되어 있습니다. 이 글에서는 VITA 규격에 맞는 고정구와 표준화된 조건을 사용하여 SOLIDWEDGE™ wedgelock의 열 성능을 평가하기 위한 WaveTherm의 °C/W 측정 방법론을 간략히 소개합니다. 자세한 고정구 도면과 계산 예제를 포함한 전체 방법론은 전체 열 테스트 보고서를 참조하세요.

열 저항이란 무엇인가요?

열 저항은 재료나 인터페이스가 열 흐름을 얼마나 저항하는지를 측정하며, wedgelock의 경우 히트프레임에서 섀시 냉각벽으로 열이 얼마나 효과적으로 전달되는지를 수치로 나타냅니다. °C/W 단위로 표현되며, 이는 해당 경로를 통해 1와트의 전력이 소산될 때 몇 도의 온도 상승이 발생하는지를 알려줍니다.

열 저항이 0.1°C/W인 wedgelock은 10와트를 전달할 때 인터페이스에서 1°C의 온도 강하를 발생시킵니다. 열 저항이 낮을수록 열 전달이 더 우수합니다. 50~100와트 이상을 방출하는 전도 냉각 VPX 모듈의 경우, 열 저항의 작은 차이가 신뢰성과 성능에 영향을 미치는 부품 온도 차이로 직접 이어집니다.

전도 냉각 모듈에서 열은 어떻게 흐르나요?

전도 냉각 VPX 모듈에서는 PCB의 부품에서 발생한 열이 히트프레임을 통해 섀시 냉각벽으로 흐릅니다. 이 열 전달에는 두 개의 병렬 경로가 있습니다:

• 프레임과 냉각벽 접촉: 히트프레임 커버가 냉각벽 슬롯의 한쪽 면에 직접 눌려 큰 접촉 면적의 이점을 누립니다.
• Wedgelock과 냉각벽 접촉: wedgelock은 냉각벽 슬롯의 반대편에 맞닿아 팽창합니다. 이 경로는 클램핑 힘에 필수적이며 열 성능에도 기여합니다.

각 경로를 통해 전달되는 열의 비율은 고정되어 있지 않습니다. 이는 wedgelock 장착 방향에 따라 변하는 각 경로의 상대적인 열 저항에 따라 달라집니다. 실제로는 보통 아래에 자세히 설명된 대로 70/30에서 80/20 사이의 분배가 일반적입니다.

모듈 표면에서의 대류 및 복사 손실은 일반적으로 밀폐된 인클로저에서는 무시할 수 있으며 wedgelock 열 특성 평가에서는 고려하지 않습니다.

열은 두 경로를 동시에 통해 흐르기 때문에 시스템의 총 열 저항은 병렬 저항 공식에 따르며, 이는 전기 회로의 저항기와 유사합니다. 경로 간 분배는 이 병렬 조합의 결과이며, 사전에 가정하는 입력값이 아닙니다. 열 저항이 더 낮은 경로가 항상 더 많은 열을 전달합니다.

웨지락 방향이 열 흐름에 미치는 영향

웨지락 장착 방향은 열 성능에 가장 중요한 결정 중 하나입니다. 대표적인 설계 비교에서 보조 측 방향은 동일 카드에 대해 1차 측 방향보다 총 열 저항이 약 5-6배 낮았으며, 이는 주로 PCB를 주요 전도 경로에서 제거한 데 기인합니다. 정확한 개선 정도는 설계에 따라 다르지만, PCB는 1차 측 구성에서 항상 열 저항의 가장 큰 단일 원인이므로 경로에서 제거하는 것이 큰 효과를 냅니다.

프레임-냉각벽 접촉과 웨지락-냉각벽 접촉 간의 열 분배는 일정하지 않습니다. 웨지락 장착 방향에 따라 달라지는데, 방향이 카드 프레임의 어느 쪽이 냉각벽과 직접 접촉하는지, 그리고 열이 그곳에 도달할 때 얼마나 많은 저항을 만나는지를 결정하기 때문입니다.

1차 측 커버(PCB의 부품 측)는 보드에서 대부분의 열을 받습니다. 이 커버가 냉각벽에 대해 어디에 위치하는지, 그리고 열이 얼마나 직접적으로 도달할 수 있는지가 열 추출 효율을 결정합니다.

보조 측 방향 (PCB 옆에 SOLIDWEDGE™ 웨지락)

1차 측 커버가 냉각벽과 직접 접촉하며, PCB는 1차 열 경로에서 완전히 제외됩니다. 이 금속 대 금속의 직접 접촉으로 프레임에서 냉각벽으로 가는 경로가 가장 낮은 저항 경로가 되어 약 80%의 열을 전달합니다. 웨지락은 보조 측에서 나머지 20%를 처리합니다.

1차 측 방향 (PCB 위에 SOLIDWEDGE™ 웨지락)

보조 측 커버는 냉각벽과 직접 접촉하지만, 열은 1차 측(부품 측)에서 발생하며 PCB와 보조 측 커버를 통해 그 접촉점에 전달되어야 합니다. PCB 기판은 열 전도율이 낮아 이 경로는 상당한 저항을 가집니다. 그래서 실제로 대부분의 열은 1차 측 커버 위에 위치한 웨지락을 통해 더 짧은 경로로 약 70%가 전달되고, 약 30%만이 PCB를 통해 보조 측 커버 접촉점으로 더 긴 경로를 거칩니다. 여기서 역할이 반전되어 웨지락 쪽이 더 낮은 저항 경로가 됩니다. 이 구성은 일반적으로 대류가 주요 냉각 방법이고 전도가 보조 역할을 할 때 사용됩니다.

고출력 전도 냉각 모듈의 경우, 대부분의 부품 열에 대해 가장 직접적인 열 경로를 제공하므로 보조 측면 방향이 선호됩니다.

테스트 장비 및 설정

정확한 열 테스트는 실제 섀시 조건을 재현하면서 정밀한 온도 측정을 가능하게 하는 장비가 필요합니다.

콜드 월 테스트 장치

콜드 월은 적절한 VITA 사양(VITA 48, VITA 78 등)에 맞게 가공된 카드 엣지 슬롯이 있는 히트 싱크입니다. 주요 요구 사항은 다음과 같습니다:

• 표면 마감: 슬롯 접촉면에 16 µin RMS 이상
• 도금: 일반적인 섀시 조건을 나타내기 위해 MIL-C-5541 클래스 3에 따른 투명 크로메이트 도금
• 능동 냉각: 계획된 테스트 와트를 방출할 수 있도록 크기가 조정된 팬이 장착된 핀형 히트 싱크
• 열전대: 각 인터페이스에서 콜드 월 온도를 측정하기 위해 슬롯 양쪽에 배치됨

열전도성이 없는 스페이서(일반적으로 ABS 플라스틱)가 슬롯 바닥에 배치되어 히트프레임이 바닥과 접촉하여 결과를 왜곡할 수 있는 세 번째 열 경로를 방지합니다.

테스트 플레이트

테스트 플레이트는 웨지락이 부착된 히트프레임을 시뮬레이션합니다. 6061-T6 알루미늄으로 제작되었으며 접촉 부위는 16 µin RMS 표면 마감 처리되어 있습니다. 플레이트 두께는 콜드 월 슬롯 높이, 웨지락 높이 및 명목 확장을 기준으로 계산됩니다.

테스트 플레이트 두께 = 콜드 월 슬롯 높이 - 웨지락 높이 - 웨지락 명목 확장

0.225" 높이의 웨지락과 0.025" 명목 확장을 가진 표준 VITA 48 구성의 경우: 0.525" - 0.225" - 0.025" = 0.275"

테스트 플레이트에 장착된 부하 저항기는 부품의 열 방출을 시뮬레이션하며 최소 100와트 용량을 갖추고 있습니다. 저항기는 대류 손실을 최소화하고 열이 의도된 전도 경로를 통해 흐르도록 PTFE 절연으로 덮여 있습니다.

온도 측정

열 저항 계산을 위해 세 가지 온도 측정이 필요합니다:

• 테스트 플레이트 온도 (T_P): 테스트 플레이트 길이 전체에 고르게 배치된 네 개의 열전대 평균값, 열원과 웨지락 사이, 웨지락 가장자리에서 약 0.100"~0.200" 떨어진 위치
• 냉벽 프레임 측 온도 (T_CWF): 냉벽 길이 중앙에 위치한 두 개의 열전대 평균값, 프레임-냉벽 인터페이스에서 약 0.100"~0.200" 떨어진 위치
• 냉벽 웨지 측 온도 (T_CWW): 냉벽 길이 중앙에 위치한 두 개의 열전대 평균값, 웨지락-냉벽 인터페이스에서 약 0.100"~0.200" 떨어진 위치

Type-T 열전대는 관련 온도 범위에서의 정확성 때문에 사용됩니다. 열전대 위치 선정이 매우 중요하며, 센서는 접촉을 방해하지 않으면서 인터페이스에 최대한 가까워야 합니다.

열 저항 계산

열은 병렬 경로를 통해 흐르므로 각 경로의 열 저항을 별도로 계산한 후 병렬 저항 공식을 사용해 결합합니다. 이 계산에 사용된 열 분할은 시험 중인 장착 방향에 따라 다르며, 보조 측 방향은 약 80/20(프레임 측/웨지 측), 주 측 방향은 약 70/30(웨지 측/프레임 측)입니다.

프레임 측 열 저항 (R_F)

R_F = (T_P - T_CWF) / (S_FP)

여기서 P는 총 전력이고 S_F 시험 중인 방향에 대해 프레임 측 경로를 통해 흐르는 열의 비율로, 보조 측 방향은 약 0.8, 주 측 방향은 약 0.3입니다.

웨지 측 열 저항 (R_W)

R_W = (T_P - T_CWW) / (S_WP)

여기서 S_W 시험 중인 방향에 대해 웨지락 경로를 통해 흐르는 열의 비율로, 보조 측 방향은 약 0.2, 주 측 방향은 약 0.7입니다.

총 열 저항 (R_T)

R_T = (R_F × R_W) / (R_F + R_W)

이것은 표준 병렬 저항 공식입니다. 결과는 °C/W 단위로 표현됩니다.

시험 절차

운영 범위 전반에 걸쳐 일관된 성능을 확인하기 위해 여러 전력 수준에서 데이터를 수집합니다:

• 전력 증가 단계: 20W, 40W, 60W, 80W, 100W
• 안정화 기준: 5분 동안 1°C 이상의 온도 변화 없음 (MIL-STD-202 기준)
• 초기 보정: 전력 인가 전 냉벽과 테스트 플레이트 평균 온도 차이 0.2°C 이내

여러 전력 수준에서의 테스트를 통해 열 저항이 일관되게 유지되는지 확인하고, 고전력 응용에 영향을 줄 수 있는 비선형 동작을 밝혀냅니다.

표면 마감이 중요한 이유

금속 대 금속 인터페이스를 통한 열 전달은 실제 접촉 면적에 따라 달라집니다. 미세한 수준에서 가공된 표면도 봉우리와 골짜기가 있습니다. 접촉하는 것은 봉우리뿐이므로 유효 접촉 면적은 겉보기 면적의 일부에 불과합니다.

16 µin RMS 표면 마감 사양은 일관되고 반복 가능한 접촉 조건을 보장합니다. 거친 표면은 접촉 면적을 줄이고 열 저항을 증가시킵니다. 이것이 WaveTherm이 테스트 장비와 생산 하드웨어 모두에 대해 표면 마감 요구 사항을 지정하는 이유입니다.

테스트 장치 표면은 마모 부품으로 간주되며 시편 간에 청소해야 합니다. 표면 거칠기가 허용 범위를 벗어나면 테스트 정확도를 유지하기 위해 표면을 재마감해야 합니다.

진공 및 고고도 테스트

동일한 방법론을 진공 챔버에서 적용하여 고고도 성능을 특성화할 수 있습니다. 고고도에서는 공기 압력이 낮아져 대류 냉각이 사라지므로 웨지락과 히트프레임을 통한 전도가 더욱 중요해집니다. 진공 테스트는 이러한 조건에서 열 성능이 유지됨을 검증합니다.

귀하의 설계에 대한 의미

열 테스트 방법론을 이해하면 공급업체 사양을 해석하고 실제 성능을 예측하는 데 도움이 됩니다. 웨지락 열 저항 데이터를 평가할 때 다음을 고려하세요:

• 테스트 조건: 테스트가 귀하의 적용 분야에 적합한 전력 수준에서 수행되었습니까?
• 표면 상태: 어떤 표면 마감과 도금이 사용되었습니까?
• VITA 준수: 테스트 장치가 귀하의 섀시와 동일한 VITA 사양에 맞게 제작되었습니까?
• 반복성: 공급업체가 일관된 결과를 내는 표준화된 방법론을 사용합니까?
• 클램핑 힘: 웨지락과 콜드 월 인터페이스 간의 접촉 압력은 열이 그 인터페이스를 통해 얼마나 잘 전달되는지에 직접적인 영향을 미칩니다. 클램핑 힘이 높을수록 접촉이 더 잘 이루어지고 열 저항이 낮아집니다. 자세한 내용은 SOLIDWEDGE™ 클램핑 힘 계산 방법을 참조하세요.

WaveTherm의 열 테스트 방법론은 실제 VPX 섀시 환경과 일치하는 조건에서 SOLIDWEDGE™ 웨지락의 정확하고 반복 가능한 특성화를 제공하도록 설계되었습니다. 공개된 열 저항 값은 적절히 설계된 시스템에서 기대할 수 있는 성능을 반영합니다.