Hvordan Wedgelock termisk ytelse måles

Wedgelocks termiske motstand oppgis i produktdatablader 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 chassiset sin kaldvegg. Det uttrykkes i °C/W, som forteller hvor mange grader temperaturøkning du får for hver watt effekt som avgis gjennom den banen.

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 konduksjonskjølte VPX-moduler som avgir 50 til 100 watt eller mer, oversettes små forskjeller i termisk motstand direkte til temperaturforskjeller på komponentene som påvirker pålitelighet og ytelse.

Hvordan flyter varme gjennom en konduksjonskjølt modul?

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

• Ramme-til-kaldvegg-kontakt (omtrent 70 % av varmen): Heatframe-dekselet presser direkte mot den ene siden av sporet i kaldveggen. Dette er hovedvarmebanen på grunn av det store kontaktområdet.
• Wedgelock-til-kaldvegg-kontakt (omtrent 30 % av varmen): Wedgelocken utvider seg mot motsatt side av sporet i kaldveggen. Denne banen fører mindre varme fordi kontaktflaten er mindre, men den er essensiell for klemmekraften og bidrar betydelig til termisk ytelse.

Konvektive og radiative tap fra modulens overflater er vanligvis ubetydelige i forseglede kapslinger og tas ikke med i termisk karakterisering av wedgelock.

Siden varme flyter gjennom begge baner samtidig, følger den totale termiske motstanden i systemet formelen for parallell motstand, lik motstander i en elektrisk krets.

Hvordan Wedgelock-orientering påvirker varmeflyt

Fordelingen av varme på 70/30 mellom ramme-til-kaldvegg og wedgelock-til-kaldvegg-kontakt forblir konstant uansett konfigurasjon. Imidlertid avgjør wedgelock-monteringens orientering hvilken side av kortets ramme som har direkte kontakt med kaldveggen, og dette har betydelige termiske konsekvenser.

Primærsidens deksel (komponentsiden av PCB) mottar mesteparten av varmen fra kortet. Hvor dette dekselet sitter i forhold til kaldveggen avgjør hvor effektivt varmen blir fjernet.

Sekundærsiden orientering (SOLIDWEDGE™ kilelås ved siden av PCB)

Primærsidens deksel har direkte kontakt med kaldveggen. Siden dette dekselet bærer mesteparten av varmen, maksimerer det termisk effektivitet å lede 70 % av varmen direkte til kaldveggen. Kilelåsen håndterer de resterende 30 % fra sekundærsiden.

Primærsiden orientering (SOLIDWEDGE™ kilelås på toppen av PCB)

Sekundærsidens deksel har direkte kontakt med kaldveggen. Men siden varmen oppstår på primærsiden (komponentsiden), må den først ledes gjennom PCB og sekundærsidens deksel før den når 70 % direkte kontaktvei. PCB-substratet er en dårlig varmeleder, så dette tilfører betydelig termisk motstand. I tillegg begrenser kilelåsen som ligger på toppen av primærsidens deksel varmeveien fra det dekselet til kaldveggen, noe som begrenser hvor mye varme som kan overføres gjennom 30 % kilelåsvei. Denne konfigurasjonen brukes vanligvis når konveksjon er hovedkjølemetoden og ledning fungerer som et supplement.

For høy-effekt ledningsavkjølte moduler foretrekkes sekundærsiden orientering fordi den gir den mest direkte varmeveien for majoriteten av komponentvarmen.

Testutstyr og oppsett

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

Kaldvegg testoppsett

Den kalde veggen er en kjøleribbe med et kortkantspor maskinert etter riktig VITA-spesifikasjon (VITA 48, VITA 78, osv.). Nøkkelkrav inkluderer:

• Overflatefinish: 16 µin RMS eller bedre på kontaktflatene i sporet
• Belegg: Klar kromat i henhold til MIL-C-5541 klasse 3 for å representere typiske chassisforhold
• Aktiv kjøling: Ribberadiatorer med vifter dimensjonert for å disipere 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 varmeplate med en wedgelock festet. Den er laget av 6061-T6 aluminium med en overflatefinish på 16 µin RMS i kontaktområdene. Platetykkelsen beregnes basert på kaldveggsporets høyde, wedgelock-høyde og nominell ekspansjon:

Testplate tykkelse = Kaldveggspor høyde - Wedgelock høyde - Wedgelock nominell ekspansjon

For en standard VITA 48-konfigurasjon med en 0,225" høy wedgelock 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 strømmer 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 wedgelocken, omtrent 0,100" til 0,200" fra wedgelock-kanten
• Temperatur på kaldveggens rammeside (T_CWF): Gjennomsnitt av to termoelementer plassert midt på kaldveggens lengde, omtrent 0,100" til 0,200" fra ramme-til-kaldvegg-grensesnittet
• Temperatur på kaldveggens wedgelock-side (T_CWW): Gjennomsnitt av to termoelementer plassert midt på kaldveggens lengde, omtrent 0,100" til 0,200" fra wedgelock-til-kaldvegg-grensesnittet

Type-T termoelementer brukes for sin 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 strømmer gjennom parallelle baner, beregnes hver banes termiske motstand separat, og kombineres deretter ved hjelp av formelen for parallellmotstand.

Termisk motstand på rammesiden (R_F)

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

Hvor P er total effekt og 0,7P representerer 70 % av varmen antatt å strømme gjennom rammesiden.

Termisk motstand på wedgelock-siden (R_W)

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

Hvor 0,3P representerer 30 % av varmen antatt å strømme gjennom wedgelock-banen.

Total termisk motstand (R_T)

R_T = (R_F × R_W) / (R_F + R_W)

Dette er den standard formelen for parallellmotstand. Resultatet uttrykkes i °C/W.

Testprosedyre

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

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

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

Hvorfor overflatefinish er viktig

Varmeoverføring over et metall-mot-metall-grensesnitt avhenger av faktisk kontaktflate. På mikroskopisk nivå har selv bearbeidede overflater topper og daler. Bare toppene er i kontakt, så den effektive kontaktflaten er en brøkdel av den tilsynelatende flaten.

En overflatefinishspesifikasjon på 16 µin RMS sikrer konsistente, repeterbare kontaktforhold. Grovere overflater reduserer kontaktflaten 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 pusses opp 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 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 utviklet 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.