Hoe de thermische prestatie van Wedgelock wordt gemeten

De thermische weerstand van wedgelocks wordt vermeld op productspecificaties in °C/W. Dit artikel geeft een korte uitleg van de testmethodiek van WaveTherm om °C/W te bepalen en de thermische prestaties van SOLIDWEDGE™ wedgelocks te karakteriseren met VITA-conforme fixtures en gestandaardiseerde condities. Voor de volledige methodiek, inclusief gedetailleerde fixture-tekeningen en rekenvoorbeelden, zie het volledige thermische testrapport.

Wat is thermische weerstand?

Thermische weerstand meet hoe sterk een materiaal of interface de warmtegeleiding tegenwerkt, en voor wedgelocks geeft het aan hoe effectief warmte wordt overgedragen van het heatframe naar de koude wand van het chassis. Het wordt uitgedrukt in °C/W, wat aangeeft hoeveel graden temperatuurstijging er is per watt vermogen dat via dat pad wordt afgevoerd.

Een wedgelock met een thermische weerstand van 0,1°C/W veroorzaakt een temperatuurdaling van 1°C over de interface bij een geleiding van 10 watt. Een lagere thermische weerstand betekent een betere warmteoverdracht. Voor conduction-cooled VPX-modules die 50 tot 100 watt of meer dissiperen, vertalen kleine verschillen in thermische weerstand zich direct in temperatuurverschillen van componenten die de betrouwbaarheid en prestaties beïnvloeden.

Hoe stroomt warmte door een conduction-cooled module?

In een conduction-cooled VPX-module stroomt de warmte die door componenten op de PCB wordt gegenereerd via het heatframe naar de koude wand van het chassis. Er zijn twee parallelle paden voor deze warmteoverdracht:

• Frame-contact met koude wand: De heatframe-afdekking drukt direct tegen één zijde van de sleuf in de koude wand, met voordeel van een groot contactoppervlak.
• Wedgelock-contact met koude wand: De wedgelock zet uit tegen de tegenoverliggende zijde van de sleuf in de koude wand. Dit pad is essentieel voor de klemmingskracht en draagt ook bij aan de thermische prestaties.

Het percentage warmte dat via elk pad wordt afgevoerd, is niet vast. Het hangt af van de relatieve thermische weerstand van elk pad, die verandert met de montagerichting van de wedgelock. In de praktijk komt dit meestal neer op een verdeling tussen 70/30 en 80/20, zoals hieronder nader toegelicht.

Convectieve en stralingsverliezen van de moduleoppervlakken zijn doorgaans verwaarloosbaar in afgesloten behuizingen en worden niet meegenomen in de thermische karakterisering van wedgelocks.

Omdat warmte gelijktijdig via beide paden stroomt, volgt de totale thermische weerstand van het systeem de formule voor parallelle weerstand, vergelijkbaar met weerstanden in een elektrisch circuit. De verdeling tussen de paden is het resultaat van deze parallelle combinatie, niet een vooraf aangenomen invoer. Het pad met de lagere thermische weerstand voert altijd het grootste deel van de warmte af.

Hoe de oriëntatie van de Wedgelock de warmtegeleiding beïnvloedt

De montageoriëntatie van de wedgelock is een van de meest bepalende beslissingen voor thermische prestaties. In een representatieve ontwerpvergelijking behaalde de secundaire zijde oriëntatie een totale thermische weerstand die ongeveer 5-6 keer lager was dan die van de primaire zijde oriëntatie voor dezelfde kaart, voornamelijk doordat de PCB uit het primaire geleidingspad werd verwijderd. De exacte verbetering varieert per ontwerp, maar de PCB is consequent de grootste enkele bijdrage aan thermische weerstand in een primaire zijde configuratie, dus het verwijderen ervan uit het pad heeft een buitengewoon effect.

De verdeling van warmte tussen frame-naar-koude-wand en wedgelock-naar-koude-wand contact is niet constant. Deze verschuift afhankelijk van de montageoriëntatie van de wedgelock, omdat de oriëntatie bepaalt welke zijde van het kaartframe direct contact maakt met de koude wand en hoeveel weerstand de warmte onderweg ondervindt.

De primaire zijbedekking (componentzijde van de PCB) ontvangt het grootste deel van de warmte van de kaart. Waar deze bedekking zich bevindt ten opzichte van de koude wand en hoe direct de warmte deze kan bereiken, bepaalt hoe efficiënt die warmte wordt afgevoerd.

Oriëntatie secundaire zijde (SOLIDWEDGE™ Wedgelock naast PCB)

De primaire zijbedekking maakt direct contact met de koude wand en de PCB is volledig uit het primaire warmtepad verwijderd. Met dit directe metaal-op-metaal contact wordt het frame-naar-koude-wand pad de route met de laagste weerstand, die ongeveer 80% van de warmte afvoert. De wedgelock verwerkt de resterende 20% van de secundaire zijde.

Oriëntatie primaire zijde (SOLIDWEDGE™ Wedgelock bovenop PCB)

De secundaire zijbedekking maakt direct contact met de koude wand, maar de warmte ontstaat aan de primaire zijde (componentzijde) en moet via de PCB en de secundaire zijbedekking geleiden om dat contact te bereiken. Het PCB-substraat is een slechte warmtegeleider, dus deze route heeft een aanzienlijke weerstand. Daarom neemt het merendeel van de warmte eigenlijk de kortere weg via de wedgelock die bovenop de primaire zijbedekking zit, ongeveer 70%, terwijl slechts ongeveer 30% de langere weg via de PCB naar het contact van de secundaire zijbedekking aflegt. Hier zijn de rollen omgedraaid, waarbij de wedgelock-zijde nu het pad met de lagere weerstand is. Deze configuratie wordt meestal gebruikt wanneer convectie de primaire koelmethode is en geleiding als aanvulling dient.

Voor hoogvermogen modules met geleidingkoeling wordt de secundaire zijde oriëntatie aanbevolen omdat deze het meest directe thermische pad biedt voor het merendeel van de warmte van componenten.

Testapparatuur en opstelling

Nauwkeurige thermische testen vereisen apparatuur die de omstandigheden van een echte behuizing nabootst en tegelijkertijd precieze temperatuurmetingen mogelijk maakt.

Koude wand testopstelling

De koude wand is een koellichaam met een kaartrand sleuf gefreesd volgens de juiste VITA-specificatie (VITA 48, VITA 78, enz.). Belangrijke eisen zijn onder andere:

• Oppervlakteafwerking: 16 µin RMS of beter op contactvlakken van de sleuf
• Platering: Transparante chroomlaag volgens MIL-C-5541 klasse 3 om typische behuizingscondities te representeren
• Actieve koeling: Vin koellichamen met ventilatoren, gedimensioneerd om het geplande testvermogen af te voeren
• Thermokoppels: Geplaatst aan beide zijden van de sleuf om de temperatuur van de koude wand bij elke interface te meten

Een niet-thermisch geleidende afstandhouder (meestal ABS kunststof) wordt aan de basis van de sleuf geplaatst om te voorkomen dat het warmteframe de onderkant raakt en zo een derde warmtepad creëert dat de resultaten zou vertekenen.

Testplaat

De testplaat simuleert een warmteframe met een wigsluiting bevestigd. Het is gemaakt van 6061-T6 aluminium met een oppervlakteafwerking van 16 µin RMS op contactvlakken. De plaatdikte wordt berekend op basis van de hoogte van de koude wand sleuf, de hoogte van de wigsluiting en de nominale uitzetting:

Dikte testplaat = hoogte koude wand sleuf - hoogte wigsluiting - nominale uitzetting wigsluiting

Voor een standaard VITA 48-configuratie met een 0,225" hoge wigsluiting en 0,025" nominale uitzetting: 0,525" - 0,225" - 0,025" = 0,275"

Belastingsweerstanden gemonteerd op de testplaat simuleren de warmteafgifte van componenten, met een capaciteit van minimaal 100 watt. De weerstanden zijn bedekt met PTFE-isolatie om convectieverliezen te minimaliseren en te zorgen dat de warmte via de bedoelde geleidingspaden stroomt.

Temperatuurmeting

Drie temperatuurmetingen zijn vereist om de thermische weerstand te berekenen:

• Temperatuur testplaat (T_P): Gemiddelde van vier thermokoppels gelijkmatig verdeeld langs de lengte van de testplaat, geplaatst tussen de warmtebron en wedgelock, op ongeveer 0,100" tot 0,200" van de rand van de wedgelock
• Temperatuur koude wand frame-zijde (T_CWF): Gemiddelde van twee thermokoppels gecentreerd langs de lengte van de koude wand, gepositioneerd op ongeveer 0,100" tot 0,200" van de frame-naar-koude wand interface
• Temperatuur koude wand wedgelock-zijde (T_CWW): Gemiddelde van twee thermokoppels gecentreerd langs de lengte van de koude wand, gepositioneerd op ongeveer 0,100" tot 0,200" van de wedgelock-naar-koude wand interface

Type-T thermokoppels worden gebruikt vanwege hun nauwkeurigheid in het relevante temperatuurbereik. De plaatsing van de thermokoppels is cruciaal. Sensoren moeten zo dicht mogelijk bij de interface worden geplaatst zonder het contact te verstoren.

Berekeningen thermische weerstand

Omdat warmte via parallelle paden stroomt, wordt de thermische weerstand van elk pad afzonderlijk berekend en vervolgens gecombineerd met de formule voor parallelle weerstand. De warmteverdeling die in deze berekeningen wordt gebruikt, is specifiek voor de geteste montageoriëntatie, ongeveer 80/20 (frame-zijde/wedgelock-zijde) voor secundaire zijde oriëntatie, en ongeveer 70/30 (wedgelock-zijde/frame-zijde) voor primaire zijde oriëntatie.

Thermische weerstand frame-zijde (R_F)

R_F = (T_P - T_CWF) / (S_FP)

Waar P het totale vermogen is en S_F is het deel van de warmte dat stroomt via het frame-zijde pad voor de geteste oriëntatie, ongeveer 0,8 voor secundaire zijde oriëntatie of ongeveer 0,3 voor primaire zijde oriëntatie.

Thermische weerstand wedgelock-zijde (R_W)

R_W = (T_P - T_CWW) / (S_WP)

Waar S_W is het deel van de warmte dat stroomt via het wedgelock-pad voor de geteste oriëntatie, ongeveer 0,2 voor secundaire zijde oriëntatie of ongeveer 0,7 voor primaire zijde oriëntatie.

Totale thermische weerstand (R_T)

R_T = (R_F × R_W) / (R_F + R_W)

Dit is de standaardformule voor parallelle weerstand. Het resultaat wordt uitgedrukt in °C/W.

Testprocedure

Gegevens worden verzameld op meerdere vermogensniveaus om consistente prestaties over het werkbereik te verifiëren:

• Vermogensstappen: 20W, 40W, 60W, 80W en 100W
• Stabilisatiecriteria: Geen temperatuurverandering groter dan 1°C gedurende vijf minuten (volgens MIL-STD-202)
• Initiële kalibratie: Gemiddelden van koude wand en testplaat binnen 0,2°C voordat vermogen wordt toegepast

Testen op meerdere vermogensniveaus bevestigt dat de thermische weerstand consistent blijft en onthult eventuele niet-lineaire gedragingen die van invloed kunnen zijn op toepassingen met hoog vermogen.

Waarom Oppervlakteafwerking Belangrijk Is

Warmteoverdracht over een metaal-op-metaal interface hangt af van het werkelijke contactoppervlak. Op microscopisch niveau hebben zelfs bewerkte oppervlakken pieken en dalen. Alleen de pieken maken contact, dus het effectieve contactoppervlak is een fractie van het schijnbare oppervlak.

Een specificatie van 16 µin RMS oppervlakteafwerking zorgt voor consistente, herhaalbare contactcondities. Grovere oppervlakken verminderen het contactoppervlak en verhogen de thermische weerstand. Daarom specificeert WaveTherm oppervlakteafwerkingseisen voor zowel testapparatuur als productiehardware.

De oppervlakken van de testopstelling worden beschouwd als slijtageonderdelen en moeten tussen specimens door worden gereinigd. Als de oppervlakteruwheid buiten het acceptabele bereik komt, moeten de oppervlakken worden herafgewerkt om de testnauwkeurigheid te behouden.

Vacuüm- en Hoogtetesten

Dezelfde methodologie kan worden toegepast in een vacuümkamer om prestaties op grote hoogte te karakteriseren. Op grote hoogte elimineert de verminderde luchtdruk convectieve koeling, waardoor geleiding via de wedgelock en heatframe nog belangrijker wordt. Vacuümtesten bevestigen dat de thermische prestaties onder deze omstandigheden behouden blijven.

Wat Dit Betekent voor Uw Ontwerp

Inzicht in de thermische testmethodologie helpt u om leveranciersspecificaties te interpreteren en de prestaties in de praktijk te voorspellen. Houd bij het evalueren van wedgelock-thermische weerstandgegevens rekening met:

• Testomstandigheden: Zijn de tests uitgevoerd bij vermogensniveaus die relevant zijn voor uw toepassing?
• Oppervlaktecondities: Welke oppervlakteafwerking en plating zijn gebruikt?
• VITA-naleving: Is de testopstelling gebouwd volgens dezelfde VITA-specificatie als uw behuizing?
• Herhaalbaarheid: Gebruikt de leverancier een gestandaardiseerde methodologie die consistente resultaten oplevert?
• Klemkracht: De contactdruk bij de interface tussen de wedgelock en de koude wand beïnvloedt direct hoe goed warmte over die interface wordt overgedragen. Een hogere klemkracht betekent beter contact en lagere thermische weerstand. Zie hoe de klemkracht van SOLIDWEDGE™ wordt berekend voor een gedetailleerde uitleg.

De thermische testmethodologie van WaveTherm is ontworpen om nauwkeurige, herhaalbare karakterisering te leveren van SOLIDWEDGE™ wedgelocks onder omstandigheden die overeenkomen met echte VPX-behuizingsomgevingen. De gepubliceerde thermische weerstandwaarden weerspiegelen de prestaties die u kunt verwachten in correct ontworpen systemen.