WEDGELOCK THERMISCHE & KLEMKRACHT LEVENSCYCLUS TESTMETHODOLOGIE

Elke SolidWedge wordt getest onder een 100 Cyclustest bestaande uit vier thermische tests en 96 stressanalyse (klemkracht) tests. Hieronder staat hoe WaveTherm deze tests uitvoert. 

Thermische testmethodologie

Thermische tests worden uitgevoerd om de totale thermische weerstand te bepalen over de contactoppervlakken van een testplaat en wigvergrendeling op een koude muur. 

Er is een meetbare temperatuurdaling wanneer thermische energie over het contactoppervlak van twee oppervlakken stroomt. Door het temperatuurverschil tussen de twee oppervlakken te meten en de thermische energie te kennen die in de testplaat wordt ingebracht, kan een berekening van de thermische weerstand van de verbinding worden berekend.


Parallelle weerstandstheorie
Er zijn drie manieren waarop de warmte van de testplaat kan worden afgevoerd. Van de drie zijn er twee parallelle paden waarmee rekening moet worden gehouden bij het berekenen van de totale thermische weerstand van de testplaat en het wigvergrendelingssysteem:

• Geleiding naar de koude wand wordt verondersteld verantwoordelijk te zijn voor 70% van de warmtedissipatie van de testplaat.
• Aangenomen wordt dat geleiding door het wigslot naar de koude wand verantwoordelijk is voor 30% van de warmtedissipatie van de testplaat.
• Convectieve en stralingsverliezen van de testplaat worden als verwaarloosbaar beschouwd vanwege de isolatie beschreven in de opstellingsprocedure en luchtstroomafscherming die tijdens het testproces rond de te testen unit kan worden geplaatst.

Terminologie

In deze testprocedure worden de volgende termen gebruikt:

• Wedgelock - Het mechanische apparaat dat een warmteframe of PCB in een koude muur vergrendelt en de klemkracht levert die nodig is om warmteoverdracht te vergemakkelijken en verplaatsing als gevolg van schokken of trillingen te weerstaan
• Warmteframe - Een metalen plaat of frame dat aan een PCB wordt bevestigd en is ontworpen om thermische energie van de actieve componenten op de printplaat (hierna PCB) te geleiden.
• Testplaat – Een representatief warmteframe met een wigvergrendeling aan één rand, thermokoppels naast de wigvergrendeling en daarop gemonteerde weerstanden om het effect van actieve componenten op een PCB/warmteframe-combinatie te simuleren.
• Koude muur – Een koellichaam met een of meer kaartrandkanalen erin gevormd om het warmteframe te ondersteunen, en die actieve koeling gebruikt om de thermische belasting die door de printplaat/het warmteframe wordt gegenereerd af te voeren.
• Testopstelling – Een representatieve koude muur met actieve koeling, doorgaans koellichamen met vinnen en ventilatoren.
• Thermokoppel – Een paar verschillende draden die worden gebruikt om de temperatuur op het contactpunt te bepalen.
• Data Reader – Een analoog-naar-digitaal omzetter die de door een thermokoppel gegenereerde microspanningen omzet in temperatuurwaarden.

Apparatuurvereisten

Koude muur
De koude wand is groot genoeg om de combinatie van koelvinnen en ventilator in staat te stellen het wattage dat tijdens het testen moet worden afgevoerd, effectief te koelen. Er is een gleuf in de koude wand gefreesd die is vervaardigd volgens een geschikte specificatie die overeenkomt met het wedgelock-exemplaar (VITA 48, VITA 78, enz.) dat moet worden getest. De contactvlakken van de cold wall-sleuf hebben een oppervlakteruwheid van 16 µin (RMS) of beter. Aan elke kant van de gleuf zijn thermokoppels geplaatst om de temperatuur van de koude muur naast de gleuf te bepalen. De koude wand is geplateerd Clear Chromate volgens MIL-C-5541m klasse 3 om een typisch chassis te vertegenwoordigen.

Om te voorkomen dat het te testen warmteframe in contact komt met de "bodem" van het kanaal en zo een derde oppervlak vormt om thermische energie over te dragen, is er een afstandhouder van ongeveer 0,5 inch breed en ongeveer 0,040 inch dik gemaakt van een niet-thermisch geleidend plastic zoals ABS, of iets dergelijks, en geplaatst aan de basis of niet-contactzijde van de koude wandsleuf. Deze afstandhouder wordt verwijderd nadat de testplaat op zijn plaats is vergrendeld.

Figuur 1: Koude muur voor thermische analyse
Testplaat
De testplaat is lang genoeg om de te testen wigvergrendeling op te nemen, en ongeveer 2,50 inch breed voor de te gebruiken weerstandselementen. De dikte van de montagerand van de wedgelock wordt bepaald door de wedgelock-hoogte en de coldwall-sleuf:

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

Hier is een voorbeeldberekening met een standaard VITA 48 koude wand met een 0,225” hoge wedgelock met een nominale uitzetting van 0,025”:

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

Materiaal voor zowel de koude wand als de testplaten is 6061-T6 aluminium met een oppervlakteafwerking gespecificeerd als 16 µin (RMS) in de contactgebieden met de wigvergrendeling en tussen de testplaat en de koude wand.
Figuur 2: Testplaat voor thermische analyse
Temperatuurmeting
Er zijn drie temperaturen nodig om de totale thermische weerstand te berekenen:
  • Testplaat (TP) - De temperatuur van de testplaat wordt bepaald door het gemiddelde van vier thermokoppelmetingen te nemen. De locaties van het thermokoppel zijn gelijkmatig verdeeld over de lengte van de testplaat, ten minste een inch (1,0 inch) van beide uiteinden. De thermokoppels bevinden zich tussen de warmtebron en de wigvergrendeling, zo dicht mogelijk bij de wigvergrendeling (meestal 0,100” – 0,200” vanaf het midden van het thermokoppelgat tot de rand van de wigvergrendeling).

    • Cold Wall Frame Side (TCWF) - De temperatuur aan de kant van het koude muurframe wordt bepaald door het gemiddelde van twee thermokoppelmetingen te nemen. De locaties van het thermokoppel zijn gecentreerd langs de lengte van de koude muur, ten minste een inch (1,0 inch) vanaf elk uiteinde. De thermokoppels bevinden zich zo dicht mogelijk bij de frame-koude muurinterface (meestal 0,100” – 0,200” vanaf het midden van het thermokoppelgat tot de gespecificeerde interface).

    • Koudwandige wigzijde (TCWW) - De temperatuur aan de koude wandwigzijde wordt bepaald door het gemiddelde van twee thermokoppelmetingen te nemen. De locaties van het thermokoppel zijn gecentreerd langs de lengte van de koude muur, ten minste een inch (1,0 inch) vanaf elk uiteinde. De thermokoppels bevinden zich zo dicht mogelijk bij de interface van de wigvergrendeling en de koude muur (meestal 0,100” – 0,200” van het midden van het thermokoppelgat tot de gespecificeerde interface).
    Berekening

    Om de totale weerstand van het systeem te berekenen, wordt eerst de thermische weerstand van elk pad afzonderlijk berekend. De totale weerstand van het systeem kan dan worden berekend met dezelfde methode als parallelle weerstanden in een elektrisch circuit:

    • Thermische weerstand aan framezijde (RF) - De thermische weerstand van de testplaat tot de framezijde van de koude muur kan worden berekend als het temperatuurverschil tussen de testplaat en de koude muurframezijde, gedeeld door de hoeveelheid gedissipeerd vermogen door dat pad.

    •  Thermische weerstand aan de wigzijde (RW) - De thermische weerstand van de testplaat tot de wigzijde van de koude wand kan worden berekend als het temperatuurverschil tussen de testplaat en de koude wandwigzijde, gedeeld door de hoeveelheid gedissipeerd vermogen door dat pad. 


    • Totale thermische weerstand (RT) -De totale thermische weerstand van de twee parallelle paden kan op dezelfde manier worden berekend als twee parallelle weerstanden in een circuit.
              Deze berekening resulteert in eenheden van °C/W. 

    Begintemperaturen
    Het systeemvermogen bekrachtigt de koelventilator of ventilatoren van het koellichaam, of andere koelapparatuur, en het data-acquisitiesysteem. Alle kanalen stabiliseren zich op kamertemperatuur voordat de test wordt geïnitialiseerd. De kanalen zijn zo afgesteld dat het numerieke gemiddelde van de vier aflezingen op de koude wand binnen 0,2°C van het numerieke gemiddelde van de vier aflezingen op de testplaat ligt. Opmerking: een nauwkeurige absolute temperatuur is niet vereist, aangezien alle metingen worden genomen vanaf dezelfde bekende startwaarde en alleen de differentiële temperatuur wordt gebruikt bij het berekenen van de testresultaten. 

    Vermogensniveaus
    Testgegevens worden verkregen met intervallen van 20 watt, tot 100 watt met intervallen van 20 watt. Voor elk vermogensniveau wordt de voeding aangepast om het gewenste wattage op de testplaat te leveren. Alle thermokoppelmetingen stabiliseren, waarna de testplaat en koudwandige thermokoppelmetingen worden vastgelegd in een geformatteerd Excel-bestand. Stabiliteit wordt gedefinieerd als geen temperatuurverandering van meer dan 1°C gedurende vijf minuten.

    Klemkrachttest

    Abstract

    Het testen van de klemkracht wordt uitgevoerd op de WaveTherm SolidWedge en op andere verschillende wedgelocks om de uitgangskracht te vergelijken die wordt gegenereerd door een bepaald ingangskoppel. De wedgelocks worden vastgezet op de bijbehorende montageplaten en de montageplaat wordt in de klemkrachttesteenheid gestoken. Loadcellen in het samenstel worden gebruikt om de klemkracht van het apparaat af te lezen bij een gespecificeerd koppel. Er is specifieke software die met de datalezer wordt gekoppeld (OM-DAQ-USB-2401, Omega Data Acquisition Module) die de ponden weergeeft die op de loadcellen van de testopstelling worden toegepast wanneer de test begint.

     Test opstelling

    De testopstelling vereist een testplaat met de juiste afmetingen die zijn gecorreleerd met de grootte van het testexemplaar en de testopstelling zoals hieronder te zien is. In combinatie moeten het testmonster en de testplaat .525” zijn. De breedte van de testopstelling met het standaard lastoverdrachtblok is .600”. De klemkracht testopstelling is bedoeld om een echt chassis te simuleren. De momentsleutel wordt gebruikt om de toepassing in de echte wereld na te bootsen SwarenINedge toegepast binnen een embedded systeem. Elk monster moet een cyclus hebben van 2-24, 26-49 en 51-99 klemkrachtcycli voor een totaal van 96 cycli. De 1e, 25e, 50e en 100e cyclus zijn de thermische tests. Alle gegevens voor elke test worden verzameld in afzonderlijke Excel-bestanden en vervolgens geconsolideerd in één algemene spreadsheet. 

    Figuur 3: Spanningsanalyse-armatuur