Hvordan Wedgelock termisk ytelse måles

Wedgelock-termisk motstand oppgis i produktdatablad i °C/W. Denne artikkelen gir en kort oversikt over WaveTherms testmetodikk for å bestemme °C/W og karakterisere den termiske ytelsen til SOLIDWEDGE™ wedgelocks ved bruk av VITA-kompatible fiksturer og standardiserte betingelser. For full metodikk, inkludert detaljerte tegninger av fiksturer og beregningseksempler, se den fullstendige termiske testrapporten.

Hva er termisk motstand?

Termisk motstand måler hvor mye et materiale eller grensesnitt motstår varmeflyt, og for wedgelocks kvantifiserer det hvor effektivt varme overføres fra heatframe til chassisets kaldvegg. Det uttrykkes i °C/W, som forteller hvor mange grader temperaturøkning du får for hver watt effekt som avgis gjennom den veien.

En wedgelock med en termisk motstand på 0,1°C/W vil gi et temperaturfall på 1°C over grensesnittet når den leder 10 watt. Lavere termisk motstand betyr bedre varmeoverføring. For konduksjonsavkjølte VPX-moduler som avgir 50 til 100 watt eller mer, oversettes små forskjeller i termisk motstand direkte til temperaturforskjeller i komponentene som påvirker pålitelighet og ytelse.

Hvordan flyter varme gjennom en konduksjonsavkjølt modul?

I en konduksjonsavkjølt VPX-modul flyter varmen som genereres av komponenter på PCB-en gjennom heatframe og inn i chassisets kaldvegg. Det finnes to parallelle veier for denne varmeoverføringen:

• Ramme-til-kaldvegg-kontakt: Heatframe-dekselet presser direkte mot den ene siden av sporet i kaldveggen, og drar nytte av et stort kontaktområde.
• Wedgelock-til-kaldvegg-kontakt: Wedgelocken utvider seg mot motsatt side av sporet i kaldveggen. Denne veien er essensiell for klemmekraften og bidrar også til termisk ytelse.

Prosentandelen av varme som transporteres via hver vei er ikke fast. Den avhenger av den relative termiske motstanden i hver vei, som endres med wedgelock-monteringens orientering. I praksis ender dette vanligvis et sted mellom en 70/30 og 80/20 fordeling, som detaljert nedenfor.

Konvektive og radiative tap fra modulesidene er vanligvis ubetydelige i forseglede kapslinger og tas ikke med i wedgelock-termisk karakterisering.

Siden varme flyter gjennom begge veier samtidig, følger den totale termiske motstanden i systemet formelen for parallell motstand, lik motstander i en elektrisk krets. Fordelingen mellom veiene er et resultat av denne parallelle kombinasjonen, ikke en forutbestemt input. Veien med lavest termisk motstand fører alltid mesteparten av varmen.

Hvordan Wedgelock-orientering påvirker varmeflyt

Wedgelockens monteringsorientering er en av de mest avgjørende beslutningene for termisk ytelse. I en representativ design-sammenligning oppnådde sekundærsideorientering en total termisk motstand som var omtrent 5-6 ganger lavere enn primærsideorientering for samme kort, hovedsakelig drevet av at PCB-en ble fjernet fra den primære ledningsveien. Den eksakte forbedringen vil variere med design, men PCB-en er konsekvent den største enkeltbidragsyteren til termisk motstand i en primærsidekonfigurasjon, så å fjerne den fra veien har en stor effekt.

Fordelingen av varme mellom ramme-til-kaldvegg og wedgelock-til-kaldvegg-kontakt er ikke konstant. Den endres avhengig av wedgelockens monteringsorientering, fordi orienteringen bestemmer hvilken side av kortets ramme som har direkte kontakt med kaldveggen, og hvor mye motstand varmen møter på vei dit.

Primærsidens deksel (komponentsiden av PCB-en) mottar mesteparten av varmen fra kortet. Hvor dette dekselet sitter i forhold til kaldveggen, og hvor direkte varmen kan nå det, avgjør hvor effektivt varmen blir fjernet.

Sekundærsideorientering (SOLIDWEDGE™ Wedgelock ved siden av PCB)

Primærsidens deksel har direkte kontakt med kaldveggen, og PCB-en er helt fjernet fra den primære varmeveien. Med denne direkte metall-til-metall-kontakten blir rammen-til-kaldvegg-veien den lavest motstandsfulle ruten, som fører omtrent 80 % av varmen. Wedgelocken håndterer de resterende 20 % fra sekundærsiden.

Primærsideorientering (SOLIDWEDGE™ Wedgelock på toppen av PCB)

Det sekundære sidedekselet har direkte kontakt med kaldveggen, men varmen stammer fra primærsiden (komponentsiden) og må ledes gjennom PCB-en og det sekundære sidedekselet for å nå denne kontakten. PCB-substratet er en dårlig varmeleder, så denne veien har betydelig motstand. På grunn av dette tar mesteparten av varmen faktisk den kortere ruten gjennom wedgelocken som sitter på toppen av primærsidens deksel, omtrent 70 % av varmen, mens bare rundt 30 % tar den lengre turen gjennom PCB-en til kontakten på det sekundære sidedekselet. Her er rollene byttet om, med wedgelocksiden som nå er veien med lavest motstand. Denne konfigurasjonen brukes vanligvis når konveksjon er hovedkjølemetoden og ledning fungerer som et supplement.

For høy-effekt ledningskjølte moduler foretrekkes sekundærsiden orientering fordi den gir den mest direkte termiske banen for majoriteten av komponentvarmen.

Testutstyr og oppsett

Nøyaktig termisk testing krever utstyr som gjenskaper virkelige chassisforhold samtidig som det tillater presis temperaturmåling.

Kaldveggstestinnretning

Kaldveggen er en kjøler med et kortkantspor maskinert til riktig VITA-spesifikasjon (VITA 48, VITA 78, osv.). Viktige krav inkluderer:

• Overflatefinish: 16 µin RMS eller bedre på kontaktflater i sporet
• Belegg: Klar kromat i henhold til MIL-C-5541 klasse 3 for å representere typiske chassisforhold
• Aktiv kjøling: Finnekjølere med vifter dimensjonert for å avlede planlagt testwattasje
• Termoelementer: Plassert på begge sider av sporet for å måle kaldveggtemperatur ved hvert grensesnitt

En ikke-termisk ledende avstandsstykke (vanligvis ABS-plast) plasseres i bunnen av sporet for å forhindre at varmeinnrammingen kommer i kontakt med bunnen og skaper en tredje varmevei som ville forvrenge resultatene.

Testplate

Testplaten simulerer en varmeinnramming med en kilelås festet. Den er laget av 6061-T6 aluminium med en overflatefinish på 16 µin RMS i kontaktområdene. Platetykkelsen beregnes basert på kaldveggsporhøyde, kilelåshøyde og nominell ekspansjon:

Testplatetykkelse = Kaldveggsporhøyde - Kilelåshøyde - Kilelås nominell ekspansjon

For en standard VITA 48-konfigurasjon med en 0,225" høy kilelås og 0,025" nominell ekspansjon: 0,525" - 0,225" - 0,025" = 0,275"

Lastmotstander montert på testplaten simulerer komponentvarmeutslipp, med kapasitet på minst 100 watt. Motstandene er dekket med PTFE-isolasjon for å minimere konvektive tap og sikre at varmen flyter gjennom de tiltenkte ledningsbanene.

Temperaturmåling

Tre temperaturmålinger kreves for å beregne termisk motstand:

• Testplatetemperatur (T_P): Gjennomsnitt av fire termoelementer jevnt fordelt langs testplatens lengde, plassert mellom varmekilden og wedgelock, omtrent 0,100" til 0,200" fra wedgelock-kanten
• Kald vegg rammeside temperatur (T_CWF): Gjennomsnitt av to termoelementer sentrert langs kald veggs lengde, plassert omtrent 0,100" til 0,200" fra ramme-til-kald vegg grensesnittet
• Kald vegg wedgelock-side temperatur (T_CWW): Gjennomsnitt av to termoelementer sentrert langs kald veggs lengde, plassert omtrent 0,100" til 0,200" fra wedgelock-til-kald vegg grensesnittet

Type-T termoelementer brukes for deres nøyaktighet i det relevante temperaturområdet. Plassering av termoelementene er kritisk. Sensorene må være så nær grensesnittet som mulig uten å forstyrre kontakten.

Beregning av termisk motstand

Siden varme flyter gjennom parallelle baner, beregnes hver banes termiske motstand separat, og kombineres deretter ved hjelp av formelen for parallell motstand. Varmefordelingen som brukes i disse beregningene er spesifikk for monteringsorienteringen som testes, omtrent 80/20 (rammeside/wedgelock-side) for sekundærsiden, og omtrent 70/30 (wedgelock-side/rammeside) for primærsiden.

Termisk motstand på rammesiden (R_F)

R_F = (T_P - T_CWF) / (S_FP)

Hvor P er total effekt og S_F er andelen varme som flyter gjennom rammesiden for den testede orienteringen, omtrent 0,8 for sekundærsiden eller omtrent 0,3 for primærsiden.

Termisk motstand på wedgelock-siden (R_W)

R_W = (T_P - T_CWW) / (S_WP)

Hvor S_W er andelen varme som flyter gjennom wedgelock-banen for den testede orienteringen, omtrent 0,2 for sekundærsiden eller omtrent 0,7 for primærsiden.

Total termisk motstand (R_T)

R_T = (R_F × R_W) / (R_F + R_W)

Dette er standardformelen for parallell motstand. Resultatet uttrykkes i °C/W.

Testprosedyre

Data samles inn på flere effektnivåer for å verifisere jevn ytelse over driftsområdet:

• Effektøkninger: 20W, 40W, 60W, 80W og 100W
• Stabiliseringskriterier: Ingen temperaturendring større enn 1°C over fem minutter (i henhold til MIL-STD-202)
• Initial kalibrering: Gjennomsnitt for kald vegg og testplate innen 0,2°C før påføring av effekt

Testing på flere effektnivåer bekrefter at termisk motstand forblir konsistent og avslører eventuell ikke-lineær oppførsel som kan påvirke høy-effekt applikasjoner.

Hvorfor overflatefinish er viktig

Varmeoverføring over et metall-til-metall-grensesnitt avhenger av faktisk kontaktområde. På mikroskopisk nivå har selv bearbeidede overflater topper og daler. Bare toppene er i kontakt, så det effektive kontaktområdet er en brøkdel av det tilsynelatende området.

En overflatefinishspesifikasjon på 16 µin RMS sikrer konsistente, repeterbare kontaktforhold. Grovere overflater reduserer kontaktområdet og øker termisk motstand. Derfor spesifiserer WaveTherm krav til overflatefinish både for testutstyr og produksjonshardware.

Testoppsettets overflater regnes som slitedeler og må rengjøres mellom prøver. Hvis overflateruheten forverres utenfor akseptabelt område, må overflatene etterbehandles for å opprettholde testnøyaktighet.

Vakuum- og høyde-testing

Den samme metodikken kan brukes i et vakuumkammer for å karakterisere ytelse i høyder. I høyden eliminerer redusert lufttrykk konvektiv kjøling, noe som gjør varmeledning gjennom wedgelock og varmeplate enda viktigere. Vakuumtesting bekrefter at termisk ytelse opprettholdes under disse forholdene.

Hva dette betyr for designet ditt

Å forstå termisk testmetodikk hjelper deg med å tolke leverandørspesifikasjoner og forutsi ytelse i praksis. Når du vurderer termisk motstandsdata for wedgelocks, bør du ta hensyn til:

• Testforhold: Ble testene utført ved effektnivåer som er relevante for din applikasjon?
• Overflateforhold: Hvilken overflatebehandling og plating ble brukt?
• VITA-kompatibilitet: Var testoppsettet bygget etter samme VITA-spesifikasjon som kabinettet ditt?
• Repeterbarhet: Bruker leverandøren en standardisert metodikk som gir konsistente resultater?
• Klemkraft: Kontakttrykket ved grensesnittet mellom wedgelock og kald vegg påvirker direkte hvor godt varme overføres over dette grensesnittet. Høyere klemkraft betyr bedre kontakt og lavere termisk motstand. Se hvordan SOLIDWEDGE™ klemkraft beregnes for en detaljert forklaring.

WaveTherms termiske testmetodikk er utformet for å gi nøyaktig, repeterbar karakterisering av SOLIDWEDGE™ wedgelocks under forhold som tilsvarer ekte VPX-kabinettmiljøer. De publiserte termiske motstandsverdiene gjenspeiler ytelsen du kan forvente i riktig designede systemer.