Korleis Wedgelock si termiske yting vert målt

Termisk motstand for wedgelock er oppgitt i produktdatablad i °C/W. Denne artikkelen gir ein kort oversikt over WaveTherm sin testmetodikk for å bestemme °C/W og karakterisere den termiske ytinga til SOLIDWEDGE™ wedgelocks ved bruk av VITA-kompatible festeanordningar og standardiserte tilhøve. For full metodikk, inkludert detaljerte teikningar av festeanordningar og rekneeksempel, sjå fullstendig termisk testrapport.

Kva er termisk motstand?

Termisk motstand måler kor mykje eit materiale eller grensesnitt motstår varmeflyt, og for wedgelocks kvantifiserer det kor effektivt varme blir overført frå varmeramma til chassiset sin kalde vegg. Det blir uttrykt i °C/W, som fortel kor mange grader temperaturauke du får for kvar watt effekt som blir avgitt gjennom den vegen.

Ein wedgelock med termisk motstand på 0,1°C/W vil gi eit temperaturfall på 1°C over grensesnittet når han leier 10 watt. Lågare termisk motstand betyr betre varmeoverføring. For konduksjonskjølte VPX-modular som avgir 50 til 100 watt eller meir, fører små forskjellar i termisk motstand direkte til temperaturforskjellar på komponentane som påverkar pålitelegheit og yting.

Korleis flyt varme gjennom ein konduksjonskjølt modul?

I ein konduksjonskjølt VPX-modul flyt varmen som blir generert av komponentar på PCB-en gjennom varmeramma og inn i chassiset sin kalde vegg. Det finst to parallelle vegar for denne varmeoverføringa:

• Ramme-til-kaldvegg-kontakt: Varmeramme-lokket pressar direkte mot eine sida av sporet i kaldveggen, og nyttar eit stort kontaktområde.
• Wedgelock-til-kaldvegg-kontakt: Wedgelocken utvidar seg mot den motsette sida av sporet i kaldveggen. Denne vegen er essensiell for klemmekraften og bidreg òg til termisk yting.

Prosentdelen av varme som blir ført gjennom kvar veg er ikkje fast. Det avheng av den relative termiske motstanden i kvar veg, som endrar seg med monteringsretninga til wedgelocken. I praksis blir dette vanlegvis mellom ein 70/30 og 80/20 fordeling, som detaljert nedanfor.

Konvektive og radiative tap frå modulflatene er vanlegvis ubetydelige i forseglede innkapslingar og blir ikkje vurderte i termisk karakterisering av wedgelock.

Sidan varme flyt gjennom begge vegar samtidig, følgjer den totale termiske motstanden i systemet formelen for parallell motstand, lik motstandar i ein elektrisk krets. Fordelinga mellom vegane er eit resultat av denne parallelle kombinasjonen, ikkje noko du antar på førehand. Vegen med lågast termisk motstand tek alltid mesteparten av varmen.

Korleis orientering av wedgelock påverkar varmeflyten

Orientering av wedgelock er eitt av dei viktigaste vala for termisk yting. I ein representativ design-samanlikning oppnådde sekundærsida ein total termisk motstand som var omtrent 5–6 gonger lågare enn primærsida for same kort, hovudsakleg fordi PCB-en blei fjerna frå hovudleiingsvegen. Den nøyaktige forbetringa vil variere med design, men PCB-en er konsekvent den største enkeltbidragsytaren til termisk motstand i ein primærside-konfigurasjon, så å fjerne den frå vegen har stor effekt.

Fordelinga av varme mellom ramma-til-kalde-vegg og wedgelock-til-kalde-vegg-kontakt er ikkje konstant. Den endrar seg avhengig av kor wedgelocken er montert, fordi orienteringa avgjer kva side av kort-ramma som har direkte kontakt med den kalde veggen, og kor mykje motstand varmen møter på vegen dit.

Primærsidedekselet (komponentsida av PCB-en) tek imot mesteparten av varmen frå brettet. Kor dette dekselet ligg i forhold til den kalde veggen, og kor direkte varmen kan nå det, avgjer kor effektivt varmen blir trekt ut.

Orientering på sekundærsida (SOLIDWEDGE™ Wedgelock ved sida av PCB)

Primærsidedekselet har direkte kontakt med den kalde veggen, og PCB-en er fjerna frå hovudvarmevegen heilt. Med denne direkte metall-mot-metall-kontakten blir ramma-til-kalde-vegg-vegen den med lågast motstand, og tek omtrent 80 % av varmen. Wedgelocken handterer dei resterande 20 % frå sekundærsida.

Orientering på primærsida (SOLIDWEDGE™ Wedgelock oppå PCB)

Det sekundære sidedekselet har direkte kontakt med den kalde veggen, men varmen kjem frå den primære sida (komponentsida) og må leie gjennom PCB-en og det sekundære sidedekselet for å nå denne kontakten. PCB-substratet er ein dårleg varmeleiar, så denne vegen har stor motstand. På grunn av dette tek mesteparten av varmen den kortare ruta gjennom wedgelocken som ligg oppå det primære sidedekselet, omtrent 70 %, medan berre rundt 30 % tek den lengre vegen gjennom PCB-en til kontakten på det sekundære sidedekselet. Her er rollene omvendte, med wedgelocksida som no er den vegen med lågast motstand. Denne konfigurasjonen blir vanlegvis brukt når konveksjon er hovudmetoden for kjøling, og leiing fungerer som eit supplement.

For høg-effekt leiingskjølte moduler er sekundærsida orientering føretrekt fordi det gir den mest direkte termiske vegen for majoriteten av komponentvarmen.

Testutstyr og oppsett

Nøyaktig termisk testing krev utstyr som etterliknar verkelege chassisforhold samtidig som det tillèt presis temperaturmåling.

Kaldvegg testfeste

Kaldveggen er ein kjøleblokk med eit kortkantspor maskinert til rett VITA-spesifikasjon (VITA 48, VITA 78, osv.). Nøkkelkrav inkluderer:

• Overflatefinish: 16 µin RMS eller betre på kontaktflater i sporet
• Belegg: Klart kromat i samsvar med MIL-C-5541 klasse 3 for å representere typiske chassisforhold
• Aktiv kjøling: Finna kjøleblokker med vifter dimensjonerte for å avkjøle planlagt testwattasje
• Termoelement: Plassert på begge sider av sporet for å måle kaldveggtemperatur ved kvar grenseflate

Ein ikkje-termisk leiar spacer (vanlegvis ABS-plast) er plassert i botnen av sporet for å hindre at varmeinnramminga kjem i kontakt med botnen og skapar ein tredje varmeveg som ville forvrenge resultata.

Testplate

Testplata simulerer ein varmeinnramming med ein kilelås festa. Den er laga av 6061-T6 aluminium med ein 16 µin RMS overflatefinish i kontaktområda. Plata si tjukkleik blir rekna ut frå kaldveggspor høgd, kilelås høgd og nominell utviding:

Testplate tjukkleik = Kaldveggspor høgd - Kilelås høgd - Kilelås nominell utviding

For ein standard VITA 48-konfigurasjon med ein 0,225" høg kilelås og 0,025" nominell utviding: 0,525" - 0,225" - 0,025" = 0,275"

Lastmotstandar monterte på testplata simulerer komponentvarmeavgang, med kapasitet på minst 100 watt. Motstandane er dekte med PTFE-isolasjon for å minimere konvektive tap og sikre at varme flyt gjennom dei tiltenkte leiingsvegane.

Temperaturmåling

Tre temperaturmålingar er nødvendige for å rekne ut termisk motstand:

• Temperatur på testplate (T_P): Gjennomsnitt av fire termoelement jamt fordelt langs lengda på testplata, plassert mellom varmekjelde og wedgelock, om lag 0,100" til 0,200" frå wedgelock-kanten
• Temperatur på kald vegg, rammeside (T_CWF): Gjennomsnitt av to termoelement sentrert langs lengda på kald vegg, plassert om lag 0,100" til 0,200" frå ramme-til-kald vegg-grensesnittet
• Temperatur på kald vegg, wedgelock-side (T_CWW): Gjennomsnitt av to termoelement sentrert langs lengda på kald vegg, plassert om lag 0,100" til 0,200" frå wedgelock-til-kald vegg-grensesnittet

Type-T termoelement blir brukt for nøyaktigheita i det relevante temperaturområdet. Plassering av termoelement er kritisk. Sensorane må vere så nær grensesnittet som mogleg utan å forstyrre kontakten.

Utrekningar av termisk motstand

Sidan varme flyt gjennom parallelle vegar, blir kvar veg sin termiske motstand rekna ut kvar for seg, og deretter kombinert med formelen for parallell motstand. Varmefordelinga som blir brukt i desse utrekningane er spesifikk for monteringsorienteringa som blir testa, om lag 80/20 (rammeside/wedgelock-side) for sekundærside-orientering, og om lag 70/30 (wedgelock-side/rammeside) for primærside-orientering.

Termisk motstand på rammesida (R_F)

R_F = (T_P - T_CWF) / (S_FP)

Der P er total effekt og S_F er delen av varmen som flyt gjennom rammesida for orienteringa som blir testa, om lag 0,8 for sekundærside-orientering eller om lag 0,3 for primærside-orientering.

Termisk motstand på wedgelock-sida (R_W)

R_W = (T_P - T_CWW) / (S_WP)

Der S_W er delen av varmen som flyt gjennom wedgelock-vegen for orienteringa som blir testa, om lag 0,2 for sekundærside-orientering eller om lag 0,7 for primærside-orientering.

Total termisk motstand (R_T)

R_T = (R_F × R_W) / (R_F + R_W)

Dette er standard formel for parallell motstand. Resultatet blir uttrykt i °C/W.

Testprosedyre

Data blir henta inn på fleire effektnivå for å verifisere jamn ytelse over driftsområdet:

• Effektaukar: 20W, 40W, 60W, 80W og 100W
• Stabiliseringskriterium: Ingen temperaturendring større enn 1°C over fem minutt (i følgje MIL-STD-202)
• Første kalibrering: Gjennomsnitt for kald vegg og testplate innan 0,2°C før effekt blir påført

Testing på fleire effektnivå stadfestar at termisk motstand held seg stabil og avdekkjer eventuell ikkje-lineær åtferd som kan påverke høgeffekt-applikasjonar.

Kvifor overflatefinish er viktig

Varmeoverføring over eit metall-mot-metall-grensesnitt avheng av den faktiske kontaktflata. På mikroskopisk nivå har sjølv maskinerte overflater toppar og dalar. Det er berre toppane som er i kontakt, så den effektive kontaktflata er ein brøkdel av den tilsynelatande flata.

Ein overflatefinishspesifikasjon på 16 µin RMS sikrar konsistente, repeterbare kontaktforhold. Råare overflater reduserer kontaktflata og aukar termisk motstand. Difor spesifiserer WaveTherm krav til overflatefinish både for testutstyr og produksjonshardware.

Testoppsettets overflater blir rekna som slitasjedelar og må reingjerast mellom prøvar. Dersom overflaterugleiken blir dårlegare enn det som er akseptabelt, må overflatene finjusterast på nytt for å oppretthalde testnøyaktigheit.

Vakuum- og høgdetesting

Den same metodikken kan brukast i eit vakuumkammer for å karakterisere yting i høgda. I høgda eliminerer redusert lufttrykk konvektiv kjøling, noko som gjer leiing gjennom wedgelock og varmeinnramming endå viktigare. Vakuumtesting stadfestar at termisk yting held under desse forholda.

Kva dette betyr for designet ditt

Å forstå termisk testmetodikk hjelper deg å tolke leverandørspesifikasjonar og forutse yting i verkelege situasjonar. Når du vurderer termisk motstandsdata for wedgelock, bør du ta omsyn til:

• Testforhold: Var testane utførte ved effektnivå som er relevante for di bruk?
• Overflateforhold: Kva slags overflatefinish og belegg vart brukt?
• VITA-etterleving: Var testoppsettet bygd etter same VITA-spesifikasjon som kabinettet ditt?
• Repeterbarheit: Brukar leverandøren ein standardisert metodikk som gir konsistente resultat?
• Klemmekraft: Kontakttrykket ved grensesnittet mellom wedgelock og kald vegg påverkar direkte kor godt varme overførast over dette grensesnittet. Høgare klemmekraft betyr betre kontakt og lågare termisk motstand. Sjå korleis SOLIDWEDGE™ klemmekraft blir rekna ut for ein detaljert gjennomgang.

WaveTherm sin termiske testmetodikk er utforma for å gi nøyaktig, repeterbar karakterisering av SOLIDWEDGE™ wedgelocks under forhold som samsvarar med ekte VPX-kabinettmiljø. Dei publiserte termiske motstandsverdiane reflekterer yting du kan forvente i riktig utforma system.