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技术贴|环境温度应力试验详解

作者: 范 陶朱公 编辑: 瑞凯仪器 来源: 可靠性杂坛 发布日期: 2019.11.27

    根据经验影响产品可靠性各种环境应力中,环境温度应力所占的比重如图1所示。

图1 温度应力所占比重图

图1 温度应力所占比重图

    其中各种环境温度应力对产品可靠性的影响比重如图2所示。

图2 各种温度应力所占比重

图2 各种温度应力所占比重

    一、低温试验概述

     低温试验是用来确定元器件、设备或其他产品在低温环境条件下的使用、运输或存储能力。随着科学技术不断发展,对产品的要求不断提高,电子产品低温工作的质量与可靠性指标备受关注。
    低温试验用于考核或确定产品在低温环境条件下存储和(或)使用的适应性,不用于评价产品在温度变化期间的耐抗性和工作能力。在产品开发阶段、元器件的筛选阶段可通过低温试验来考核产品。
    低温对产品的影响主要表现在以下几个方面:
    (1)橡胶等柔韧性材料的弹性降低,并产生破裂,如热缩管的低温试验;
    (2)金属和塑料脆性增大,导致破裂或产生裂纹,如金属封装外壳的低温试验;
    (3)由于材料的收缩系数不同,在温变率较大时,会引起活动部位卡死或转动不灵,如电连接器的低温试验;
    (4)润滑剂黏性增大或凝固,活动部件之间摩擦力增大、引起动作滞缓,甚至停止工作;
    (5)电子元器件电参数漂移,影响产品的电性能,如集成电路三温测试中的低温测试;
    (6)结冰或结霜引起产品结构破坏或受潮等。
    低温试验条件的设定由电子元器件产品设计和使用的环境条件决定,产品要求在怎么样的环境温度下使用,试验室就应该采用相应的温度条件来对其进行适应性试验考核,因此,试验条件与环境条件相一致而不矛盾。根据标准规定,电子元器件、仪器、仪表基本环境试验标准,温度下限为 0℃、-10℃、-25℃、-40℃等几档,根据调查和收集到的资料,我国境内气象站测得的最低温度为-51℃,大兴安岭地区曾经测得最低温度为-62℃,因此,增加了-55℃、-65℃等几档。
    随着电子元器件的进一步发展,一些连接器、线缆组件需要承受-100℃的超低温冲击情况,在特定条件下,需要增加-100℃或-110℃的超低温试验条件。在此严酷条件下,对电子元器件的考核是严酷的。
    对于试验保持时间,国际标准将低温试验的持续时间定为 2h、16h、72h、96h 四种,这主要是从电子元器件产品使用环境出发考虑的,为西欧、日本等国所采用。但美国军用标准普遍采用保持24h或72h两种。我国军用标准提出按产品重量来确定试验时间。
    低温试验保持时间的长短,应取决于该产品在某一低温条件下保证内部冻透,即内部温度达到与试验条件相平衡(偏差小于 3℃),而不一定需要延长试验时间(对延长试验时间是否有影响也进行过一些试验验证),因为低温下的作用结果不像高温时的“热老化”作用有“积累”意义。因此,保持时间只要能使样品冻透,有足够时间使材料受温度影响而产生收缩变形就可以了。

    二、低温试验技术和方法

    1.试验目的
    低温试验用于考核产品在低温环境条件下存储和使用的适应性,常用于产品在开发阶段的型式试验和元器件的筛选试验。
    2.试验条件
    按照国标GB 2423.1—2008规定如下:
    (1)非散热试验样品低温试验Ab:温度渐变。
    (2)散热试验样品低温试验Ad:温度渐变。
    试验的严酷程度由温度和持续时间确定。
    温度:-65℃;-55℃;-40℃;-25℃;-10℃;-5℃;+5℃。试验温度的允许偏差均为±3℃。
    持续时间:2h;16h;72h;96h。
    3.试验程序
    试验Ab:非散热试验样品温度渐变的低温试验,用以确定非散热的电子电工产品(包括元件、设备或其他产品)低温下存储和使用的适应性。
    将处于室温的试验样品,按正常位置放入试验箱内,开动冷源,使试验箱温度从室温降低到规定试验温度并使试验样品达到温度稳定。箱内温度变化速率为不大于 1℃/min(不超过5min时间的平均值)。
    试验Ad:散热试验样品温度渐变的低温试验,确定散热电子电工产品(包括元器件、设备或其他产品)低温条件下使用的适应性。
    4.有关技术和设备要求
    (1)有关技术。若试验的目的仅仅是检查试验样品在低温时能否正常工作,则试验的时间只限于使试验样品温度达到稳定即可;若作为与低温耐久性或可靠性相联系的有关试验时,则其试验所需的持续时间按有关标准规定。
    试验时要注意区分两类试验样品:无人工冷却的试验样品和有人工冷却的试验样品。无人工冷却的试验样品分为无强迫空气循环的试验和有强迫空气循环的试验,无强迫空气循环的试验,是模拟自由空气条件影响的一种试验方法。有强迫空气循环的试验,有两种方法。方法 A 适用于试验箱足够大,不用强迫空气循环也可满足试验要求,但仅能借助空气循环才能保持箱内的环境温度。方法B用于方法A不能应用的场合,例如,用作试验的试验箱体积太小,当无强迫空气循环就不能符合试验要求的场合。
    有人工冷却的试验样品,一般可按无强迫空气循环方法进行试验。
    这三项低温试验对于试验样品的工作性能试验,必须按有关标准规定对试验样品给予通电或电气负载,并检查确定能否达到规定的功能。
按要求施加规定的试验条件前,应对样品进行外观及电气和机械性能的初始检测,然后按有关标准的规定在试验期间或结束时加负载和进行中间检测,检测时试验样品不应从试验箱中取出。按照规定要求进行恢复,最后对样品进行外观及电气和机械性能的检测。
    (2)试验设备要求。试验箱应能够在试验工作空间内保持规定的温度条件,可以采用强迫空气循环来保持温度均匀。为了限制辐射影响,试验箱内壁各部分温度与规定试验温度之差不应超过 8%(按开尔文温度计),且试验样品不应受到不符合上述要求的任何加热与冷却元器件的直接辐射。

    三、高温试验概述

    高温环境条件可能改变构成设备材料的物理性能和电气性能,能够引起设备发生多种故障。例如不同材料膨胀系数不一致使得部件相互咬死、材料尺寸全部或局部改变、有机材料褪色、裂解或龟裂纹等。因此, 高温试验的目的是评价设备或元器件在高温工作、运输或存储条件下,高温对样品外观、功能及性能等的影响。高温试验对元器件及设备可靠性的影响很大。
    在进行高温试验时,应按照不同试验目的遵循不同的原则。一是节省寿命原则,目的是施加的环境应力对试件的损伤从小到大,使试件能经历更多的试验项目;二是施加的环境应力能最大限度地显示叠加效应原则,按照这个原则应在振动和冲击等力学环境试验之后进行高温试验。在具体操作时,应根据试件的特性、具体工作顺序、预期使用场合、现有条件以及各个试验环境的预期综合效应等因素确定试验顺序。确定寿命期间环境影响的顺序时,需要考虑元器件在使用中重复出现的环境影响。
    在 GJB 360B—2009《电子及电气元件试验方法》中涉及高温试验的有“高温寿命试验”,其试验目的是用于确定试验样品在高温条件下工作一段时间后,高温对试验样品的电气和机械性能的影响,从而对试验样品的质量做出评定。
    在 GJB 128A—1997《半导体分立器件试验方法》中涉及高温试验的有“高温寿命(非工作)”和“高温寿命(非工作)(抽样方案)”两种试验,前者的试验的目的是用于确定器件在承受规定的高温条件下是否符合规定的失效率,后者的试验目的是用于确定器件在承受规定的条件下是否符合规定的抽样方案。
    电子元器件在高温环境中,其冷却条件恶化,散热困难,将使器件的电参数发生明显变化或绝缘性能下降。例如,在高温条件下,存在于半导体器件芯片表面及管壳内的杂质加速反应,促使沾污严重的产品加速退化。此外,高温条件对芯片的体内缺陷、硅氧化层和铝膜中的缺陷以及不良的装片、键合工艺等也有一定的检验效果。
    GJB 150《军用设备环境试验条件》是设备环境试验标准,它规定了统一的环境试验条件或等级,用以评价设备适应自然环境和诱发环境的能力,适用于设备研制、生产和交付各阶段,是制定有关设备标准和技术文件的基础和选用依据。

    四、高温试验方法与技术

    1.试验条件
    对于温度条件,GJB 360B—2009的“高温寿命试验”条件从表1中选取。

表1 高温寿命试验温度条件

表1 高温寿命试验温度条件

    GJB 128A—1997的高温试验则一般选取规范中规定的最高温度。

    对于试验时间,GJB 360B—2009的“高温寿命试验”条件从表2中选取。

表2 高温寿命试验时间

表2 高温寿命试验时间
    GJB 128A—1997 的“高温寿命(非工作)”试验时间按照有关规范的规定,“高温寿命(非工作)(抽样方案)”试验则一般选取340h。
在试验期间,GJB 360B—2009的“高温寿命试验”规定施加在试验样品上的试验电压、工作循环、负荷及其他工作条件由有关标准确定。
    2.试验设备
    试验设备主要有 高低温试验箱和温度计。高低温试验箱提供一定的高温场所(环境),温度计用于测量和监控试验温度,还要有测量电性能参数的测量系统。
    3.试验程序
    (1)试验样品的安装。试验样品应按其正常方式进行安装。当几组试验样品同时受试时,试验样品之间安装距离应按单组的要求做出规定,当没有规定距离时,安装的距离应使试验样品彼此之间温度影响减至最小,当不同材料制成的试验样品互相之间可能会产生不良影响并会改变试验结果时,则不能同时进行试验。
    (2)初始检测。初始检验应按有关规范的规定,对试验样品进行外观检查以及电性能及机械性能检测。
    (3)试验。确定试验时间后,将试验箱(室)温度升至规定的温度,如果是工作试验,还需要在试验样品上施加规定的电压、工作循环、负荷及其他工作条件。
    (4)中间检测。中间检测是试验期间应按有关规范的规定,对试验样品进行性能检测。
    (5)最后检测。最后检测是试验结束后,按有关规范的规定,对试验样品进行外观检查,电性能及机械性能检测。
    4.有关技术与设备要求
    (1)有关技术。对于试验期间温度的测量,应在距离被试任一样品或同类样品组的规定的自由间隔内进行。此外,温度测量也应在由样品所产生的热对温度记录影响最小的位置上进行。
    对于合格判据,应由具体的规范来规定。
    有关的具体规范在采用本试验方法时,在适当的前提下应规定下列细则:
    ① 距试验样品的温度测量位置(以厘米计算);
    ② 如果适用,静止空气的要求;
    ③ 如果需要,安装方法及试验样品间的距离;
    ④ 试验温度及温度容差;
    ⑤ 试验时间;
    ⑥ 工作条件;
    ⑦ 检测项目;
    ⑧ 失效判据。
    (2)试验设备的要求。进行本试验的设备应满足以下要求:
    ① 高低温试验箱应在试验工作空间满足本试验规定的试验条件,可以采用强迫空气循环来保持试验条件的均匀性,但不能强制气流直接冲击试验样品;
    ② 应减少辐射问题,高低温试验箱各部分的壁温与规定的试验环境温度之差不应大于3%(按热力学温度计),试验箱(室)的结构应使辐射热对试验样品的影响降至最小程度;
    ③ 对于绝对湿度,每立方米空气中不应超过 20g 水蒸气(相当于 35℃时 50%的相对湿度)。
    ④ 干燥箱不适于做高温试验。
    不少单位进行例行高温试验时使用干燥箱做电子元器件等电子产品的高温试验,这是不合适的,试验后得到的数据不可靠,甚至烧坏样品,导致错误的结论。高温箱必须提供符合高温的试验条件,真实地再现高温环境,高温试验时对设备的温度偏差一般要求为±2℃,如果试验尺寸较大,温度偏差和温度波动度可以适当放宽。而干燥箱采用的是壁温加热的方法,试验箱的墙壁温度会大于规定的试验环境温度 3%的误差,且箱内无循环加热通风,工作空间与箱壁的温度偏差太大,箱内温度不均匀。干燥箱与高温箱有本质区别,不能使用干燥箱进行高温试验。

    五、温度变化试验概述

    涉及温度变化的试验有GJB 360B—2009 的“温度冲击试验”、GJB 128A—1997 的“热冲击(液体-液体)”和“温度循环(空气-空气)”、GJB 548B—2005 的“热冲击”和“温度循环”试验。
    温度冲击试验的目的在于确定试验样品耐受高、低温极值交替冲击的能力,其中液体介质法用于评价试验样品经受温度变化速度更快的温度冲击的能力。

    对于空气介质法,GJB 360B—2009规定的试验条件如表3所示。

表3 空气介质法试验条件

表3 空气介质法试验条件

    对于液体介质法,GJB 360B—2009规定的试验条件0~100摄氏度,偏差-5~0摄氏度。

    GJB 128A—1997和GJB 548B—2005规定的试验条件如表4所示。

表4 液体介质法的试验条件

表4 液体介质法的试验条件
    GJB 128A—1997 和 GJB 548B—2009 规定从热到冷或从冷到热的总转移时间不应超过10s,负载应在5min内达到规定的温度保持时间不应少于2min。

    六、温度变化试验方法及技术

    1.试验方法
    1)初始检测
    初始检测应按有关规范的规定,对试验样品进行外观检查以及电性能和机械性能检测。
    2)试验样品的安装
    对于空气介质法,试验样品的安装按有关规范规定,当装入试验箱时,应使气流畅通无阻地穿过或绕过试验样品。
    3)试验
    空气介质法的试验要求如下:
    ① 先将试验样品置于低温箱中,此时,低温箱的温度已调至规定的极值温度,并在此温度下保持规定的时间。
    ② 保温时间结束,在 5min 内将试验样品从低温箱移至高温箱中。此时,高温箱的温度已调至规定的极值温度,并在此温度下保持规定的时间。
    ③ 保温时间结束,在 5min 内将试验样品从高温箱移至低温箱中。此时,低温箱的温度已调至规定的极值温度,并在此温度下保持规定的时间。
    ④ 按规定的循环次数,重复(2)~(3)。当试验样品从一个试验箱转换到另一个试验箱时,不应承受强制的循环气流。
    4)中间检测
    中间检测是试验期间,按有关规范的规定,对试验样品进行性能检测。
    5)恢复
    最后循环结束,试验样品置于试验的标准大气条件下达到温度稳定。
    6)最后检测
    最后检测是试验结束后,应按有关规范规定,对试验样品进行外观检查、电性能及机械性能检测。
    2.有关技术
    对于GJB 360B—2009,在采用单箱进行试验的情况下,第1步和第3步的温度极值是在没有移动试验样品的情况下获得的,第 2 步和第 4 步则不适用。但从低温到高温(或相反)的转移时间不应超过5min。
    最初的 5 次循环应连续地进行。5 次循环后,在任何一次循环完成之后都可以中断试验,在恢复试验之前可允许试验样品恢复到试验的标准大气条件。
    对于GJB 128A—1997和GJB 548B—2005,样品放在容器中的位置应使得液体无阻碍地越过和围绕样品流动。当试验样品批增加或减少,或在电源和设备故障时,规定完成的总循环次数的试验可以中断,但如果中断次数超过规定的总循环次数的 10%,则试验必须重新开始。
    对于失效判据,由有关规范规定。
    有关规范采用本试验时应规定下列细则:
    ① 安装方法;
    ② 试验条件,如循环次数,在极限温度下的试验时间;
    ③ 初始、中间及最后检测方法。
    ④ 转移时间;
    ⑤ 恢复时间;
    ⑥ 失效判据。
    3.试验设备的要求
    对于空气介质法,试验设备的要求如下:
    ① 高低温冷热冲击试验箱应能满足规定的极限温度条件;
    ② 高低温冷热冲击试验箱应符合本试验规定的容差;
    ③ 试验箱应有足够的热容量,以便试验样品放入试验箱后,在 5min 内工作空间就能恢复到规定的温度值;
    ④ 试验样品的安装和支撑架的热导率应低,以保证试验样品与安装和支撑架间处于一种绝热状态。
    对于液体介质法,GJB 360B—2009对试验设备的要求如下:
    ① 应有两个液槽,一个用于低温,另一个用于高温。试验时,试验样品应能方便地浸入,并能迅速从一个槽转入另一个槽。在上述浸入与转换时,液体不应被搅动。

    ② 低温槽中的液体温度为

低温槽中的液体温度为

    ③ 高温槽中的液体温度为
高温槽中的液体温度为
    ④ 试验用的液体,应与试验样品生产使用的材料和保护层相适应,一般用水。
    GJB 128A—1997和GJB 548B—2005对试验设备的要求如下:
    ① 所用容器在装有最大负载时,应能在工作区提供和控制规定的温度;
    ② 热容量和液体循环必须使工作区和负载满足规定的条件和时限;
    ③ 在试验期间,应采用指示器或记录器读出监测敏感器的读数,应连续地监测最坏情况负载温度;

    ④ 当需要确认容器性能时,应在最大负载和配置条件下证实最坏情况负载温度。

来源:可靠性杂坛

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