METODOLOGIA DI PROVA DEL CICLO VITALE DELLA FORZA DI SERRAGGIO E TERMICA WEDGELOCK

Ogni SolidWedge viene testato nell'ambito di un test di 100 cicli composto da quattro test termici e 96 test di analisi delle sollecitazioni (forza di serraggio). Di seguito è spiegato come WaveTherm conduce questi test. 

Metodologia di prova termica

Il test termico viene eseguito per determinare la resistenza termica totale attraverso le superfici di contatto di una piastra di prova e il blocco a cuneo su una parete fredda. 

C'è un calo di temperatura misurabile quando l'energia termica scorre attraverso l'area di contatto di due superfici. Misurando la differenza di temperatura tra le due superfici e conoscendo l'energia termica che viene immessa nella piastra di prova, è possibile calcolare la resistenza termica del giunto.


Teoria della resistenza parallela
Ci sono tre modi in cui il calore dalla piastra di prova può essere dissipato. Dei tre ci sono due percorsi paralleli da considerare nel calcolo della resistenza termica totale della piastra di prova e del sistema di bloccaggio a cuneo:

• Si presume che la conduzione alla parete fredda rappresenti il 70% della dissipazione del calore dalla piastra di prova.
• Si presume che la conduzione attraverso il blocco a cuneo alla parete fredda rappresenti il 30% della dissipazione del calore dalla piastra di prova.
• Si presume che le perdite convettive e radiative dalla piastra di prova siano trascurabili a causa dell'isolamento descritto nella procedura di configurazione e della schermatura del flusso d'aria che può essere posizionata attorno all'unità sottoposta a prova durante il processo di prova.

Terminologia

Durante questa procedura di prova vengono utilizzati i seguenti termini:

• Wedgelock – Il dispositivo meccanico che blocca un telaio termico o un PCB in una parete fredda e fornisce la forza di serraggio necessaria per facilitare il trasferimento di calore e resistere allo spostamento dovuto a urti o vibrazioni
• Cornice termica – Una piastra o cornice metallica che si attacca a un PCB ed è progettata per condurre l'energia termica dai componenti attivi sulla scheda a circuito stampato (di seguito PCB).
• Piastra di prova – Un telaio termico rappresentativo con un blocco a cuneo su un bordo, termocoppie adiacenti al blocco a cuneo e resistori montati su di esso per simulare l'effetto dei componenti attivi su una combinazione PCB/telaio termico.
• Parete fredda – Un dissipatore di calore con uno o più canali sul bordo della scheda formati al suo interno per supportare il telaio termico e che utilizza il raffreddamento attivo per dissipare il carico termico generato dal PCB/telaio termico.
• Dispositivo di prova: una parete fredda rappresentativa con raffreddamento attivo, dissipatori di calore e ventole tipicamente alettati.
• Termocoppia: una coppia di fili diversi utilizzati per determinare una temperatura nel punto di contatto.
• Lettore dati – Un convertitore analogico-digitale che converte le microtensioni generate da una termocoppia in valori di temperatura.

Requisiti dell'attrezzatura

Muro Freddo
La parete fredda è di dimensioni sufficienti per consentire alla combinazione di alette di raffreddamento e ventola di raffreddare efficacemente la potenza che dovrebbe essere dissipata durante il test. C'è una fessura lavorata nella parete fredda che è prodotta secondo una specifica appropriata corrispondente al campione wedgelock (VITA 48, VITA 78, ecc.) da testare. Le superfici di contatto della fessura della parete fredda hanno una rugosità superficiale di 16 µin (RMS) o migliore. Ci sono termocoppie posizionate su ciascun lato dello slot per determinare la temperatura della parete fredda adiacente allo slot. La parete fredda è placcata in cromo trasparente secondo MIL-C-5541m classe 3 per rappresentare un telaio tipico.

Per evitare che il telaio termico in prova venga a contatto con il "fondo" del canale e quindi fornisca una terza superficie per trasferire l'energia termica, è presente un distanziatore largo circa 0,5 pollici e spesso circa 0,040 pollici fatto di plastica non termicamente conduttiva come ABS, o simili, e posizionati alla base o sul lato senza contatto della fessura della parete fredda. Questo distanziatore viene rimosso dopo che la piastra di prova è stata bloccata in posizione.

Figura 1: parete fredda per l'analisi termica
Piatto di prova
La piastra di prova è sufficientemente lunga da contenere il blocco a cuneo da testare e larga circa 2,50 pollici per ospitare gli elementi resistivi da utilizzare. Lo spessore del bordo di montaggio del cuneo è determinato dall'altezza del cuneo e dalla fessura della parete fredda:

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

Ecco un esempio di calcolo utilizzando una parete fredda VITA 48 standard con un wedgelock alto 0,225" che ha un'espansione nominale di 0,025":

𝑇𝑒𝑠𝑡 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑒 𝑇ℎ𝑖𝑐𝑘𝑛𝑒𝑠𝑠 = 0,525 − 0,225 − 0,025 = 0,275𝑖𝑛

Il materiale sia per la parete fredda che per le piastre di prova è alluminio 6061-T6 con una finitura superficiale specificata come 16 µin (RMS) nelle aree di contatto con il blocco del cuneo e tra la piastra di prova e la parete fredda.
Figura 2: piastra di prova per l'analisi termica
Misura della temperatura
Sono necessarie tre temperature per calcolare la resistenza termica totale:
  • Piastra di prova (TP) - La temperatura della piastra di prova viene determinata calcolando una media di quattro letture della termocoppia. Le posizioni della termocoppia sono distanziate uniformemente lungo la lunghezza della piastra di prova, ad almeno un pollice (1,0") da entrambe le estremità. Le termocoppie si trovano tra la fonte di calore e il blocco del cuneo, il più vicino possibile al blocco del cuneo (in genere 0,100" - 0,200" dal centro del foro della termocoppia al bordo del blocco del cuneo).

    • Cold Wall Frame Side (TCWF) - La temperatura del lato cold wall frame viene determinata calcolando la media di due letture della termocoppia. Le posizioni della termocoppia sono centrate lungo la lunghezza della parete fredda, ad almeno un pollice (1,0") da entrambe le estremità. Le termocoppie sono il più vicino possibile all'interfaccia telaio-parete fredda (in genere 0,100" - 0,200" dal centro del foro della termocoppia all'interfaccia specificata).

    • Lato del cuneo della parete fredda (TCWW) - La temperatura del lato del cuneo della parete fredda viene determinata calcolando la media di due letture della termocoppia. Le posizioni della termocoppia sono centrate lungo la lunghezza della parete fredda, ad almeno un pollice (1,0") da entrambe le estremità. Le termocoppie sono il più vicino possibile all'interfaccia della parete fredda con blocco del cuneo (in genere 0,100" - 0,200" dal centro del foro della termocoppia all'interfaccia specificata).
    Calcolo

    Per calcolare la resistenza totale del sistema, la resistenza termica di ciascun percorso viene prima calcolata separatamente. La resistenza totale del sistema può quindi essere calcolata utilizzando lo stesso metodo dei resistori in parallelo in un circuito elettrico:

    • Resistenza termica lato telaio (RF) - La resistenza termica dalla piastra di prova al lato telaio della parete fredda può essere calcolata come la differenza di temperatura tra la piastra di prova e il lato telaio della parete fredda, divisa per la quantità di potenza dissipata attraverso quel percorso.

    •  Resistenza termica lato cuneo (RW) -La resistenza termica dalla piastra di prova al lato del cuneo della parete fredda può essere calcolata come la differenza di temperatura tra la piastra di prova e il lato del cuneo della parete fredda, divisa per la quantità di potenza dissipata attraverso quel percorso. 


    • Resistenza termica totale (RT) -La resistenza termica totale dei due percorsi paralleli può essere calcolata allo stesso modo di due resistori paralleli in un circuito.
              Questo calcolo risulta in unità di °C/W. 

    Temperature iniziali
    L'alimentazione del sistema alimenta la ventola o le ventole di raffreddamento del dissipatore di calore o altri dispositivi di raffreddamento e il sistema di acquisizione dati. Tutti i canali si stabilizzano a temperatura ambiente prima di inizializzare il test. I canali sono regolati in modo che la media numerica delle quattro letture sulla parete fredda sia entro 0,2°C dalla media numerica delle quattro letture sulla piastra di prova. Nota: non è richiesta una temperatura assoluta accurata poiché tutte le letture saranno prese dallo stesso valore iniziale noto e solo la temperatura differenziale verrà utilizzata per calcolare i risultati del test. 

    Livelli di potenza
    I dati del test vengono acquisiti a intervalli di 20 watt, fino a 100 watt a intervalli di 20 watt. Per ogni livello di potenza, l'alimentatore viene regolato per fornire la potenza desiderata sulla piastra di prova. Tutte le letture della termocoppia si stabilizzano, quindi le letture della piastra di prova e della termocoppia della parete fredda vengono registrate in un file excel formattato. La stabilità è definita come nessuna variazione di temperatura superiore a 1°C nell'arco di cinque minuti.

    Prova della forza di serraggio

    Astratto

    Il test della forza di bloccaggio viene eseguito su WaveTherm SolidWedge e su altri vari wedgelock per confrontare la forza di uscita generata da una data coppia di ingresso. I wedgelock vengono fissati sulle rispettive piastre di montaggio e la piastra di montaggio viene inserita nel gruppo di prova della forza di serraggio. Le celle di carico nell'assieme vengono utilizzate per leggere la forza di serraggio del dispositivo a una coppia specificata. C'è un software specifico che si accoppia con il lettore di dati utilizzato (OM-DAQ-USB-2401, Omega Data Acquisition Module) che rappresenta graficamente i chili applicati alle celle di carico del dispositivo di prova all'inizio del test.

     Configurazione di prova

    La configurazione di prova richiede una piastra di prova con le dimensioni corrette correlate alle dimensioni del provino e dell'attrezzatura di prova come mostrato di seguito. Quando combinati, il campione di prova e la piastra di prova devono essere .525”. La larghezza del dispositivo di prova con il blocco di trasferimento del carico standard è .600”. Il dispositivo di prova della forza di serraggio ha lo scopo di simulare un telaio reale. La chiave dinamometrica viene utilizzata per simulare l'applicazione nel mondo reale di a SeranoINbordo applicato all'interno di un sistema embedded. Ogni provino dovrebbe avere un ciclo di 2-24, 26-49 e 51-99 cicli di forza di serraggio per un totale di 96 cicli. Il 1°, 25°, 50° e 100° ciclo sono le prove termiche. Tutti i dati per ogni test vengono raccolti in file excel separati e quindi consolidati in un foglio di calcolo generale. 

    Figura 3: Dispositivo di analisi della sollecitazione