METODOLOGÍA DE PRUEBA DE CICLO DE VIDA TÉRMICA Y DE FUERZA DE CIERRE WEDGELOCK

Cada SolidWedge se somete a una prueba de 100 ciclos que consta de cuatro pruebas térmicas y 96 pruebas de análisis de tensión (fuerza de sujeción). A continuación se muestra cómo WaveTherm realiza estas pruebas. 

Metodología de prueba térmica

La prueba térmica se realiza para determinar la resistencia térmica total a través de las superficies de contacto de una placa de prueba y el bloqueo de cuña a una pared fría. 

Hay una caída de temperatura medible cuando la energía térmica fluye a través del área de contacto de dos superficies. Al medir el diferencial de temperatura entre las dos superficies y conocer la energía térmica que se inserta en la placa de prueba, se puede calcular la resistencia térmica de la junta.


Teoría de la resistencia paralela
Hay tres formas en que se puede disipar el calor de la placa de prueba. De los tres, hay dos caminos paralelos a considerar al calcular la resistencia térmica total de la placa de prueba y el sistema de bloqueo de cuña:

• Se supone que la conducción a la pared fría representa el 70% de la disipación de calor de la placa de prueba.
• Se asume que la conducción a través del bloqueo de cuña a la pared fría representa el 30% de la disipación de calor de la placa de prueba.
• Se supone que las pérdidas por convección y radiación de la placa de prueba son insignificantes debido al aislamiento descrito en el procedimiento de configuración y el blindaje de flujo de aire que se puede colocar alrededor de la unidad bajo prueba durante el proceso de prueba.

Terminología

Los siguientes términos se utilizan a lo largo de este procedimiento de prueba:

• Wedgelock: el dispositivo mecánico que bloquea un marco térmico o PCB en una pared fría y proporciona la fuerza de sujeción necesaria para facilitar la transferencia de calor y resistir el desplazamiento debido a golpes o vibraciones.
• Marco térmico: una placa o marco de metal que se adhiere a una placa de circuito impreso y está diseñado para conducir la energía térmica de los componentes activos en la placa de circuito impreso (en adelante, placa de circuito impreso).
• Placa de prueba: un marco térmico representativo con un bloqueo de cuña en un borde, termopares adyacentes al bloqueo de cuña y resistencias montadas en él para simular el efecto de los componentes activos en una combinación PCB/marco térmico.
• Pared fría: un disipador de calor con uno o más canales en el borde de la tarjeta formados para soportar el marco térmico y que utiliza refrigeración activa para disipar la carga térmica generada por la PCB/marco térmico.
• Dispositivo de prueba: una pared fría representativa con refrigeración activa, normalmente ventiladores y disipadores de calor con aletas.
• Termopar: un par de cables diferentes que se utilizan para determinar la temperatura en su punto de contacto.
• Lector de datos: un convertidor de analógico a digital que convierte los microvoltajes generados por un termopar en valores de temperatura.

Requisitos del equipo

pared fria
La pared fría tiene el tamaño suficiente para permitir que la combinación de aletas de enfriamiento y ventilador enfríe de manera efectiva la potencia que se planea disipar durante la prueba. Hay una ranura mecanizada en la pared fría que se fabrica con una especificación adecuada correspondiente a la muestra de cuña (VITA 48, VITA 78, etc.) que se va a probar. Las superficies de contacto de la ranura de la pared fría tienen una rugosidad superficial de 16 µin (RMS) o superior. Hay termopares colocados a cada lado de la ranura para determinar la temperatura de la pared fría adyacente a la ranura. La pared fría está enchapada en Clear Chromate según MIL-C-5541m clase 3 para representar un chasis típico.

Para evitar que el marco térmico bajo prueba entre en contacto con el "fondo" del canal y, por lo tanto, proporcione una tercera superficie para transferir energía térmica, hay un espaciador de aproximadamente 0,5 pulgadas de ancho y aproximadamente 0,040 pulgadas de grosor hecho de un plástico no conductor térmico. como ABS, o similar, y colocado en la base o lado sin contacto de la ranura de la pared fría. Este espaciador se retira después de que la placa de prueba esté bloqueada en su lugar.

Figura 1: Pared fría para análisis térmico
Placa de prueba
La placa de prueba es lo suficientemente larga para acomodar el bloqueo de cuña que se probará y aproximadamente 2,50” de ancho para acomodar los elementos resistivos que se utilizarán. El grosor del borde de montaje del bloqueo de cuña está determinado por la altura del bloqueo de cuña y la ranura de la pared fría:

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

Aquí hay un cálculo de ejemplo utilizando una pared fría VITA 48 estándar con una cuña de 0,225" de alto que tiene una expansión nominal de 0,025":

= 0.525 − 0.225 − 0.025 = 0.275𝑖𝑛

El material tanto para la pared fría como para las placas de prueba es aluminio 6061-T6 con un acabado superficial especificado de 16 µin (RMS) en las áreas de contacto con el bloqueo de cuña y entre la placa de prueba y la pared fría.
Figura 2: Placa de prueba para análisis térmico
Medición de temperatura
Se requieren tres temperaturas para calcular la resistencia térmica total:
  • Placa de prueba (TP): la temperatura de la placa de prueba se determina promediando cuatro lecturas de termopar. Las ubicaciones de los termopares están espaciadas uniformemente a lo largo de la placa de prueba, al menos a una pulgada (1,0") de cada extremo. Los termopares están ubicados entre la fuente de calor y el bloqueo de cuña, lo más cerca posible del bloqueo de cuña (típicamente de 0,100" a 0,200" desde el centro del orificio del termopar hasta el borde del bloqueo de cuña).

    • Lado del marco de pared fría (TCWF): la temperatura del lado del marco de pared fría se determina promediando dos lecturas de termopar. Las ubicaciones de los termopares están centradas a lo largo de la pared fría, al menos a una pulgada (1,0") de cada extremo. Los termopares están lo más cerca posible de la interfaz marco-pared fría (normalmente, entre 0,100" y 0,200" desde el centro del orificio del termopar hasta la interfaz especificada).

    • Lado de cuña de pared fría (TCWW): la temperatura del lado de cuña de pared fría se determina promediando dos lecturas de termopar. Las ubicaciones de los termopares están centradas a lo largo de la pared fría, al menos a una pulgada (1,0") de cada extremo. Los termopares están lo más cerca posible de la interfaz de bloqueo de cuña-pared fría (típicamente 0.100 "- 0.200" desde el centro del orificio del termopar hasta la interfaz especificada).
    Cálculo

    Para calcular la resistencia total del sistema, la resistencia térmica de cada ruta se calcula primero por separado. La resistencia total del sistema se puede calcular usando el mismo método que las resistencias en paralelo en un circuito eléctrico:

    • Resistencia térmica (RF) del lado del marco: la resistencia térmica de la placa de prueba al lado del marco de la pared fría se puede calcular como la diferencia de temperatura entre la placa de prueba y el lado del marco de la pared fría, dividida por la cantidad de energía disipada a través de ese camino

    •  Resistencia térmica del lado de la cuña (RW): la resistencia térmica de la placa de prueba al lado de la cuña de la pared fría se puede calcular como la diferencia de temperatura entre la placa de prueba y el lado de la cuña de la pared fría, dividida por la cantidad de energía disipada a través de ese camino 


    • Resistencia térmica total (RT): la resistencia térmica total de las dos rutas paralelas se puede calcular de la misma manera que dos resistencias paralelas en un circuito.
              Este cálculo da como resultado unidades de °C/W. 

    Temperaturas iniciales
    La potencia del sistema activa el ventilador o los ventiladores de refrigeración del disipador de calor, u otro aparato de refrigeración, y el sistema de adquisición de datos. Todos los canales se estabilizan a temperatura ambiente antes de iniciar la prueba. Los canales se ajustan de modo que el promedio numérico de las cuatro lecturas en la pared fría esté dentro de los 0,2 °C del promedio numérico de las cuatro lecturas en la placa de prueba. Nota: no se requiere una temperatura absoluta precisa ya que todas las lecturas se tomarán del mismo valor inicial conocido y solo se usará la temperatura diferencial para calcular los resultados de la prueba. 

    Niveles de potencia
    Los datos de prueba se adquieren a intervalos de 20 vatios, hasta 100 vatios a intervalos de 20 vatios. Para cada nivel de potencia, la fuente de alimentación se ajusta para proporcionar la potencia deseada en la placa de prueba. Todas las lecturas de los termopares se estabilizan, luego las lecturas de la placa de prueba y del termopar de pared fría se registran en un archivo de Excel con formato. La estabilidad se define como ningún cambio de temperatura superior a 1°C en un lapso de cinco minutos.

    Prueba de fuerza de sujeción

    Abstracto

    La prueba de fuerza de sujeción se realiza en WaveTherm SolidWedge, así como en otras cuñas para comparar la fuerza de salida generada por un par de entrada dado. Los bloqueos de cuña se aseguran en sus placas de montaje correspondientes y la placa de montaje se insertará en el conjunto de prueba de fuerza de sujeción. Las celdas de carga en el ensamblaje se utilizan para leer la fuerza de sujeción del dispositivo a un par especificado. Hay un software específico que se combina con el lector de datos (OM-DAQ-USB-2401, módulo de adquisición de datos Omega) que grafica las libras aplicadas a las celdas de carga del dispositivo de prueba cuando comienza la prueba.

     Configuración de prueba

    La configuración de la prueba requiere una placa de prueba con las dimensiones correctas en correlación con el tamaño de la muestra de prueba y el dispositivo de prueba, como se ve a continuación. Cuando se combinan, la muestra de prueba y la placa de prueba deben tener .525”. El ancho del accesorio de prueba con el bloque de transferencia de carga estándar es de 0,600”. El dispositivo de prueba de fuerza de sujeción está destinado a simular un chasis real. La llave dinamométrica se utiliza para imitar la aplicación en el mundo real de un SfueronENborde aplicado dentro de un sistema embebido. Cada espécimen debe tener un ciclo de 2-24, 26-49 y 51-99 ciclos de fuerza de sujeción para un total de 96 ciclos. Los ciclos 1, 25, 50 y 100 son las pruebas térmicas. Todos los datos de cada prueba se recopilan en archivos de Excel separados y luego se consolidan en una hoja de cálculo general. 

    Figura 3: Dispositivo de análisis de tensión