METODOLOGIA DE TESTE DE CICLO DE VIDA DE FORÇA DE FIXAÇÃO E TÉRMICA WEDGELOCK

Cada SolidWedge é testado em um teste de 100 ciclos que consiste em quatro testes térmicos e 96 testes de análise de tensão (força de fixação). Abaixo consiste em como WaveTherm realiza esses testes. 

Metodologia de Teste Térmico

O teste térmico é feito para determinar a resistência térmica total nas superfícies de contato de uma placa de teste e trava em uma parede fria. 

Há uma queda de temperatura mensurável quando a energia térmica flui através da área de contato de duas superfícies. Medindo o diferencial de temperatura entre as duas superfícies e conhecendo a energia térmica que está sendo inserida na placa de teste, pode-se calcular a resistência térmica da junta.


Teoria da Resistência Paralela
Existem três maneiras pelas quais o calor da placa de teste pode ser dissipado. Dos três, existem dois caminhos paralelos a serem considerados no cálculo da resistência térmica total da placa de teste e do sistema de trava de cunha:

• Supõe-se que a condução para a parede fria seja responsável por 70% da dissipação de calor da placa de teste.
• Supõe-se que a condução através da trava de cunha para a parede fria seja responsável por 30% da dissipação de calor da placa de teste.
• As perdas convectivas e radiativas da placa de teste são consideradas insignificantes devido ao isolamento descrito no procedimento de configuração e à blindagem do fluxo de ar que pode ser colocada ao redor da unidade em teste durante o processo de teste.

Terminologia

Os seguintes termos são usados ao longo deste procedimento de teste:

• Wedgelock - O dispositivo mecânico que trava uma estrutura de aquecimento ou PCB em uma parede fria e fornece a força de fixação necessária para facilitar a transferência de calor e resistir ao deslocamento devido a choque ou vibração
• Armação de calor – Uma placa ou armação de metal que se conecta a uma PCB e é projetada para conduzir energia térmica dos componentes ativos na placa de circuito impresso (doravante PCB).
• Placa de teste – Uma estrutura de calor representativa com uma trava de cunha em uma borda, termopares adjacentes à trava de cunha e resistores montados nela para simular o efeito de componentes ativos em uma combinação de PCB/estrutura de aquecimento.
• Cold Wall – Dissipador de calor com um ou mais canais de borda de placa formados nele para suportar a estrutura de calor e que utiliza resfriamento ativo para dissipar a carga térmica gerada pela placa de circuito impresso/armação de calor.
• Dispositivo de teste – Uma parede fria representativa com resfriamento ativo, normalmente dissipadores de calor com aletas e ventiladores.
• Termopar – Um par de fios diferentes usados para determinar a temperatura em seu ponto de contato.
• Leitor de Dados – Conversor analógico-digital que converte as microtensões geradas por um termopar em valores de temperatura.

Requisitos de Equipamento

Parede Fria
A parede fria é de tamanho suficiente para permitir que as aletas de resfriamento e a combinação do ventilador resfriem efetivamente a potência planejada para ser dissipada durante o teste. Há uma ranhura usinada na parede fria que é fabricada com uma especificação apropriada correspondente à amostra de cunha (VITA 48, VITA 78, etc.) a ser testada. As superfícies de contato da ranhura da parede fria têm uma rugosidade superficial de 16 µin (RMS) ou melhor. Existem termopares colocados em cada lado do slot para determinar a temperatura da parede fria adjacente ao slot. A parede fria é revestida com cromato claro conforme MIL-C-5541m classe 3 para representar um chassi típico.

Para evitar que a estrutura de calor em teste entre em contato com o "fundo" do canal e, assim, forneça uma terceira superfície para transferir energia térmica, há um espaçador de aproximadamente 0,5 polegada de largura e aproximadamente 0,040 polegada de espessura feito de plástico não termicamente condutor como ABS, ou similar, e colocado na base ou no lado sem contato da ranhura da parede fria. Este espaçador é removido depois que a placa de teste é travada no lugar.

Figura 1: Parede Fria para Análise Térmica
Placa de teste
A placa de teste é longa o suficiente para acomodar a trava de cunha a ser testada e aproximadamente 2,50” de largura para acomodar os elementos resistivos a serem usados. A espessura da borda de montagem da trava da cunha é determinada pela altura da trava da cunha e pela ranhura da parede fria:

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

Aqui está um exemplo de cálculo usando uma parede fria padrão VITA 48 com uma cunha de 0,225" de altura que tem uma expansão nominal de 0,025":

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

O material tanto para a parede fria quanto para as placas de teste é de alumínio 6061-T6 com acabamento superficial especificado como 16 µin (RMS) nas áreas de contato com a trava da cunha e entre a placa de teste e a parede fria.
Figura 2: Placa de teste para análise térmica
Medição de temperatura
Existem três temperaturas necessárias para calcular a resistência térmica total:
  • Placa de teste (TP) - A temperatura da placa de teste é determinada pela média de quatro leituras de termopar. As localizações do termopar são espaçadas uniformemente ao longo do comprimento da placa de teste, pelo menos uma polegada (1,0") de cada extremidade. Os termopares estão localizados entre a fonte de calor e a trava da cunha, o mais próximo possível da trava da cunha (normalmente 0,100" - 0,200" do centro do orifício do termopar até a borda da trava da cunha).

    • Lado da estrutura da parede fria (TCWF) - A temperatura lateral da estrutura da parede fria é determinada pela média de duas leituras do termopar. Os locais dos termopares são centralizados ao longo do comprimento da parede fria, pelo menos uma polegada (1,0") de cada extremidade. Os termopares ficam o mais próximo possível da interface da parede fria da estrutura (normalmente 0,100" - 0,200" do centro do orifício do termopar até a interface especificada).

    • Lado da cunha da parede fria (TCWW) - A temperatura do lado da cunha da parede fria é determinada pela média de duas leituras do termopar. Os locais dos termopares são centralizados ao longo do comprimento da parede fria, pelo menos uma polegada (1,0") de cada extremidade. Os termopares ficam o mais próximo possível da interface de parede fria com trava de cunha (normalmente 0,100" - 0,200" do centro do orifício do termopar até a interface especificada).
    Cálculo

    Para calcular a resistência total do sistema, a resistência térmica de cada caminho é calculada primeiro separadamente. A resistência total do sistema pode então ser calculada usando o mesmo método que os resistores paralelos em um circuito elétrico:

    • Resistência térmica do lado da estrutura (RF) - A resistência térmica da placa de teste para o lado da estrutura da parede fria pode ser calculada como a diferença de temperatura entre a placa de teste e o lado da estrutura da parede fria, dividida pela quantidade de energia dissipada através aquele caminho.

    •  Resistência térmica do lado da cunha (RW) - A resistência térmica da placa de teste para o lado da cunha da parede fria pode ser calculada como a diferença de temperatura entre a placa de teste e o lado da cunha da parede fria, dividida pela quantidade de energia dissipada através aquele caminho. 


    • Resistência Térmica Total (RT) - A resistência térmica total dos dois caminhos paralelos pode ser calculada da mesma forma que dois resistores paralelos em um circuito.
              Este cálculo resulta em unidades de °C/W. 

    Temperaturas iniciais
    A energia do sistema energiza o ventilador ou ventiladores de resfriamento do dissipador de calor, ou outro aparelho de resfriamento, e o sistema de aquisição de dados. Todos os canais estabilizam à temperatura ambiente antes de inicializar o teste. Os canais são ajustados para que a média numérica das quatro leituras na parede fria esteja dentro de 0,2°C da média numérica das quatro leituras na placa de teste. Observação: uma temperatura absoluta precisa não é necessária, pois todas as leituras serão feitas a partir do mesmo valor inicial conhecido e apenas a temperatura diferencial será usada no cálculo dos resultados do teste. 

    Níveis de potência
    Os dados de teste são adquiridos em intervalos de 20 watts, até 100 watts em intervalos de 20 watts. Para cada nível de potência, a fonte de alimentação é ajustada para fornecer a potência desejada na placa de teste. Todas as leituras do termopar se estabilizam e, em seguida, as leituras da placa de teste e do termopar de parede fria são registradas em um arquivo Excel formatado. A estabilidade é definida como nenhuma mudança de temperatura superior a 1°C ao longo de cinco minutos.

    Teste de força de aperto

    Resumo

    O teste de força de fixação é realizado no WaveTherm SolidWedge, bem como em outras várias travas de cunha para comparar a força de saída gerada por um determinado torque de entrada. As travas de cunha são fixadas em suas placas de montagem correspondentes e a placa de montagem será inserida no conjunto de teste de força de fixação. As células de carga no conjunto são usadas para ler a força de fixação do dispositivo em um torque especificado. Existe um software específico que emparelha com o leitor de dados utilizado (OM-DAQ-USB-2401, Omega Data Acquisition Module) que representa graficamente as libras aplicadas às células de carga do dispositivo de teste quando o teste começa.

     Configuração de teste

    A configuração do teste requer uma placa de teste com as dimensões corretas correlacionadas ao tamanho da amostra de teste e do acessório de teste, conforme visto abaixo. Quando combinados, a amostra de teste e a placa de teste precisam ser de 0,525”. A largura do dispositivo de teste com o bloco de transferência de carga padrão é de 0,600”. O dispositivo de teste de força de fixação destina-se a simular um chassi real. A chave de torque é usada para imitar a aplicação no mundo real de um SestavamDENTROedge aplicado dentro de um sistema embarcado. Cada amostra deve ter um ciclo de 2-24, 26-49 e 51-99 ciclos de força de fixação para um total de 96 ciclos. O 1º, 25º, 50º e 100º ciclos são os testes térmicos. Todos os dados de cada teste são coletados em arquivos Excel separados e então consolidados em uma planilha geral. 

    Figura 3: Dispositivo de Análise de Tensão