溫度應力試驗，快速溫變試驗箱

快速溫變試驗箱 技術規格：

根據經驗影響產品可靠性各種環境應力中，溫度應力所占的比重如圖1所示。

其中各種溫度應力對產品可靠性的影響比重如圖2所示。

一、低溫試驗概述
低溫試驗是用來確定元器件、設備或其他產品在低溫環境條件下的使用、運輸或存儲能力。隨著科學技術不斷發展，對產品的要求不斷提高，電子產品低溫工作的質量與可靠性指標備受關注。
低溫試驗用于考核或確定產品在低溫環境條件下存儲和（或）使用的適應性，不用于評價產品在溫度變化期間的耐抗性和工作能力。在產品開發階段、元器件的篩選階段可通過低溫試驗來考核產品。
低溫對產品的影響主要表現在以下幾個方面：
（1）橡膠等柔韌性材料的彈性降低，并產生破裂，如熱縮管的低溫試驗；
（2）金屬和塑料脆性增大，導致破裂或產生裂紋，如金屬封裝外殼的低溫試驗；
（3）由于材料的收縮系數不同，在溫變率較大時，會引起活動部位卡死或轉動不靈，如電連接器的低溫試驗；
（4）潤滑劑黏性增大或凝固，活動部件之間摩擦力增大、引起動作滯緩，甚至停止工作；
（5）電子元器件電參數漂移，影響產品的電性能，如集成電路三溫測試中的低溫測試；
（6）結冰或結霜引起產品結構破壞或受潮等。
低溫試驗條件的設定由電子元器件產品設計和使用的環境條件決定，產品要求在怎么樣的環境溫度下使用，試驗室就應該采用相應的溫度條件來對其進行適應性試驗考核，因此，試驗條件與環境條件相一致而不矛盾。根據標準規定，電子元器件、儀器、儀表基本環境試驗標準，溫度下限為 0℃、-10℃、-25℃、-40℃等幾檔，根據調查和收集到的資料，我國境內氣象站測得的低溫度為-51℃，大興安嶺地區曾經測得低溫度為-62℃，因此，增加了-55℃、-65℃等幾檔。
隨著電子元器件的進一步發展，一些連接器、線纜組件需要承受-100℃的超低溫沖擊情況，在特定條件下，需要增加-100℃或-110℃的超低溫試驗條件。在此嚴酷條件下，對電子元器件的考核是嚴酷的。
對于試驗保持時間，標準將低溫試驗的持續時間定為 2h、16h、72h、96h 四種，這主要是從電子元器件產品使用環境出發考慮的，為西歐、日本等國所采用。但美國Military標準普遍采用保持24h或72h兩種。我國軍用標準提出按產品重量來確定試驗時間。
低溫試驗保持時間的長短，應取決于該產品在某一低溫條件下保證內部凍透，即內部溫度達到與試驗條件相平衡（偏差小于 3℃），而不一定需要延長試驗時間（對延長試驗時間是否有影響也進行過一些試驗驗證），因為低溫下的作用結果不像高溫時的“熱老化”作用有“積累”意義。因此，保持時間只要能使樣品凍透，有足夠時間使材料受溫度影響而產生收縮變形就可以了。
二、低溫試驗技術和方法
1.試驗目的
低溫試驗用于考核產品在低溫環境條件下存儲和使用的適應性，常用于產品在開發階段的型式試驗和元器件的篩選試驗。
2.試驗條件
按照國標GB 2423.1—2008規定如下：
（1）非散熱試驗樣品低溫試驗Ab：溫度漸變。
（2）散熱試驗樣品低溫試驗Ad：溫度漸變。
試驗的嚴酷程度由溫度和持續時間確定。
溫度：-65℃；-55℃；-40℃；-25℃；-10℃；-5℃；+5℃。試驗溫度的允許偏差均為±3℃。
持續時間：2h；16h；72h；96h。
3.試驗程序
試驗Ab：非散熱試驗樣品溫度漸變的低溫試驗，用以確定非散熱的電子電工產品（包括元件、設備或其他產品）低溫下存儲和使用的適應性。
將處于室溫的試驗樣品，按正常位置放入試驗箱內，開動冷源，使試驗箱溫度從室溫降低到規定試驗溫度并使試驗樣品達到溫度穩定。箱內溫度變化速率為不大于 1℃/min（不超過5min時間的平均值）。
試驗Ad：散熱試驗樣品溫度漸變的低溫試驗，確定散熱電子電工產品（包括元器件、設備或其他產品）低溫條件下使用的適應性。
4.有關技術和設備要求
（1）有關技術。若試驗的目的僅僅是檢查試驗樣品在低溫時能否正常工作，則試驗的時間只限于使試驗樣品溫度達到穩定即可；若作為與低溫耐久性或可靠性相聯系的有關試驗時，則其試驗所需的持續時間按有關標準規定。
試驗時要注意區分兩類試驗樣品：無人工冷卻的試驗樣品和有人工冷卻的試驗樣品。無人工冷卻的試驗樣品分為無強迫空氣循環的試驗和有強迫空氣循環的試驗，無強迫空氣循環的試驗，是模擬自由空氣條件影響的一種試驗方法。有強迫空氣循環的試驗，有兩種方法。方法 A 適用于試驗箱足夠大，不用強迫空氣循環也可滿足試驗要求，但僅能借助空氣循環才能保持箱內的環境溫度。方法B用于方法A不能應用的場合，例如，用作試驗的試驗箱體積太小，當無強迫空氣循環就不能符合試驗要求的場合。
有人工冷卻的試驗樣品，一般可按無強迫空氣循環方法進行試驗。
這三項低溫試驗對于試驗樣品的工作性能試驗，必須按有關標準規定對試驗樣品給予通電或電氣負載，并檢查確定能否達到規定的功能。
按要求施加規定的試驗條件前，應對樣品進行外觀及電氣和機械性能的初始檢測，然后按有關標準的規定在試驗期間或結束時加負載和進行中間檢測，檢測時試驗樣品不應從試驗箱中取出。按照規定要求進行恢復，后對樣品進行外觀及電氣和機械性能的檢測。
（2）試驗設備要求。試驗箱應能夠在試驗工作空間內保持規定的溫度條件，可以采用強迫空氣循環來保持溫度均勻。為了限制輻射影響，試驗箱內壁各部分溫度與規定試驗溫度之差不應超過 8%（按開爾文溫度計），且試驗樣品不應受到不符合上述要求的任何加熱與冷卻元器件的直接輻射。
三、高溫試驗概述
高溫環境條件可能改變構成設備材料的物理性能和電氣性能，能夠引起設備發生多種故障。例如不同材料膨脹系數不一致使得部件相互咬死、材料尺寸全部或局部改變、有機材料褪色、裂解或龜裂紋等。因此，高溫試驗的目的是評價設備或元器件在高溫工作、運輸或存儲條件下，高溫對樣品外觀、功能及性能等的影響。高溫試驗對元器件及設備可靠性的影響很大。
在進行高溫試驗時，應按照不同試驗目的遵循不同的原則。一是節省壽命原則，目的是施加的環境應力對試件的損傷從小到大，使試件能經歷更多的試驗項目；二是施加的環境應力能zui大限度地顯示疊加效應原則，按照這個原則應在振動和沖擊等力學環境試驗之后進行高溫試驗。在具體操作時，應根據試件的特性、具體工作順序、預期使用場合、現有條件以及各個試驗環境的預期綜合效應等因素確定試驗順序。確定壽命期間環境影響的順序時，需要考慮元器件在使用中重復出現的環境影響。
在 GJB 360B—2009《電子及電氣元件試驗方法》中涉及高溫試驗的有“高溫壽命試驗”，其試驗目的是用于確定試驗樣品在高溫條件下工作一段時間后，高溫對試驗樣品的電氣和機械性能的影響，從而對試驗樣品的質量做出評定。
在 GJB 128A—1997《半導體分立器件試驗方法》中涉及高溫試驗的有“高溫壽命（非工作）”和“高溫壽命（非工作）（抽樣方案）”兩種試驗，前者的試驗的目的是用于確定器件在承受規定的高溫條件下是否符合規定的失效率，后者的試驗目的是用于確定器件在承受規定的條件下是否符合規定的抽樣方案。
電子元器件在高溫環境中，其冷卻條件惡化，散熱困難，將使器件的電參數發生明顯變化或絕緣性能下降。例如，在高溫條件下，存在于半導體器件芯片表面及管殼內的雜質加速反應，促使沾污嚴重的產品加速退化。此外，高溫條件對芯片的體內缺陷、硅氧化層和鋁膜中的缺陷以及不良的裝片、鍵合工藝等也有一定的檢驗效果。
GJB 150《軍用設備環境試驗條件》是設備環境試驗標準，它規定了統一的環境試驗條件或等級，用以評價設備適應自然環境和誘發環境的能力，適用于設備研制、生產和交付各階段，是制定有關設備標準和技術文件的基礎和選用依據。
四、高溫試驗方法與技術
1.試驗條件
對于溫度條件，GJB 360B—2009的“高溫壽命試驗”條件從表1中選取。

表1 高溫壽命試驗溫度條件
GJB 128A—1997的高溫試驗則一般選取規范中規定的Highest溫度。
對于試驗時間，GJB 360B—2009的“高溫壽命試驗”條件從表2中選取。

表2 高溫壽命試驗時間
GJB 128A—1997 的“高溫壽命（非工作）”試驗時間按照有關規范的規定，“高溫壽命（非工作）（抽樣方案）”試驗則一般選取340h。
在試驗期間，GJB 360B—2009的“高溫壽命試驗”規定施加在試驗樣品上的試驗電壓、工作循環、負荷及其他工作條件由有關標準確定。
2.試驗設備
試驗設備主要有髙溫箱（高溫室）和溫度計。高溫箱或高溫室提供一定的高溫場所（環境），溫度計用于測量和監控試驗溫度，還要有測量電性能參數的測量系統。
3.試驗程序
（1）試驗樣品的安裝。試驗樣品應按其正常方式進行安裝。當幾組試驗樣品同時受試時，試驗樣品之間安裝距離應按單組的要求做出規定，當沒有規定距離時，安裝的距離應使試驗樣品彼此之間溫度影響減至小，當不同材料制成的試驗樣品互相之間可能會產生不良影響并會改變試驗結果時，則不能同時進行試驗。
（2）初始檢測。初始檢驗應按有關規范的規定，對試驗樣品進行外觀檢查以及電性能及機械性能檢測。
（3）試驗。確定試驗時間后，將試驗箱（室）溫度升至規定的溫度，如果是工作試驗，還需要在試驗樣品上施加規定的電壓、工作循環、負荷及其他工作條件。
（4）中間檢測。中間檢測是試驗期間應按有關規范的規定，對試驗樣品進行性能檢測。
（5）后檢測。后檢測是試驗結束后，按有關規范的規定，對試驗樣品進行外觀檢查，電性能及機械性能檢測。
4.有關技術與設備要求
（1）有關技術。對于試驗期間溫度的測量，應在距離被試任一樣品或同類樣品組的規定的自由間隔內進行。此外，溫度測量也應在由樣品所產生的熱對溫度記錄影響小的位置上進行。
對于合格判據，應由具體的規范來規定。
有關的具體規范在采用本試驗方法時，在適當的前提下應規定下列細則：
① 距試驗樣品的溫度測量位置（以厘米計算）；
② 如果適用，靜止空氣的要求；
③ 如果需要，安裝方法及試驗樣品間的距離；
④ 試驗溫度及溫度容差；
⑤ 試驗時間；
⑥ 工作條件；
⑦ 檢測項目；
⑧ 失效判據。
（2）試驗設備的要求。進行本試驗的設備應滿足以下要求：
① 試驗箱（室）應在試驗工作空間滿足本試驗規定的試驗條件，可以采用強迫空氣循環來保持試驗條件的均勻性，但不能強制氣流直接沖擊試驗樣品；
② 應減少輻射問題，試驗箱（室）各部分的壁溫與規定的試驗環境溫度之差不應大于3%（按熱力學溫度計），試驗箱（室）的結構應使輻射熱對試驗樣品的影響降至小程度；
③ 對于濕度，每立方米空氣中不應超過 20g 水蒸氣（相當于 35℃時 50%的相對濕度）。
④ 干燥箱不適于做高溫試驗。
不少單位進行例行高溫試驗時使用干燥箱做電子元器件等電子產品的高溫試驗，這是不合適的，試驗后得到的數據不可靠，甚至燒壞樣品，導致錯誤的結論。高溫箱必須提供符合高溫的試驗條件，真實地再現高溫環境，高溫試驗時對設備的溫度偏差一般要求為±2℃，如果試驗尺寸較大，溫度偏差和溫度波動度可以適當放寬。而干燥箱采用的是壁溫加熱的方法，試驗箱的墻壁溫度會大于規定的試驗環境溫度 3%的誤差，且箱內無循環加熱通風，工作空間與箱壁的溫度偏差太大，箱內溫度不均勻。干燥箱與高溫箱有本質區別，不能使用干燥箱進行高溫試驗。
五、溫度變化試驗概述
涉及溫度變化的試驗有GJB 360B—2009 的“溫度沖擊試驗”、GJB 128A—1997 的“熱沖擊（液體-液體）”和“溫度循環（空氣-空氣）”、GJB 548B—2005 的“熱沖擊”和“溫度循環”試驗。
溫度沖擊試驗的目的在于確定試驗樣品耐受高、低溫極值交替沖擊的能力，其中液體介質法用于評價試驗樣品經受溫度變化速度更快的溫度沖擊的能力。
對于空氣介質法，GJB 360B—2009規定的試驗條件如表3所示。

表3 空氣介質法試驗條件
對于液體介質法，GJB 360B—2009規定的試驗條件0~100攝氏度，偏差-5~0攝氏度。
GJB 128A—1997和GJB 548B—2005規定的試驗條件如表4所示。

表4 液體介質法的試驗條件
GJB 128A—1997 和 GJB 548B—2009 規定從熱到冷或從冷到熱的總轉移時間不應超過10s，負載應在5min內達到規定的溫度保持時間不應少于2min。
六、溫度變化試驗方法及技術
1.試驗方法
1）初始檢測
初始檢測應按有關規范的規定，對試驗樣品進行外觀檢查以及電性能和機械性能檢測。
2）試驗樣品的安裝
對于空氣介質法，試驗樣品的安裝按有關規范規定，當裝入試驗箱時，應使氣流暢通無阻地穿過或繞過試驗樣品。
3）試驗
空氣介質法的試驗要求如下：
① 先將試驗樣品置于低溫箱中，此時，低溫箱的溫度已調至規定的極值溫度，并在此溫度下保持規定的時間。
② 保溫時間結束，在 5min 內將試驗樣品從低溫箱移至高溫箱中。此時，高溫箱的溫度已調至規定的極值溫度，并在此溫度下保持規定的時間。
③ 保溫時間結束，在 5min 內將試驗樣品從高溫箱移至低溫箱中。此時，低溫箱的溫度已調至規定的極值溫度，并在此溫度下保持規定的時間。
④ 按規定的循環次數，重復（2）～（3）。當試驗樣品從一個試驗箱轉換到另一個試驗箱時，不應承受強制的循環氣流。
4）中間檢測
中間檢測是試驗期間，按有關規范的規定，對試驗樣品進行性能檢測。
5）恢復
后循環結束，試驗樣品置于試驗的標準大氣條件下達到溫度穩定。
6）后檢測
后檢測是試驗結束后，應按有關規范規定，對試驗樣品進行外觀檢查、電性能及機械性能檢測。
2.有關技術
對于GJB 360B—2009，在采用單箱進行試驗的情況下，第1步和第3步的溫度極值是在沒有移動試驗樣品的情況下獲得的，第 2 步和第 4 步則不適用。但從低溫到高溫（或相反）的轉移時間不應超過5min。
初的 5 次循環應連續地進行。5 次循環后，在任何一次循環完成之后都可以中斷試驗，在恢復試驗之前可允許試驗樣品恢復到試驗的標準大氣條件。
對于GJB 128A—1997和GJB 548B—2005，樣品放在容器中的位置應使得液體*地越過和圍繞樣品流動。當試驗樣品批增加或減少，或在電源和設備故障時，規定完成的總循環次數的試驗可以中斷，但如果中斷次數超過規定的總循環次數的 10%，則試驗必須重新開始。
對于失效判據，由有關規范規定。
有關規范采用本試驗時應規定下列細則：
① 安裝方法；② 試驗條件，如循環次數，在極限溫度下的試驗時間；
③ 初始、中間及后檢測方法。④ 轉移時間；
⑤ 恢復時間；⑥ 失效判據。
3.試驗設備的要求
對于空氣介質法，試驗設備的要求如下：
① 高溫箱、低溫箱應能滿足規定的極限溫度條件；
② 高溫箱、低溫箱應符合本試驗規定的容差；
③ 試驗箱應有足夠的熱容量，以便試驗樣品放入試驗箱后，在 5min 內工作空間就能恢復到規定的溫度值；
④ 試驗樣品的安裝和支撐架的熱導率應低，以保證試驗樣品與安裝和支撐架間處于一種絕熱狀態。
對于液體介質法，GJB 360B—2009對試驗設備的要求如下：
① 應有兩個液槽，一個用于低溫，另一個用于高溫。試驗時，試驗樣品應能方便地浸入，并能迅速從一個槽轉入另一個槽。在上述浸入與轉換時，液體不應被攪動。
② 低溫槽中的液體溫度為0℃

③ 高溫槽中的液體溫度為100℃

④ 試驗用的液體，應與試驗樣品生產使用的材料和保護層相適應，一般用水。
GJB 128A—1997和GJB 548B—2005對試驗設備的要求如下：
① 所用容器在裝有大負載時，應能在工作區提供和控制規定的溫度；
② 熱容量和液體循環必須使工作區和負載滿足規定的條件和時限；
③ 在試驗期間，應采用指示器或記錄器讀出監測敏感器的讀數，應連續地監測壞情況負載溫度；
④ 當需要確認容器性能時，應在大負載和配置條件下證實壞情況負載溫度；