การทดสอบ Thermal Shock สำหรับอิเล็กทรอนิกส์การบินและยานยนต์

ชุดประกอบอิเล็กทรอนิกส์แทบไม่เคยเสียหายเพราะอุณหภูมิคงที่เพียงค่าเดียว แต่เสียหายเพราะอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว และเพราะวัสดุสองชนิดที่ยึดติดกันขยายตัวในอัตราที่ต่างกัน การทดสอบ Thermal Shock มีขึ้นเพื่อเปิดเผยจุดอ่อนนั้นในห้องปฏิบัติการแทนที่จะเกิดในภาคสนาม

บทความนี้อธิบายฟิสิกส์เบื้องหลัง Thermal Shock มาตรฐานที่กำกับดูแล และประเด็นปฏิบัติที่วิศวกรควรชั่งน้ำหนักเมื่อกำหนดสเปกห้องทดสอบ

Thermal Shock ทดสอบอะไรจริง ๆ

การทดสอบ Thermal Shock ย้ายอุปกรณ์ที่ทดสอบ (DUT) ระหว่างอุณหภูมิสุดขั้วสองค่าในเวลาสั้น ๆ โดยปกติเป็นการถ่ายโอน DUT ระหว่างโซนร้อนและโซนเย็น แทนที่จะเพิ่มอุณหภูมิแบบ ramp ในห้องเดียว จุดประสงค์คือสร้างความชันอุณหภูมิ (thermal gradient) ที่สูงชันทั่วทั้งชุดประกอบ

เนื่องจากวัสดุต่างชนิดมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ต่างกัน การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วจึงทำให้เกิดความเครียดเชิงอนุพันธ์ที่ทุกส่วนต่อประสาน: จุดบัดกรี, สายเชื่อม, การยึดติด die, สาร potting, ขา connector และซีลตัวเรือน การวนซ้ำซ้ำ ๆ สะสมความเสียหายจากความล้า (fatigue) จนกระทั่งรอยแตกเริ่มก่อตัว

กลไกสองอย่างที่สำคัญที่สุด:

• ความล้าจาก CTE ไม่เข้าคู่กัน — โหมดความเสียหายหลักของจุดบัดกรีและสายเชื่อม
• ความเครียดจากความชันอุณหภูมิ — ความชันจากผิวสู่แกนอย่างรวดเร็วสามารถทำให้ substrate, ซีลแก้ว และแพ็กเกจเซรามิกบิดเบี้ยวหรือแตกร้าว

นี่คือเหตุผลที่ Thermal Shock แตกต่างจากการทดสอบ Temperature Cycling แบบช้า ทั้งสองแบบมีประโยชน์ แต่เน้นความเครียดต่างกัน การทดสอบ ramp ช้าเหมาะกว่าสำหรับเปิดเผย creep และการสึกหรอจาก diffusion ส่วนการทดสอบ shock เหมาะกว่าสำหรับเปิดเผยการแตกเปราะและการหลุดลอกที่ส่วนต่อประสาน

มาตรฐานที่กำหนดการทดสอบ

โปรแกรมส่วนใหญ่อ้างอิงหนึ่งในมาตรฐานต่อไปนี้หรือมากกว่า โปรไฟล์ที่แน่นอน — เวลา soak, เวลา transfer, เวลา dwell, จำนวนรอบ — ควรมาจากข้อกำหนดที่กำกับดูแลเสมอ ไม่ใช่จากผู้ขายห้องทดสอบ

• IEC 60068-2-14 — มาตรฐานสากลพื้นฐานสำหรับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ รวมทั้งวิธี gradual และ shock (Na, Nb, Nc)
• MIL-STD-810 — การพิจารณาด้านวิศวกรรมสิ่งแวดล้อมและการทดสอบในห้องปฏิบัติการ ใช้กันอย่างแพร่หลายในโปรแกรมด้านกลาโหมและการบิน
• GJB 150A — ชุดการทดสอบสิ่งแวดล้อมทางทหารของจีน มักอ้างอิงสำหรับงานด้านการบินและกลาโหมในประเทศ
• JEDEC JESD22-A104 — การทดสอบ Temperature Cycling สำหรับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ พร้อมโปรไฟล์ที่กำหนดสำหรับการรับรองระดับชิ้นส่วน
• IEC 60068-2-1 / -2-2 — ความเย็นและความร้อนแห้ง มักรันควบคู่กับ shock เป็นส่วนหนึ่งของแผนการรับรองที่กว้างขึ้น
• ASTM และ UL — มาตรฐานระดับวัสดุและผลิตภัณฑ์ที่อาจระบุ Thermal Shock เป็นหนึ่งในเงื่อนไขหลายอย่าง

จุดที่มักสับสน: shock แบบ air-to-air, shock แบบ liquid-to-liquid และการออกแบบสองห้องเทียบกับสามห้อง ล้วนให้ลักษณะการถ่ายโอนที่แตกต่างกัน ระบบสองห้องย้ายตะกร้าระหว่างห้องร้อนและห้องเย็น ส่วนระบบสามห้องมีตำแหน่ง dwell ที่อุณหภูมิแวดล้อมแยกต่างหาก การเลือกส่งผลต่อเวลา recovery และความแม่นยำในการรักษาโปรไฟล์ที่กำหนด

การบินและยานยนต์: แรงขับต่างกัน ฟิสิกส์เดียวกัน

อิเล็กทรอนิกส์การบิน เผชิญการแกว่งของอุณหภูมิแวดล้อมสุดขั้ว — การ soak บนพื้นในอุณหภูมิสูง, การขึ้นสู่ที่สูงอย่างรวดเร็วสู่ cold soak, และการแผ่รังสีความร้อนระหว่างการลดระดับ Avionics line-replaceable units, ชิ้นส่วนดาวเทียม และอิเล็กทรอนิกส์ payload มักได้รับการรับรองตาม MIL-STD-810 หรือเทียบเท่า โดยใช้การทดสอบ shock เพื่อคัดกรองข้อบกพร่องจากงานฝีมือก่อนการบิน สภาวะความดันต่ำและ thermal vacuum มักมาพร้อมกับโปรไฟล์อุณหภูมิ ซึ่งเป็นเหตุผลที่ห้องทดสอบ altitude และ thermal vacuum มักเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการรับรองเดียวกัน

อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ เผชิญโปรไฟล์ที่แตกต่างแต่โหดร้ายพอ ๆ กัน โมดูลใต้ฝากระโปรงวนซ้ำระหว่าง cold soak และความร้อนในห้องเครื่องทุกวงจรการขับขี่ อิเล็กทรอนิกส์ในห้องโดยสารเผชิญการรับแสงแดด อิเล็กทรอนิกส์กำลังสำหรับระบบขับเคลื่อนและการจัดการแบตเตอรี่เผชิญความชันจากการให้ความร้อนเองที่สูงชันซ้อนทับกับการแกว่งของอุณหภูมิแวดล้อม กรอบการรับรองยานยนต์มักรวม temperature shock กับความชื้น การสั่นสะเทือน และแรงดันไฟฟ้าสุดขั้ว

ในทั้งสองอุตสาหกรรม เป้าหมายเดียวกัน: ค้นหาส่วนต่อประสานที่อ่อนแอก่อนที่ลูกค้าจะเจอ การคัดกรองในระดับชิ้นส่วนและโมดูลถูกกว่าการคืนสินค้าจากภาคสนามมาก

ประเด็นการเลือกในทางปฏิบัติ

เมื่อกำหนดสเปกห้องทดสอบ Thermal Shock คำถามเหล่านี้มักเป็นตัวตัดสินว่าอุปกรณ์เหมาะกับโปรแกรมจริงหรือไม่

ช่วงอุณหภูมิและ recovery ช่วงกว้างเช่น -75 °C ถึง +200 °C ครอบคลุมข้อกำหนดด้านการบินและยานยนต์ส่วนใหญ่ สิ่งที่สำคัญกว่าค่า setpoint คือเวลา recovery — DUT กลับสู่อุณหภูมิที่กำหนดหลังการถ่ายโอนเร็วแค่ไหน recovery ที่ช้าทำให้ทุกรอบยาวขึ้นและอาจทำให้โปรไฟล์ไม่ถูกต้อง

กลไกการถ่ายโอนและ dwell เวลา transfer ของตะกร้า ระยะเวลา dwell และว่า DUT จ่ายไฟและตรวจวัดระหว่างการทดสอบหรือไม่ ล้วนส่งผลต่อผลลัพธ์ หลายโปรแกรมต้องการการตรวจวัดทางไฟฟ้าแบบ in-situ เพื่อจับการเปิดวงจรเป็นระยะขณะเกิดขึ้น

มวลโหลดและการยึดจับ ห้องที่ระบุเวลา recovery ที่โหลดศูนย์จะทำงานต่างออกไปเมื่อมี fixture หนักและ DUT ที่มีชิ้นส่วนเต็ม ควรระบุ recovery ที่โหลดจริงเสมอ

อากาศเทียบกับของเหลว Air-to-air เป็นตัวเลือกทั่วไปสำหรับบอร์ดและโมดูล Liquid-to-liquid ใช้เมื่อต้องการความชันที่เร็วขึ้น โดยทั่วไปในระดับชิ้นส่วน

การรวมกับความเครียดอื่น ๆ หากแผนการรับรองรวมการสั่นสะเทือนหรือความชื้น ห้องทดสอบแบบ combined temperature-humidity-vibration หรือ temperature-humidity-altitude อาจลดการจัดการและเพิ่มความสามารถในการทำซ้ำได้ เมื่อเทียบกับการรันการทดสอบแยกกัน

การปฏิบัติตามมาตรฐานและความสามารถสอบกลับได้ ยืนยันว่าระบบควบคุมและตรวจวัดของห้องสามารถสร้างบันทึกที่ระบบคุณภาพของคุณต้องการ และการสอบเทียบสามารถสอบกลับได้ กระบวนการ ISO 9001 ในระดับซัพพลายเออร์เป็นตัวบ่งชี้พื้นฐานที่สมเหตุสมผลของความสม่ำเสมอ

สำหรับทีมที่วางแผนกระบวนการรับรองทั้งหมด การมองลำดับการทดสอบเป็นระบบมากกว่ารายการทดสอบแต่ละรายการจะช่วยได้ ส่วน applications ของเราอธิบายว่าความเครียดด้านอุณหภูมิ ความชื้น ความสูง การสั่นสะเทือน และการกัดกร่อนมักถูกรวมเข้าด้วยกันอย่างไรในโปรแกรมด้านการบิน ยานยนต์ เซมิคอนดักเตอร์ และแบตเตอรี่ และส่วน projects แสดงหมวดหมู่อุปกรณ์ที่รองรับแต่ละขั้นตอน หากคุณยังอยู่ในขั้นตอนกำหนดโปรไฟล์เอง บันทึก tech ครอบคลุมหลักการวัดและควบคุมพื้นฐาน และหน้า solutions จัดกลุ่มอุปกรณ์ตามวัตถุประสงค์การทดสอบแทนที่จะตามชื่อผลิตภัณฑ์

สรุป

การทดสอบ Thermal Shock คือการทดสอบความล้าที่ปลอมตัวเป็นการทดสอบอุณหภูมิ อุณหภูมิสุดขั้วมีความสำคัญ แต่ความเร็วในการถ่ายโอน เวลา recovery, dwell และสภาวะโหลดเป็นตัวกำหนดว่าการทดสอบจะจำลองโหมดความเสียหายที่คุณสนใจได้จริงหรือไม่ เริ่มจากมาตรฐานที่กำกับดูแล กำหนดโปรไฟล์ที่โหลดจริง และเลือกอุปกรณ์จากประสิทธิภาพ recovery ไม่ใช่แค่ช่วงอุณหภูมิที่โฆษณา สำหรับโปรแกรมด้านการบินและยานยนต์ การมอง Thermal Shock เป็นหนึ่งโหนดในกระบวนการรับรองที่เชื่อมโยงกัน — ควบคู่กับความชื้น ความสูง การสั่นสะเทือน และการกัดกร่อน — ให้ข้อมูลที่มีประโยชน์มากกว่าการรันความเครียดแต่ละอย่างแยกกัน

มีคำถามเกี่ยวกับการจับคู่ห้องทดสอบกับมาตรฐานหรือโปรไฟล์เฉพาะ? ติดต่อผ่านหน้า contact ของเรา และวิศวกรของเราสามารถเดินผ่านข้อกำหนดไปพร้อมกับคุณได้