haberler

Isı Emici Performansı Nasıl Test Edilir: Termal Test Yöntemleri Açıklandı

Isı emici performansını test etmenin en doğru yolu, kontrollü bir ısıtıcı blok ve termokupllar kullanılarak yapılan termal direnç ölçümünün (θsa veya θja) ardından tasarım doğrulaması için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) simülasyonunun uygulanmasıdır. Üretim doğrulaması için, kalibre edilmiş bir ısı kaynağı ve hava akış ölçer içeren standart bir rüzgar tüneli testi, ±%3 doğrulukla tekrarlanabilir veriler sağlar. Bu makale, JEDEC JESD51 standardı ve üretimde kullanılan pratik test düzenekleri dahil olmak üzere termal performansı ölçmek için gereken belirli metodolojileri, ekipmanları ve endüstri standartlarını detaylandırmaktadır.

Termal Direnci Ölçmek İçin Standart Yöntem Nedir?

Isı emici termal direncini (θsa) ölçmek için endüstri standardı, zorlanmış taşınım test düzeneğini belirten JEDEC JESD51-6 yöntemidir. Pratikte bu, ısı emicinin bir bakır bloğa gömülü kalibre edilmiş bir termal test kalıbına (tipik olarak 15mm x 15mm) monte edilmesini ve 50W ile 200W arasında bir DC kaynağından güç uygulanmasını içerir. Bağlantı sıcaklığını (Tj) ±0,5°C doğrulukta tip-T termokupllar kullanarak ve ortam sıcaklığını (Ta) 300mm yukarı akış mesafesinde ölçersiniz. Termal direnç θsa = (Tj - Ta) / P olarak hesaplanır; burada P watt cinsinden uygulanan güçtür. Tipik bir ekstrüde alüminyum ısı emici (200mm x 100mm x 40mm) için, iyi tasarlanmış bir birim, 2 m/s hava akışında 0,5°C/W ile 1,5°C/W arasında bir θsa değerine ulaşmalıdır.

Isı Emicileri İçin Rüzgar Tüneli Testi Nasıl Kurulur?

Uygun bir rüzgar tüneli testi, düzgün hava akışını sağlamak için en az 300mm x 300mm test bölümüne sahip açık devreli veya kapalı devreli bir tünel gerektirir. Isı emicinin 150mm yukarı akışına yerleştirilmiş bir diferansiyel basınç dönüştürücüsüne (±0,5 Pa doğruluk) ve bir anemometreye (sıcak tel tipi, ±%2 okuma) ihtiyacınız vardır. Isı emici, ısı kaybını en aza indirmek için yalıtımlı bir taban plakasına (10mm kalınlığında PTFE) monte edilir ve CPU ayak izine uygun bir bakır bloğa gömülü bir rezistif ısıtıcı kartuş (maks. 500W, 230V) kullanılır. Her adımda kararlı durum için 15 dakika bekleyerek 25W'tan 200W'a 25W artışlarla güç uygulayın. Sıcaklığı 5 noktada kaydedin: ısı emici taban merkezi, iki kanat ucu ve iki hava akışı giriş/çıkış konumu. Test hava hızı aralığı, doğal taşınımdan yüksek zorlanmış hava akışı senaryolarına kadar kapsayan 0,5 m/s ile 5 m/s arasında olmalıdır.

Hangi Termal Test Ekipmanı En Güvenilir Verileri Sağlar?

Güvenilir veriler için en az üç kalibre edilmiş cihaza ihtiyacınız vardır: tip-T termokupllara (30 AWG, ±0,5°C) sahip bir veri toplama sistemi (örn. Keysight DAQ970A, 40 kanallı, 0,004°C çözünürlük), bir DC güç kaynağı (örn. Keysight N5772A, 20V/50A, %0,1 doğruluk) ve yüzey sıcaklığı haritalaması için bir termal kamera (FLIR A400, ±2°C doğruluk). Üretim testi için, yaylı bir termokupl probu (temas kuvveti 500g) içeren özel bir termal test fikstürü, tekrarlanabilir bağlantı teması sağlar. En kritik ekipman, kalibre edilmiş ısı kaynağıdır: bilinen bir güç yoğunluğu sağlayan bir termal test kalıbı (örn. 4 telli Kelvin algılamalı 10mm x 10mm silikon direnç). Dongguan fabrikamızda, gerçek şasi koşullarını simüle etmek için 200mm x 200mm alüminyum test plakası, 12 gömülü termokupl ve değişken hızlı eksenel fan (0 ila 3000 RPM, 0 ila 3 m/s) içeren özel yapım bir test tezgahı kullanıyoruz.

Fiziksel Testten Önce CFD Simülasyonu Neden Gereklidir?

CFD simülasyonu (Ansys Icepak veya FloTHERM kullanarak) gereklidir çünkü prototip maliyetlerini %60'a kadar azaltır ve geliştirme süresini 4 haftadan 5 güne kısaltır. Doğrulanmış bir CFD modeli, ısı emici üzerindeki basınç düşüşünü (2 m/s'de tipik olarak 50 Pa ila 200 Pa) tahmin edebilir ve herhangi bir alüminyum işlenmeden önce sıcak noktaları belirleyebilir. 120mm x 120mm x 25mm bir ısı emici için, k-ε türbülans modeliyle 2 milyon hücrelik bir CFD ağı, rüzgar tüneli sonuçlarının ±%10'u içinde hava akışı tahminleri sağlar. Ancak simülasyon, ideal termal teması (termal arayüz malzemesi iletkenliği 3 W/m²K) varsaydığı ve yüzey düzlüğü (tipik 0,05mm ila 0,1mm) veya çapak oluşumu gibi üretim toleranslarını hesaba katmadığı için fiziksel testin yerini alamaz. Tasarımları elemek için CFD kullanın, ardından ilk 2 adayı fiziksel testlerle doğrulayın.

Kızılötesi Termografi Termokupl Ölçümlerinin Yerini Alabilir mi?

Kızılötesi termografi, mutlak sıcaklık ölçümü için termokuplların yerini alamaz ancak tamamlayıcı olabilir. Bir IR kamera (örn. 15mm lensli FLIR A400), 0,1°C termal hassasiyetle tam alan sıcaklık haritası sağlar, ancak mutlak doğruluğu ±2°C'dir ve emisivite kalibrasyonu gerektirir (anodize siyah alüminyum için tipik olarak 0,95, çıplak alüminyum için 0,10). Buna karşılık, tip-T termokupl ölçüm noktasında ±0,5°C doğruluk verir. Pratik ısı emici testi için, hava akışı ölü bölgelerini (örn. köşe baypas akışı) tespit etmek için IR kullanın ve son θsa hesaplaması için termokupllar kullanın. Deneyimlerimize göre, IR görüntüleme, kötü performans gösteren ısı emicilerin %70'inin kanat tabanı ile kanat ucu arasında tek bir termokupl tarafından yakalanmayan 10-15°C sıcaklık gradyanına sahip olduğunu tespit eder. Termal haritaya güvenmeden önce IR okumalarını her zaman en az 3 termokupl noktasına karşı doğrulayın.

Doğal Taşınım Altında Isı Emici Performansı Nasıl Test Edilir?

Doğal taşınım testi, zorlanmış hava akışı olmayan sızdırmaz bir muhafaza (minimum 1m³) gerektirir ve test, kararlı duruma ulaşmak için 2 ila 4 saat sürmelidir. Isı emici, JESD51-2'ye göre yatay olarak (kanatlar dikey) yönlendirilir ve 10W, 20W ve 30W'ta güç uygulanır. Temel ölçüm, 100mm x 100mm x 30mm bir ısı emici için 20W'ta 40°C'den az olması gereken ortam sıcaklığının üzerindeki sıcaklık artışıdır. 100W kartuş ısıtıcılı ısıtılmış bir bakır blok (50mm x 50mm) kullanın ve ısı kaybını önlemek için düzeneği bir köpük yalıtım tabanına (termal iletkenlik 0,03 W/mK) yerleştirin. Ortam sıcaklığı 25°C ±1°C'de kontrol edilmeli ve testi harici radyasyondan korumak için yansıtıcı paneller kullanmalısınız. Doğal taşınım sonuçları tipik olarak zorlanmış taşınımdan 3 ila 5 kat daha yüksek θsa değerleri gösterir, bu nedenle tasarım marjları bunu hesaba katmalıdır.

Üretim Isı Emici Testi İçin Kabul Kriterleri Nelerdir?

Üretim partileri için BQUQ, kritik boyutlar için %100 muayene protokolü ve 1000 parçalık lot başına 5 birim üzerinde numune bazlı (AQL 1.0) termal test kullanır. Kabul kriterleri şunlardır: termal direnç θsa, kalifiye numune değerinin ±%5'i içinde olmalıdır (örn. 0,80°C/W ±0,04°C/W) ve taban plakası genelindeki sıcaklık farkı 3°C'yi aşmamalıdır. Fonksiyonel test, 25°C ortam sıcaklığında maksimum kasa sıcaklığı 85°C olan geçme eşiğiyle 10 dakika boyunca 100W yük kullanır. Üretim testi, tam bir rüzgar tüneli yerine bir basınçlı hava nozulu (0,5 m/s ila 3 m/s) kullanır ve bu da test süresini birim başına 3 dakikaya düşürür. Termal testte başarısız olan herhangi bir ısı emici, yeniden işleme (örn. yeniden anodizasyon veya kanat düzeltme) için gönderilir veya taban düzlüğü 0,1mm'yi aşarsa hurdaya ayrılır.

Termal Arayüz Malzemeleri Test Sonuçlarını Nasıl Etkiler?

Termal arayüz malzemesi (TIM), genellikle ısı emici testinde en büyük hata kaynağıdır ve toplam termal direncin %10 ila %30'una katkıda bulunur. Tipik bir 0,1mm kalınlığında silikon ped (termal iletkenlik 5 W/mK) 0,2°C/W eklerken, faz değiştiren bir malzeme (iletkenlik 8 W/mK) yalnızca 0,125°C/W ekler. Doğru ısı emici karakterizasyonu için, kontrollü bir bağ hattı kalınlığına (BLT) sahip tutarlı bir TIM kullanmalısınız. Laboratuvar testleri için, TIM katkısını θsa'nın %5'inin altına indiren 0,05mm indiyum folyo (iletkenlik 82 W/mK) kullanmanızı öneririz. Üretimde, tekrarlanabilirlik için 0,2mm grafit ped (iletkenlik 15 W/mK) kullanın, ancak tork kontrollü bir tornavida kullanarak her zaman sabit bir montaj basıncı olan 50 psi ±5 psi uygulayın. TIM tipini ve sıkma kuvvetini belgelemeden asla bir ısı emiciyi test etmeyin, çünkü bu sonuçları %40'a kadar değiştirebilir.

SSS

Bir CPU Isı Emici İçin İyi Bir Termal Direnç Değeri Nedir?

Tipik bir CPU ısı emici (120mm x 120mm x 25mm) için iyi bir termal direnç (θsa), yüksek performanslı modeller için 2 m/s hava akışında 0,2°C/W ila 0,4°C/W ve standart alüminyum ekstrüzyonlar için 0,8°C/W ila 1,2°C/W'dir. Referans olarak, 0,3°C/W ısı emicili 65W'lık bir CPU, ortam sıcaklığının yaklaşık 45°C üzerinde çalışır ve bu kabul edilebilir. Daha düşük değerler daha iyi ısı dağılımını gösterir, ancak maliyet ve boyut 0,2°C/W altında katlanarak artar.

Isı Emici Başına Termal Test Ne Kadar Sürer?

JEDEC standartlarına göre tam bir kalifikasyon testi, kurulum, stabilizasyon ve veri kaydı dahil 2 ila 4 saat sürer. Basınçlı hava nozullu bir üretim numune testi, birim başına yalnızca 3 dakika sürer. Tasarım iterasyonu için, IR kamera ve ısıtıcı blokla 30 dakikalık hızlı bir test, tasarım varyantlarını karşılaştırmak için yeterlidir.

Rüzgar Tüneli Olmadan Isı Emici Performansı Test Edilebilir mi?

Evet, termokupllu basit bir ısıtıcı blok ve masa fanı kullanabilirsiniz, ancak doğruluk, rüzgar tüneli için ±%3'e kıyasla ±%10'a düşer. Doğal taşınım için, hava akışı olmayan sızdırmaz bir kutu kurmak kolaydır. Ancak, sertifika gerektiren havacılık veya otomotiv uygulamaları için, MIL-STD-810 veya IEC 60194 standartlarına göre kalibre edilmiş bir rüzgar tüneli zorunludur.

Test İçin Hangisi Daha İyidir: Bakır mı Alüminyum mu Isı Emiciler?

Bakır ısı emiciler (termal iletkenlik 385 W/mK), alüminyumdan (205 W/mK) yaklaşık %40 daha düşük termal direnç gösterir, ancak 3 kat daha ağırdır ve 5 kat daha pahalıdır. Test için malzeme yöntemi değiştirmez; yalnızca beklenen θsa değerleri farklıdır. Her iki malzeme için de aynı test düzeneğini kullanın, ancak galvanik korozyonu önlemek için ısıtıcı blok yüzeyinin taban malzemesiyle eşleştiğinden emin olun.

CFD Ne Zaman Fiziksel Test Yerine Kullanılmalıdır?

Tasarım aşamasında (ilk 2 hafta) 10-20 kanat geometrisini karşılaştırmak, kanat aralığını optimize etmek (tipik olarak 1,5mm ila 3mm) ve basınç düşüşünü tahmin etmek için CFD kullanın. Mutlak performansı doğrulamak ve üretim kalite kontrolü için son 2 tasarım için fiziksel test kullanın. CFD, mutlak sıcaklık değerleri için güvenilir değildir, ancak göreceli karşılaştırmalar ve hava akışı görselleştirme için mükemmeldir.

Kanat Kalınlığı Termal Test Sonuçlarını Nasıl Etkiler?

Kanat kalınlığı (alüminyum için tipik olarak 1,0mm ila 2,5mm) termal verimliliği doğrudan etkiler; daha ince kanatlar daha fazla yüzey alanına sahiptir ancak kanat boyunca daha düşük ısı iletimine sahiptir. Testler, 2mm aralıklı 1,5mm kanadın zorlanmış taşınım için optimal performans sağladığını, 2,0mm kanatların ise doğal taşınım için daha iyi olduğunu gösterir. Termal testlerde, kanat kalınlığındaki 0,5mm'lik bir azalma θsa'yı %8'e kadar azaltabilir, ancak 1,0mm'nin altında kanatlar çok kırılgan hale gelir ve zayıf döküm veya ekstrüzyon kalitesinden muzdarip olur.

##

İlgili Makaleler

• Pil Paketleri için Isı Emiciler: Termal Kaçakları Önleyin
• Yeni enerji aracı IGBT ısı dağılımı, ısı emici güvenilirlik mühendisliği, ısı borusu ve sıcaklık plakası entegre ısı emici, yüzey işleme ve ısı radyasyonu geliştirme: anodik oksidasyon, siyah kaplama ve mikro-nano yapı, grafen / 3D baskı / akıllı termal yönetim: 2030 ısı emici teknolojisi yol haritası
• AI sunucusunun sıvı soğutmalı penetrasyonu altında donanım ısı emici rekonstrüksiyonu: soğuk levha, mikrokanal ve iki fazlı akış