ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΔΟΚΙΜΗΣ ΚΥΚΛΟΥ ΖΩΗΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ & ΣΦΙΞΩΤΙΚΗΣ ΔΥΝΑΜΗΣ WEDGELOCK

Κάθε SolidWedge δοκιμάζεται σε μια δοκιμή 100 κύκλων που αποτελείται από τέσσερις θερμικές δοκιμές και 96 δοκιμές ανάλυσης τάσης (δύναμη σύσφιξης). Παρακάτω περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο το WaveTherm κάνει τη διεξαγωγή αυτών των δοκιμών. 

Μεθοδολογία θερμικής δοκιμής

Η θερμική δοκιμή πραγματοποιείται για τον προσδιορισμό της συνολικής θερμικής αντίστασης στις επιφάνειες επαφής μιας δοκιμαστικής πλάκας και της κλειδαριάς σφήνας σε έναν ψυχρό τοίχο. 

Υπάρχει μια μετρήσιμη πτώση θερμοκρασίας όταν η θερμική ενέργεια ρέει στην περιοχή επαφής δύο επιφανειών. Μετρώντας τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο επιφανειών και γνωρίζοντας τη θερμική ενέργεια που εισάγεται στη δοκιμαστική πλάκα, μπορεί να υπολογιστεί ο υπολογισμός της θερμικής αντίστασης του συνδέσμου.


Θεωρία Παράλληλης Αντίστασης
Υπάρχουν τρεις τρόποι με τους οποίους μπορεί να διαλυθεί η θερμότητα από την πλάκα δοκιμής. Από τις τρεις, υπάρχουν δύο παράλληλες διαδρομές που πρέπει να ληφθούν υπόψη για τον υπολογισμό της συνολικής θερμικής αντίστασης της δοκιμαστικής πλάκας και του συστήματος ασφάλισης σφήνας:

• Η αγωγή στο ψυχρό τοίχωμα θεωρείται ότι ευθύνεται για το 70% της απαγωγής θερμότητας από την πλάκα δοκιμής.
• Η αγωγή μέσω της κλειδαριάς σφήνας στο ψυχρό τοίχωμα θεωρείται ότι ευθύνεται για το 30% της απαγωγής θερμότητας από τη δοκιμαστική πλάκα.
• Οι απώλειες μεταφοράς και ακτινοβολίας από τη δοκιμαστική πλάκα θεωρείται ότι είναι αμελητέες λόγω της μόνωσης που περιγράφεται στη διαδικασία εγκατάστασης και της θωράκισης της ροής αέρα που μπορεί να τοποθετηθεί γύρω από τη μονάδα υπό δοκιμή κατά τη διαδικασία δοκιμής.

Ορολογία

Οι ακόλουθοι όροι χρησιμοποιούνται σε όλη αυτή τη διαδικασία δοκιμής:

• Wedgelock – Η μηχανική συσκευή που κλειδώνει ένα θερμικό πλαίσιο ή PCB σε έναν ψυχρό τοίχο και παρέχει τη δύναμη σύσφιξης που είναι απαραίτητη για τη διευκόλυνση της μεταφοράς θερμότητας και την αντίσταση στη μετατόπιση λόγω κραδασμών ή κραδασμών
• Πλαίσιο θερμότητας – Μεταλλική πλάκα ή πλαίσιο που προσαρτάται σε ένα PCB και έχει σχεδιαστεί για να μεταφέρει θερμική ενέργεια από τα ενεργά εξαρτήματα στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (εφεξής PCB).
• Πλάκα δοκιμής – Ένα αντιπροσωπευτικό πλαίσιο θερμότητας με κλειδαριά σφήνας στη μία άκρη, θερμοστοιχεία δίπλα στην κλειδαριά σφήνας και αντιστάσεις τοποθετημένες σε αυτό για προσομοίωση της επίδρασης ενεργών εξαρτημάτων σε συνδυασμό PCB/πλαισίου θερμότητας.
• Ψυχρός τοίχος – Μια ψύκτρα με ένα ή περισσότερα κανάλια άκρων κάρτας που σχηματίζονται σε αυτήν για να υποστηρίζουν το πλαίσιο θερμότητας και η οποία χρησιμοποιεί ενεργή ψύξη για να διαχέει το θερμικό φορτίο που δημιουργείται από το πλαίσιο PCB/θερμότητας.
• Εξάρτημα δοκιμής – Ένας αντιπροσωπευτικός ψυχρός τοίχος με ενεργή ψύξη, ψύκτρες και ανεμιστήρες με τυπικά πτερύγια.
• Θερμοστοιχείο – Ένα ζεύγος ανόμοιων καλωδίων που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό μιας θερμοκρασίας στο σημείο επαφής του.
• Αναγνώστης δεδομένων – Ένας μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό που μετατρέπει τις μικρο-τάσεις που παράγονται από ένα θερμοστοιχείο σε τιμές θερμοκρασίας.

Απαιτήσεις Εξοπλισμού

Ψυχρός τοίχος
Το κρύο τοίχωμα έχει επαρκές μέγεθος ώστε να επιτρέπει στα πτερύγια ψύξης και τον συνδυασμό ανεμιστήρα να ψύχουν αποτελεσματικά την ισχύ που σχεδιάζεται να διαλυθεί κατά τη διάρκεια της δοκιμής. Υπάρχει ένας κουλοχέρης επεξεργασμένος στον ψυχρό τοίχο που κατασκευάζεται σύμφωνα με τις κατάλληλες προδιαγραφές που αντιστοιχεί στο δείγμα κλειδαριάς σφήνας (VITA 48, VITA 78, κ.λπ.) που πρόκειται να δοκιμαστεί. Οι επιφάνειες επαφής κρύων σχισμών τοίχου έχουν τραχύτητα επιφάνειας 16 μin (RMS) ή καλύτερη. Υπάρχουν θερμοστοιχεία τοποθετημένα σε κάθε πλευρά της υποδοχής για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας του ψυχρού τοίχου δίπλα στην υποδοχή. Ο ψυχρός τοίχος είναι επιμεταλλωμένος Clear Chromate ανά MIL-C-5541m class 3 για να αντιπροσωπεύει ένα τυπικό πλαίσιο.

Προκειμένου να αποτραπεί η επαφή του υπό δοκιμή πλαισίου θερμότητας με το «κάτω μέρος» του καναλιού και έτσι να παρέχεται μια τρίτη επιφάνεια για τη μεταφορά θερμικής ενέργειας, υπάρχει ένας διαχωριστής πλάτους περίπου 0,5 ίντσες και πάχους περίπου 0,040 ίντσες κατασκευασμένος από μη θερμικά αγώγιμο πλαστικό όπως ABS, ή παρόμοιο, και τοποθετείται στη βάση ή στην πλευρά χωρίς επαφή της ψυχρής υποδοχής τοίχου. Αυτός ο διαχωριστής αφαιρείται αφού ασφαλίσει στη θέση του η δοκιμαστική πλάκα.

Εικόνα 1: Ψυχρός τοίχος για θερμική ανάλυση
Δοκιμαστική πλάκα
Η πλάκα δοκιμής είναι αρκετά μακρά για να χωρέσει την κλειδαριά σφήνας που πρόκειται να δοκιμαστεί και περίπου 2,50" πλάτος για να χωρέσει τα ωμικά στοιχεία που θα χρησιμοποιηθούν. Το πάχος του άκρου στερέωσης της κλειδαριάς σφήνας καθορίζεται από το ύψος της κλειδαριάς σφήνας και την ψυχρή υποδοχή τοίχου:

𝑇𝑒𝑠𝑡 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑒 𝑇ℎ𝑖𝑐𝑘𝑛𝑒𝑠𝑠 = 𝐶𝑜𝑙𝑑 𝑊𝑎𝑙𝑙 𝑆𝑙𝑜𝑡 𝐻𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡 - 𝑊𝑒𝑑𝑔𝑒𝑙𝑜𝑐𝑘 𝐻𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡 - 𝑊𝑒𝑑𝑔𝑒𝑙𝑜𝑐𝑘 𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝐸𝑥𝑝𝑎𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛

Ακολουθεί ένα παράδειγμα υπολογισμού με χρήση ενός τυπικού κρύου τοίχου VITA 48 με σφήνα 0,225" ύψους που έχει ονομαστική επέκταση 0,025":

𝑇𝑒𝑠𝑡 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑒 𝑇ℎ𝑖𝑐𝑘𝑛𝑒𝑠𝑠 = 0,525 − 0,225 − 0,025 − 0,025

Το υλικό τόσο για τον ψυχρό τοίχο όσο και για τις δοκιμαστικές πλάκες είναι αλουμίνιο 6061-T6 με φινίρισμα επιφάνειας που καθορίζεται ως 16 μin (RMS) στις περιοχές επαφής με την κλειδαριά σφήνας και μεταξύ της δοκιμαστικής πλάκας και του ψυχρού τοιχώματος.
Εικόνα 2: Δοκιμαστική πλάκα για θερμική ανάλυση
Μέτρηση Θερμοκρασίας
Υπάρχουν τρεις θερμοκρασίες που απαιτούνται για τον υπολογισμό της συνολικής θερμικής αντίστασης:
  • Δοκιμαστική πλάκα (TP) - Η θερμοκρασία της δοκιμαστικής πλάκας προσδιορίζεται με τον μέσο όρο τεσσάρων ενδείξεων θερμοστοιχείου. Οι θέσεις του θερμοστοιχείου είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες κατά μήκος της δοκιμαστικής πλάκας, τουλάχιστον μία ίντσα (1,0") από κάθε άκρο. Τα θερμοστοιχεία βρίσκονται μεταξύ της πηγής θερμότητας και της κλειδαριάς σφήνας, όσο το δυνατόν πιο κοντά στην κλειδαριά σφήνας (συνήθως 0,100” – 0,200” από το κέντρο της οπής του θερμοστοιχείου μέχρι την άκρη της ασφάλισης σφήνας).

    • Πλευρά πλαισίου κρύου τοίχου (TCWF) - Η θερμοκρασία στην πλευρά του πλαισίου κρύου τοίχου καθορίζεται από τον μέσο όρο δύο μετρήσεων θερμοστοιχείου. Οι θέσεις του θερμοστοιχείου είναι κεντραρισμένες κατά μήκος του κρύου τοίχου, τουλάχιστον μία ίντσα (1,0") από κάθε άκρο. Τα θερμοστοιχεία είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στη διεπαφή πλαισίου-κρύου τοίχου (συνήθως 0,100” – 0,200” από το κέντρο της οπής του θερμοστοιχείου μέχρι την καθορισμένη διεπαφή).

    • Πλευρά σφήνας κρύου τοίχου (TCWW) - Η θερμοκρασία στην πλευρά σφήνας κρύου τοίχου προσδιορίζεται με τον μέσο όρο δύο μετρήσεων θερμοστοιχείου. Οι θέσεις του θερμοστοιχείου είναι κεντραρισμένες κατά μήκος του κρύου τοίχου, τουλάχιστον μία ίντσα (1,0") από κάθε άκρο. Τα θερμοστοιχεία είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στη διεπαφή σφήνας-κρύου τοίχου (συνήθως 0,100” – 0,200” από το κέντρο της οπής του θερμοστοιχείου μέχρι την καθορισμένη διεπαφή).
    Υπολογισμός

    Για τον υπολογισμό της συνολικής αντίστασης του συστήματος, η θερμική αντίσταση κάθε διαδρομής υπολογίζεται πρώτα ξεχωριστά. Η συνολική αντίσταση του συστήματος μπορεί στη συνέχεια να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας την ίδια μέθοδο με τις παράλληλες αντιστάσεις σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα:

    • Θερμική αντίσταση από την πλευρά του πλαισίου (RF) - Η θερμική αντίσταση από τη δοκιμαστική πλάκα στην πλευρά του πλαισίου του ψυχρού τοίχου μπορεί να υπολογιστεί ως η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της πλάκας δοκιμής και της πλευράς του πλαισίου κρύου τοίχου, διαιρούμενη με την ποσότητα ισχύος που διαχέεται μέσω εκείνο το μονοπάτι.

    •  Θερμική αντίσταση από την πλευρά σφήνας (RW) - Η θερμική αντίσταση από την πλάκα δοκιμής στην πλευρά σφήνας του ψυχρού τοιχώματος μπορεί να υπολογιστεί ως η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της πλάκας δοκιμής και της πλευράς σφήνας κρύου τοιχώματος, διαιρούμενη με την ποσότητα ισχύος που διαχέεται μέσω εκείνο το μονοπάτι. 


    • Ολική θερμική αντίσταση (RT) -Η συνολική θερμική αντίσταση των δύο παράλληλων διαδρομών μπορεί να υπολογιστεί με τον ίδιο τρόπο όπως δύο παράλληλες αντιστάσεις σε ένα κύκλωμα.
              Αυτός ο υπολογισμός έχει ως αποτέλεσμα μονάδες °C/W. 

    Αρχικές Θερμοκρασίες
    Η ισχύς του συστήματος ενεργοποιεί τον ανεμιστήρα ή τους ανεμιστήρες ψύξης ψύκτρας ή άλλη συσκευή ψύξης και το σύστημα λήψης δεδομένων. Όλα τα κανάλια σταθεροποιούνται σε θερμοκρασία δωματίου πριν από την έναρξη της δοκιμής. Τα κανάλια ρυθμίζονται έτσι ώστε ο αριθμητικός μέσος όρος των τεσσάρων ενδείξεων στον ψυχρό τοίχο να είναι εντός 0,2°C από τον αριθμητικό μέσο όρο των τεσσάρων ενδείξεων στην πλάκα δοκιμής. Σημείωση: Δεν απαιτείται ακριβής απόλυτη θερμοκρασία, καθώς όλες οι μετρήσεις θα λαμβάνονται από την ίδια γνωστή αρχική τιμή και μόνο η διαφορική θερμοκρασία θα χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των αποτελεσμάτων της δοκιμής. 

    Επίπεδα ισχύος
    Τα δεδομένα δοκιμής λαμβάνονται σε διαστήματα των 20 Watt, έως και 100 Watt ανά διαστήματα των 20 Watt. Για κάθε επίπεδο ισχύος, η τροφοδοσία ρεύματος προσαρμόζεται για να παρέχει την επιθυμητή ισχύ στη δοκιμαστική πλάκα. Όλες οι ενδείξεις θερμοστοιχείου σταθεροποιούνται και, στη συνέχεια, οι ενδείξεις της δοκιμαστικής πλάκας και του θερμοστοιχείου κρύου τοίχου καταγράφονται σε ένα μορφοποιημένο αρχείο excel. Η σταθερότητα ορίζεται ως καμία αλλαγή θερμοκρασίας μεγαλύτερη από 1°C σε διάστημα πέντε λεπτών.

    Δοκιμή δύναμης σύσφιξης

    Αφηρημένη

    Η δοκιμή δύναμης σύσφιξης πραγματοποιείται στο WaveTherm SolidWedge καθώς και σε άλλα διάφορα σφηνάκια για να συγκριθεί η δύναμη εξόδου που δημιουργείται από μια δεδομένη ροπή εισόδου. Οι σφήνες στερεώνονται στις αντίστοιχες πλάκες στερέωσης και η πλάκα στερέωσης θα εισαχθεί στο συγκρότημα δοκιμής δύναμης σύσφιξης. Οι κυψέλες φόρτισης στο συγκρότημα χρησιμοποιούνται για την ανάγνωση της δύναμης σύσφιξης της συσκευής με μια καθορισμένη ροπή στρέψης. Υπάρχει ένα συγκεκριμένο λογισμικό που συνδυάζεται με τον αναγνώστη δεδομένων που χρησιμοποιεί (OM-DAQ-USB-2401, Omega Data Acquisition Module) που απεικονίζει γραφικά τις λίβρες που εφαρμόζονται στα κελιά φορτίου του εξάρτημα ελέγχου καθώς ξεκινά η δοκιμή.

     Ρύθμιση δοκιμής

    Η διάταξη δοκιμής απαιτεί μια δοκιμαστική πλάκα με τις σωστές διαστάσεις που συσχετίζονται με το μέγεθος του δείγματος δοκιμής και το εξάρτημα δοκιμής όπως φαίνεται παρακάτω. Όταν συνδυάζονται, το δείγμα δοκιμής και η πλάκα δοκιμής πρέπει να είναι 0,525”. Το πλάτος του εξαρτήματος δοκιμής με το τυπικό μπλοκ μεταφοράς φορτίου είναι 0,600”. Το εξάρτημα δοκιμής δύναμης σφιγκτήρα προορίζεται για την προσομοίωση ενός πραγματικού πλαισίου. Το δυναμόκλειδο χρησιμοποιείται για να μιμηθεί την πραγματική εφαρμογή του a μικρόήτανΣΕάκρο που εφαρμόζεται σε ένα ενσωματωμένο σύστημα. Κάθε δείγμα πρέπει να έχει κύκλο 2-24, 26-49 και 51-99 κύκλων δύναμης σύσφιξης για συνολικά 96 κύκλους. Ο 1ος, 25ος, 50ος και 100ος κύκλος είναι οι θερμικές δοκιμές. Όλα τα δεδομένα για κάθε δοκιμή συλλέγονται σε ξεχωριστά αρχεία excel και στη συνέχεια ενοποιούνται σε ένα συνολικό υπολογιστικό φύλλο. 

    Εικόνα 3: Εξάρτημα ανάλυσης στρες