Hur Wedgelocks värmeprestanda mäts

Wedgelocks termiska resistans anges i produktdatablad 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 fixturteckningar och beräkningsexempel, se den fullständiga termiska testrapporten.

Vad är termisk resistans?

Termisk resistans mäter hur mycket ett material eller gränssnitt motstår värmeflödet, och för wedgelocks kvantifierar det hur effektivt värme överförs från heatframe till chassits kallvägg. Det uttrycks i °C/W, vilket anger 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 ledningskylda 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 ledningskyld modul?

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

• Ram-till-kallvägg-kontakt: Heatframe-överdraget trycker direkt mot ena sidan av kallväggens spår och drar nytta av en stor kontaktarea.
• Wedgelock-till-kallvägg-kontakt: Wedgelocken expanderar mot motsatt sida av kallväggens spår. Denna väg är avgörande för klämkraften och bidrar också till den termiska prestandan.

Andelen värme som transporteras via varje väg är inte fast. Den beror på den relativa termiska resistansen för varje väg, vilket förändras med wedgelockens monteringsorientering. I praktiken brukar detta hamna någonstans mellan en 70/30 och 80/20-fördelning, som beskrivs nedan.

Konvektiva och radiativa förluster från modulytorna är vanligtvis försumbara i förseglade kapslingar och beaktas inte i wedgelock-termisk karaktärisering.

Eftersom värme flödar genom båda vägarna samtidigt följer det totala termiska motståndet i systemet formeln för parallellt motstånd, liknande motstånd i en elektrisk krets. Fördelningen mellan vägarna är ett resultat av denna parallellkoppling, inte en förutsättning du antar i förväg. Vägen med lägre termiskt motstånd leder alltid mer av värmen.

Hur Wedgelock-orientering påverkar värmeflödet

Wedgelockens monteringsorientering är ett av de mest avgörande besluten för termisk prestanda. I en representativ designjämförelse uppnådde sekundär sidorientering ett totalt termiskt motstånd som var ungefär 5–6 gånger lägre än primär sidorientering för samma kort, vilket främst berodde på att PCB:n togs bort från den primära ledningsvägen. Den exakta förbättringen varierar med design, men PCB:n är konsekvent den största enskilda bidragsgivaren till termiskt motstånd i en primär sidkonfiguration, så att ta bort den från vägen har en oproportionerligt stor effekt.

Värmefördelningen mellan ram-till-kall vägg och wedgelock-till-kall vägg-kontakt är inte konstant. Den förändras beroende på wedgelockens monteringsorientering, eftersom orienteringen avgör vilken sida av kortets ram som har direkt kontakt med den kalla väggen och hur mycket motstånd värmen möter på vägen dit.

Det primära sidokåpan (komponentsidan av PCB:n) tar emot majoriteten av värmen från kortet. Var detta kåpa sitter i förhållande till den kalla väggen och hur direkt värmen kan nå det avgör hur effektivt värmen avleds.

Sekundär sidorientering (SOLIDWEDGE™ Wedgelock bredvid PCB)

Det primära sidokåpan har direkt kontakt med den kalla väggen, och PCB:n är helt borttagen från den primära värmevägen. Med denna direkta metall-till-metallkontakt blir ramen-till-kall vägg-vägen den väg med lägst motstånd och leder ungefär 80 % av värmen. Wedgelocken hanterar de återstående 20 % från den sekundära sidan.

Primär sidorientering (SOLIDWEDGE™ Wedgelock ovanpå PCB)

Det sekundära sidokåpan har direkt kontakt med den kalla väggen, men värmen härstammar från den primära sidan (komponentsidan) och måste ledas genom PCB:n och det sekundära sidokåpan för att nå den kontakten. PCB-substratet är en dålig värmeledare, så denna väg har betydande motstånd. På grund av detta tar majoriteten av värmen faktiskt den kortare vägen genom wedgelocken som sitter ovanpå det primära sidokåpan istället, ungefär 70 % av värmen, medan endast cirka 30 % tar den längre vägen genom PCB:n till kontakten på det sekundära sidokåpan. Här är rollerna omvända, där wedgelocksidan nu är den väg med lägre motstånd. Denna konfiguration används vanligtvis när konvektion är den primära kylmetoden och ledning fungerar som ett komplement.

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

Testutrustning och uppställning

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

Kallväggstestfixtur

Kallväggen är en kylfläns med ett kortkantsspår bearbetat enligt lämplig VITA-specifikation (VITA 48, VITA 78, etc.). Viktiga krav inkluderar:

• Ytfinish: 16 µin RMS eller bättre på spårets kontaktytor
• 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 spåret för att mäta kallväggens temperatur vid varje gränssnitt

En icke-termiskt ledande distans (vanligtvis ABS-plast) placeras i botten av spåret 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 kilspärr fäst. Den är tillverkad av 6061-T6 aluminium med en ytråhet på 16 µin RMS i kontaktområdena. Plattans tjocklek beräknas utifrån kallväggens spårhöjd, kilspärrens höjd och nominella expansion:

Testplattans tjocklek = Kallväggens spårhöjd - Kilspärrens höjd - Kilspärrens nominella expansion

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

Lastmotstånd monterade på testplattan simulerar komponenters värmeavgivning, med kapacitet för minst 100 watt. Motstånden 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 wedgelock, cirka 0,100" till 0,200" från wedgelock-kanten
• Kallväggens ram-sida temperatur (T_CWF): Medelvärde av två termoelement centrerade längs kallväggens längd, placerade cirka 0,100" till 0,200" från ram-till-kallvägg-gränssnittet
• Kallväggens wedgelocksida temperatur (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 kritisk. 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 motstånd separat och kombineras sedan med formeln för parallellt motstånd. Värmefördelningen som används i dessa beräkningar är specifik för den testade monteringsorienteringen, ungefär 80/20 (ram-sida/wedgelock-sida) för sekundärsidan och ungefär 70/30 (wedgelock-sida/ram-sida) för primärsidan.

Termiskt motstånd på ram-sidan (R_F)

R_F = (T_P - T_CWF) / (S_FP)

Där P är total effekt och S_F är den andel värme som flödar genom ram-sidan för den testade orienteringen, ungefär 0,8 för sekundärsidan eller ungefär 0,3 för primärsidan.

Termiskt motstånd på wedgelocksidan (R_W)

R_W = (T_P - T_CWW) / (S_WP)

Där S_W är den andel värme som flödar genom wedgelock-vägen för den testade orienteringen, ungefär 0,2 för sekundärsidan eller ungefär 0,7 för primärsidan.

Totalt termiskt motstånd (R_T)

R_T = (R_F × R_W) / (R_F + R_W)

Detta är den standardiserade formeln för parallellt motstånd. Resultatet uttrycks i °C/W.

Testprocedur

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

• Effektökningar: 20W, 40W, 60W, 80W och 100W
• Stabiliseringskriterier: Ingen temperaturförändring större än 1°C under fem minuter (enligt MIL-STD-202)
• Initial kalibrering: Kallväggs- och testplattans medelvärden inom 0,2°C innan effekt appliceras

Testning vid flera effektnivåer bekräftar att termiskt motstånd förblir konsekvent och avslöjar eventuellt icke-linjärt beteende som kan påverka högpresterande applikationer.

Varför ytfinish är viktigt

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

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

Testfixturens ytor betraktas som slitdelar 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. När du utvärderar wedgelocks termiska motståndsdata, överväg:

• Testförhållanden: Utfördes testerna vid effektnivåer som är relevanta för din applikation?
• Ytförhållanden: Vilken ytbehandling och plätering användes?
• VITA-efterlevnad: Byggdes testfixturen enligt samma VITA-specifikation som ditt chassi?
• Upprepbarhet: 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, upprepbar 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.