Hur Wedgelocks värmeprestanda mäts

Wedgelocks termiska resistans anges i produktspecifikationer i °C/W. Denna artikel ger en kort översikt över WaveTherms testmetodik för att bestämma °C/W och karaktärisera den termiska prestandan hos SOLIDWEDGE™ wedgelocks med hjälp av VITA-kompatibla fixturer och standardiserade förhållanden. För fullständig metodik, inklusive detaljerade ritningar av fixturer och beräkningsexempel, se den fullständiga termiska testrapporten.

Vad är termisk resistans?

Termisk resistans mäter hur mycket ett material eller gränssnitt motstår värmeflöde, och för wedgelocks kvantifierar det hur effektivt värme överförs från värmeramen till chassits kallvägg. Det uttrycks i °C/W, vilket visar hur många grader temperaturökning du får för varje watt effekt som avges genom den vägen.

En wedgelock med en termisk resistans på 0,1 °C/W ger en temperaturdifferens på 1 °C över gränssnittet när den leder 10 watt. Lägre termisk resistans innebär bättre värmeöverföring. För konduktionskylda VPX-moduler som avger 50 till 100 watt eller mer, översätts små skillnader i termisk resistans direkt till skillnader i komponenttemperatur som påverkar tillförlitlighet och prestanda.

Hur flödar värme genom en konduktionskyld modul?

I en konduktionskyld VPX-modul flödar värme som genereras av komponenter på PCB:n genom värmeramen och in i chassits kallvägg. Det finns två parallella vägar för denna värmeöverföring:

• Ram-till-kallvägg-kontakt (ungefär 70 % av värmen): Värmeramens kåpa pressas direkt mot ena sidan av kallväggens spår. Detta är den primära värmevägen på grund av den stora kontaktytan.
• Wedgelock-till-kallvägg-kontakt (ungefär 30 % av värmen): Wedgelocken expanderar mot motsatt sida av kallväggens spår. Denna väg leder mindre värme eftersom kontaktytan är mindre, men den är avgörande för klämkraften och bidrar betydande till den termiska prestandan.

Konvektiva och radiativa förluster från modulytor är vanligtvis försumbara i slutna kapslingar och beaktas inte i wedgelocks termiska karaktärisering.

Eftersom värme flödar genom båda vägarna samtidigt följer den totala termiska resistansen i systemet formeln för parallell resistans, liknande motstånd i en elektrisk krets.

Hur wedgelock-orientering påverkar värmeflödet

Fördelningen av värme med 70/30 mellan ram-till-kallvägg och wedgelock-till-kallvägg-kontakt förblir konstant oavsett konfiguration. Dock avgör wedgelock-monteringsorienteringen vilken sida av kortets ram som har direktkontakt med kallväggen, och detta har betydande termiska konsekvenser.

Primärsidans kåpa (komponentsidan av PCB) tar emot majoriteten av värmen från kortet. Var denna kåpa sitter i förhållande till kallväggen avgör hur effektivt värmen avleds.

Sekundärsidesorientering (SOLIDWEDGE™ Wedgelock bredvid PCB)

Primärsidans kåpa har direktkontakt med kallväggen. Eftersom denna kåpa bär den största delen av värmen maximerar en direkt ledning av 70 % av värmen till kallväggen den termiska effektiviteten. Wedgelocken hanterar de återstående 30 % från sekundärsidan.

Primärsidesorientering (SOLIDWEDGE™ Wedgelock ovanpå PCB)

Sekundärsidans kåpa har direktkontakt med kallväggen. Eftersom värmen dock härstammar från primärsidan (komponentsidan) måste den först ledas genom PCB och sekundärsidans kåpa innan den når den 70 % direkta kontaktvägen. PCB-substratet är en dålig värmeledare, vilket tillför betydande termiskt motstånd. Dessutom begränsar wedgelocken som sitter ovanpå primärsidans kåpa den termiska vägen från kåpan till kallväggen, vilket begränsar hur mycket värme som kan överföras genom den 30 % wedgelock-vägen. Denna konfiguration används vanligtvis när konvektion är huvudsaklig kylmetod och konduktion fungerar som ett komplement.

För högpresterande moduler med konduktionskylning föredras sekundärsida eftersom den ger den mest direkta värmeledningsvägen för majoriteten av komponentvärmen.

Testutrustning och uppställning

Noggrann termisk testning kräver utrustning som återskapar verkliga chassiförhållanden samtidigt som den möjliggör exakt temperaturmätning.

Kallväggstestfixtur

Kallväggen är en kylfläns med en kortkantplats bearbetad enligt lämplig VITA-specifikation (VITA 48, VITA 78, etc.). Nyckelkrav inkluderar:

• Ytfinish: 16 µin RMS eller bättre på kontaktytorna i platsen
• Beläggning: Klar kromat enligt MIL-C-5541 klass 3 för att representera typiska chassiförhållanden
• Aktiv kylning: Flänsade kylflänsar med fläktar dimensionerade för att avleda den planerade testeffekten
• Termoelement: Placerade på båda sidor av platsen för att mäta kallväggstemperaturen vid varje gränssnitt

En icke-termiskt ledande distans (vanligtvis ABS-plast) placeras vid basen av platsen för att förhindra att värmeramen kommer i kontakt med botten och skapar en tredje värmeledningsväg som skulle snedvrida resultaten.

Testplatta

Testplattan simulerar en värmeram med en wedgelock fäst. Den är tillverkad av 6061-T6 aluminium med en ytfinish på 16 µin RMS i kontaktområdena. Plattans tjocklek beräknas utifrån kallväggens spårhöjd, wedgelockhöjd och nominell expansion:

Testplattans tjocklek = Kallväggens spårhöjd - Wedgelockhöjd - Wedgelockens nominella expansion

För en standard VITA 48-konfiguration med en 0,225" hög wedgelock och 0,025" nominell expansion: 0,525" - 0,225" - 0,025" = 0,275"

Lastresistorer monterade på testplattan simulerar komponentvärmeavgivning med kapacitet för minst 100 watt. Resistorernas är täckta med PTFE-isolering för att minimera konvektiva förluster och säkerställa att värmen flödar genom avsedda ledningsvägar.

Temperaturmätning

Tre temperaturmätningar krävs för att beräkna termiskt motstånd:

• Testplattans temperatur (T_P): Medelvärde av fyra termoelement jämnt fördelade längs testplattans längd, placerade mellan värmekällan och wedgelocken, cirka 0,100" till 0,200" från wedgelockens kant
• Temperatur på kallväggens ramsida (T_CWF): Medelvärde av två termoelement centrerade längs kallväggens längd, placerade cirka 0,100" till 0,200" från ram-till-kallvägg-gränssnittet
• Temperatur på kallväggens wedgelocksida (T_CWW): Medelvärde av två termoelement centrerade längs kallväggens längd, placerade cirka 0,100" till 0,200" från wedgelock-till-kallvägg-gränssnittet

Typ-T termoelement används för deras noggrannhet inom relevant temperaturområde. Placeringen av termoelementen är avgörande. Sensorerna måste vara så nära gränssnittet som möjligt utan att störa kontakten.

Beräkning av termiskt motstånd

Eftersom värme flödar genom parallella vägar beräknas varje vägs termiska resistans separat och kombineras sedan med formeln för parallell resistans.

Termiskt motstånd på ramsidan (R_F)

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

Där P är total effekt och 0,7P representerar 70 % av värmen som antas flöda genom ram-sidan.

Termiskt motstånd på wedgelocksidan (R_W)

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

Där 0,3P representerar 30 % av värmen som antas flöda genom wedgelock-vägen.

Total termisk resistans (R_T)

R_T = (R_F × R_W) / (R_F + R_W)

Detta är den standardiserade formeln för parallell resistans. Resultatet anges i °C/W.

Testprocedur

Data samlas in vid flera effektnivåer för att verifiera konsekvent prestanda över driftområdet:

• Effektsteg: 20W, 40W, 60W, 80W och 100W
• Kriterier för stabilisering: Ingen temperaturförändring större än 1°C under fem minuter (enligt MIL-STD-202)
• Initial kalibrering: Medelvärden för kall vägg och testplatta inom 0,2°C innan effekt appliceras

Testning vid flera effektnivåer bekräftar att det termiska motståndet förblir konsekvent och avslöjar eventuell icke-linjär beteende som kan påverka högpresterande applikationer.

Varför ytfinish är viktigt

Värmeöverföring över ett metall-mot-metall-gränssnitt beror på det faktiska kontaktområdet. På mikroskopisk nivå har även bearbetade ytor toppar och dalar. Endast topparna är i kontakt, så det effektiva kontaktområdet är en bråkdel av det synliga området.

En ytfinishspecifikation på 16 µin RMS säkerställer konsekventa, reproducerbara kontaktförhållanden. Grovare ytor minskar kontaktområdet och ökar det termiska motståndet. Därför specificerar WaveTherm ytfinishkrav för både testutrustning och produktionshårdvara.

Testfixturens ytor betraktas som slitagedelar och måste rengöras mellan prover. Om ytans grovhet försämras utanför det acceptabla intervallet måste ytorna efterbehandlas för att bibehålla testnoggrannheten.

Vakuum- och höjdtestning

Samma metodik kan tillämpas i en vakuumkammare för att karaktärisera prestanda på hög höjd. På hög höjd eliminerar det reducerade lufttrycket konvektiv kylning, vilket gör ledning genom wedgelocken och värmeramen ännu viktigare. Vakuumtestning bekräftar att den termiska prestandan håller under dessa förhållanden.

Vad detta betyder för din design

Att förstå termisk testmetodik hjälper dig att tolka leverantörsspecifikationer och förutsäga verklig prestanda. Vid utvärdering av wedgelocks termiska motståndsdata, överväg:

• Testförhållanden: Utfördes testerna vid effektnivåer som är relevanta för din applikation?
• Ytförhållanden: Vilken ytfinish och plätering användes?
• VITA-efterlevnad: Byggdes testfixturen enligt samma VITA-specifikation som ditt chassi?
• Reproducerbarhet: Använder leverantören en standardiserad metodik som ger konsekventa resultat?
• Klämkraft: Kontakttrycket vid gränssnittet mellan wedgelock och kall vägg påverkar direkt hur väl värme överförs över detta gränssnitt. Högre klämkraft innebär bättre kontakt och lägre termiskt motstånd. Se hur SOLIDWEDGE™ klämkraft beräknas för en detaljerad genomgång.

WaveTherms termiska testmetodik är utformad för att ge noggrann, reproducerbar karaktärisering av SOLIDWEDGE™ wedgelocks under förhållanden som motsvarar verkliga VPX-chassimiljöer. De publicerade värdena för termiskt motstånd speglar den prestanda du kan förvänta dig i korrekt designade system.