航空宇宙および車載エレクトロニクス向け熱衝撃試験
電子アセンブリが故障する原因は、単一の安定した温度であることはほとんどありません。故障するのは、温度が急速に変化するからであり、また、接合された2つの材料が異なる速度で膨張するからです。熱衝撃試験は、その弱点を現場ではなく実験室で露呈させるために存在します。
本記事では、熱衝撃の背後にある物理現象、それを規定する規格、およびエンジニアが試験槽を指定する際に検討すべき実務的なポイントについて説明します。
熱衝撃試験が実際に試験するもの
熱衝撃試験は、被試験デバイス（DUT）を短時間で2つの温度極値間で移動させます。通常は、単一の試験槽でランピングするのではなく、DUTを高温ゾーンと低温ゾーン間で移動させることによって行います。その目的は、アセンブリ全体に急峻な温度勾配を課すことです。
異なる材料は異なる熱膨張係数（CTE）を持つため、急激な温度変化はすべての界面、すなわちはんだ接合部、ワイヤボンド、ダイアタッチ、ポッティングコンパウンド、コネクタピン、およびハウジングシールにおいて差動ひずみを引き起こします。繰り返しのサイクルは疲労を通じて損傷を蓄積し、最終的に亀裂が発生します。
最も重要な2つのメカニズムがあります：
- CTEミスマッチ疲労 — はんだ接合部およびボンドワイヤの主要な故障モード。
- 温度勾配応力 — 表面から中心部への急速な勾配は、基板、ガラスシール、およびセラミックパッケージを反らせたり割ったりする可能性があります。
これが、熱衝撃試験が緩やかな温度サイクル試験と異なる理由です。両方とも有用ですが、異なるものをストレスとして与えます。緩やかなランプ試験はクリープおよび拡散駆動型の摩耗の露呈に優れており、衝撃試験は脆性破壊および界面剥離の露呈に優れています。
試験を定義する規格
ほとんどのプログラムは以下の1つ以上を参照します。正確なプロファイル — ソーク時間、移動時間、ドウェル、サイクル数 — は、常に試験槽ベンダーからではなく、支配的な仕様から取得すべきです。
- IEC 60068-2-14 — 温度変化に関する基本国際規格であり、漸進法と衝撃法の両方（Na、Nb、Nc）を含みます。
- MIL-STD-810 — 環境工学の考慮事項と実験室試験であり、防衛および航空宇宙プログラムで広く使用されています。
- GJB 150A — 中国の軍用環境試験シリーズであり、国内の航空宇宙および防衛業務で頻繁に参照されます。
- JEDEC JESD22-A104 — 半導体デバイスの温度サイクル試験であり、コンポーネントレベルの認定用に定義されたプロファイルを持ちます。
- IEC 60068-2-1 / -2-2 — 低温および乾熱であり、より広範な認定計画の一部として衝撃試験と並行して実施されることが多いです。
- ASTMおよびUL — 材料および製品レベルの規格であり、多くの条件の1つとして熱衝撃を指定する場合があります。
よくある混乱のポイント：空気-空気衝撃、液体-液体衝撃、および2槽式対3槽式設計はすべて異なる移動特性を生み出します。2槽式システムはバスケットを高温槽と低温槽の間で移動させ、3槽式システムは別個の常温ドウェル位置を維持します。この選択は回復時間と、指定されたプロファイルをどの程度厳密に維持できるかに影響します。
航空宇宙と車載：異なる駆動要因、同じ物理
航空宇宙エレクトロニクスは極端な周囲変動にさらされます — 高温での地上ソーク、高度での低温ソークへの急速な上昇、および降下中の輻射加熱。アビオニクスのライン交換可能ユニット、衛星コンポーネント、およびペイロードエレクトロニクスは通常、MIL-STD-810または同等の規格で認定され、飛行前の製造欠陥のスクリーニングに衝撃試験が使用されます。低圧および熱真空条件は温度プロファイルに伴うことが多く、そのため高度試験槽および熱真空試験槽が同じ認定フローの一部となることが頻繁にあります。
車載エレクトロニクスは異なるが同様に過酷なプロファイルに直面します。ボンネット下のモジュールは、各走行サイクルで低温ソークとエンジンルームの熱の間をサイクルします。キャビンエレクトロニクスは太陽負荷を受けます。トラクションおよびバッテリ管理用のパワーエレクトロニクスは、周囲変動に加えて急峻な自己発熱勾配を受けます。車載認定フレームワークは通常、温度衝撃を湿度、振動、および電圧極値と組み合わせます。
両業界において、目標は同じです：顧客が発見する前に弱い界面を見つけること。コンポーネントおよびモジュールレベルでのスクリーニングは、フィールド返品よりもはるかに安価です。
実務的な選定ポイント
熱衝撃試験槽を指定する際、装置が実際にプログラムに適合するかどうかを最も頻繁に決定する質問は以下の通りです。
温度範囲と回復。 -75 °C～+200 °Cのような広い範囲は、ほとんどの航空宇宙および車載要件をカバーします。設定値よりも重要なのは回復時間です — 移動後にDUTが指定温度にどれだけ速く戻るか。遅い回復はすべてのサイクルを引き延ばし、プロファイルを無効にする可能性があります。
移動メカニズムとドウェル。 バスケット移動時間、ドウェル持続時間、および試験中にDUTに通電し監視するかどうかはすべて結果に影響します。多くのプログラムでは、断続的なオープンが発生した時点で捕捉するために、インサイチュ電気監視が必要です。
負荷質量と治具。 無負荷で特定の回復時間定格の試験槽は、重い治具と実装済みDUTでは異なる挙動を示します。常に実際の負荷での回復を指定してください。
空気対液体。 空気-空気はボードおよびモジュールの一般的な選択です。液体-液体は、より速い勾配が必要な場合に使用され、通常はコンポーネントレベルです。
他のストレスとの統合。 認定計画に振動または湿度が含まれる場合、温度-湿度-振動複合試験槽または温度-湿度-高度試験槽は、個別の試験を実施するよりもハンドリングを減らし、再現性を向上させる可能性があります。
規格準拠とトレーサビリティ。 試験槽の制御および監視システムが品質システムで要求される記録を生成できること、および校正がトレーサブルであることを確認してください。サプライヤーレベルでのISO 9001プロセスは、一貫性の合理的なベースライン指標です。
完全な認定フローを計画しているチームにとって、試験シーケンスを個別の試験のリストではなくシステムとして見ることが役立ちます。当社のアプリケーション セクションでは、温度、湿度、高度、振動、および腐食ストレスが航空宇宙、車載、半導体、およびバッテリプログラム全体でどのように組み合わされるかの概要を説明し、プロジェクト セクションでは各段階をサポートする装置カテゴリを示しています。プロファイル自体をまだ定義中の場合は、技術 ノートが基礎となる測定および制御の原理をカバーし、ソリューション ページは製品名ではなく試験目的別に装置をグループ化しています。
まとめ
熱衝撃試験は、温度試験を装った疲労試験です。温度極値は重要ですが、移動速度、回復時間、ドウェル、および負荷条件が、試験が実際に重要な故障モードを再現するかどうかを決定します。支配的な規格から始め、実際の負荷でプロファイルを定義し、見出しの範囲だけでなく回復性能に基づいて装置を選択してください。航空宇宙および車載プログラムでは、熱衝撃を湿度、高度、振動、および腐食と並ぶ接続された認定フローの1つのノードとして扱うことで、各ストレスを個別に実施するよりも有用なデータが得られます。
特定の規格またはプロファイルに試験槽を適合させることについてご質問がありますか？当社のお問い合わせ ページからご連絡いただければ、当社のエンジニアが要件を一緒に確認いたします。