Hoe de thermische prestatie van Wedgelock wordt gemeten

De thermische weerstand van wedgelocks wordt vermeld op productspecificaties in °C/W. Dit artikel geeft een kort overzicht van de testmethodologie 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 methodologie, 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 warmtestroom tegenhoudt, en voor wedgelocks kwantificeert het 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 je krijgt 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 het geleiden van 10 watt. Lagere thermische weerstand betekent 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 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 (ongeveer 70% van de warmte): De heatframe-afdekking drukt direct tegen één zijde van de sleuf in de koude wand. Dit is het primaire warmtepad vanwege het grote contactoppervlak.
• Wedgelock-contact met koude wand (ongeveer 30% van de warmte): De wedgelock zet uit tegen de tegenoverliggende zijde van de sleuf in de koude wand. Dit pad voert minder warmte omdat het contactoppervlak kleiner is, maar het is essentieel voor de klemmingskracht en draagt aanzienlijk bij aan de thermische prestaties.

Convectieve en stralingsverliezen vanaf 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 weerstanden, vergelijkbaar met weerstanden in een elektrisch circuit.

Hoe de Oriëntatie van de Wedgelock de Warmtestroom Beïnvloedt

De 70/30 warmteverdeling tussen frame-en-koude wand en wedgelock-en-koude wand contact blijft constant, ongeacht de configuratie. De montageoriëntatie van de wedgelock bepaalt echter welke zijde van het kaartframe direct contact maakt met de koude wand, en dit heeft belangrijke thermische gevolgen.

De afdekking van de primaire zijde (componentzijde van de PCB) ontvangt het grootste deel van de warmte van de printplaat. De positie van deze afdekking ten opzichte van de koude wand bepaalt hoe efficiënt die warmte wordt afgevoerd.

Secundaire Zijde Oriëntatie (SOLIDWEDGE™ Wedgelock naast PCB)

De afdekking van de primaire zijde maakt direct contact met de koude wand. Omdat deze afdekking het grootste deel van de warmte draagt, maximaliseert het direct afvoeren van 70% daarvan naar de koude wand de thermische efficiëntie. De wedgelock verwerkt de resterende 30% van de secundaire zijde.

Primaire Zijde Oriëntatie (SOLIDWEDGE™ Wedgelock bovenop PCB)

De afdekking van de secundaire zijde maakt direct contact met de koude wand. Omdat de warmte echter afkomstig is van de primaire zijde (componentzijde), moet deze eerst door de PCB en de afdekking van de secundaire zijde geleid worden voordat het 70% directe contactpad bereikt wordt. Het PCB-substraat is een slechte warmtegeleider, wat aanzienlijke thermische weerstand toevoegt. Bovendien beperkt de wedgelock die bovenop de afdekking van de primaire zijde zit het warmtepad van die afdekking naar de koude wand, waardoor de hoeveelheid warmte die via het 30% wedgelock-pad kan worden overgedragen beperkt wordt. Deze configuratie wordt meestal gebruikt wanneer convectie de primaire koelmethode is en geleiding als aanvulling dient.

Voor hoogvermogen modules met geleidingskoeling heeft de secundaire zijde voorkeur omdat deze het meest directe warmtepad biedt voor het merendeel van de componentwarmte.

Testapparatuur en Opstelling

Nauwkeurige thermische tests vereisen apparatuur die realistische behuizingscondities nabootst en tegelijkertijd precieze temperatuurmetingen mogelijk maakt.

Koude Wand Testopstelling

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

• Oppervlakteafwerking: 16 µin RMS of beter op contactvlakken van de gleuf
• Platering: Transparante chroomlaag volgens MIL-C-5541 klasse 3 om typische behuizingscondities te simuleren
• Actieve koeling: Geplaatste koellichamen met ventilatoren, afgestemd op het te dissiperen testvermogen
• Thermokoppels: Geplaatst aan beide zijden van de gleuf 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 gleuf 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 wedgelock 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 sleuf in de koude wand, de hoogte van de wedgelock en de nominale uitzetting:

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

Voor een standaard VITA 48-configuratie met een 0,225" hoge wedgelock 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 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 over de lengte van de testplaat, geplaatst tussen de warmtebron en wedgelock, ongeveer 0,100" tot 0,200" verwijderd 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, ongeveer 0,100" tot 0,200" verwijderd van de frame-tot-koude wand interface
• Temperatuur koude wand wedgelock-zijde (T_CWW): Gemiddelde van twee thermokoppels gecentreerd langs de lengte van de koude wand, ongeveer 0,100" tot 0,200" verwijderd van de wedgelock-tot-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 van 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.

Thermische weerstand aan de frame-zijde (R_F)

R_F = (T_P - T_CWF) / 0,7P

Waarbij P het totale vermogen is en 0,7P staat voor 70% van de warmte die verondersteld wordt te stromen via het frame-zijde pad.

Thermische weerstand aan de wedgelock-zijde (R_W)

R_W = (T_P - T_CWW) / 0,3P

Waarbij 0,3P staat voor 30% van de warmte die verondersteld wordt te stromen via het wedgelock-pad.

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 werkgebied te verifiëren:

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

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

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 hersteld om de testnauwkeurigheid te behouden.

Vacuüm- en Hoogtetesten

Dezelfde methodologie kan worden toegepast in een vacuümkamer om prestaties op grote hoogte te karakteriseren. Op 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. Bij het evalueren van wedgelock thermische weerstandgegevens, overweeg:

• Testomstandigheden: Zijn de tests uitgevoerd bij vermogensniveaus die relevant zijn voor uw toepassing?
• Oppervlaktecondities: Welke oppervlakteafwerking en plating zijn gebruikt?
• VITA-conformiteit: Is de testopstelling gebouwd volgens dezelfde VITA-specificatie als uw chassis?
• Reproduceerbaarheid: 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, reproduceerbare karakterisering te leveren van SOLIDWEDGE™ wedgelocks onder omstandigheden die overeenkomen met echte VPX chassisomgevingen. De gepubliceerde thermische weerstandwaarden weerspiegelen de prestaties die u kunt verwachten in correct ontworpen systemen.