温度循环试验：评估产品耐温度变化能力的关键

温度循环试验是一种模拟产品在真实使用或储存环境中可能经历的、循环变化的高温和低温条件的可靠性测试方法。其核心目的在于通过加速的方式，评估产品（特别是其材料、元器件和结构）承受温度剧烈变化（热冲击）或周期性温度波动（温度循环）的能力，从而暴露潜在的设计缺陷或制造缺陷。

试验目的与重要性

  1. 暴露潜在缺陷： 这是最主要的试验目的。温度变化会导致产品内部不同材料的热膨胀系数（CTE）差异，从而产生热应力和热应变。多次循环后，这些应力应变会导致：
    • 材料疲劳： 焊点开裂、引线断裂、涂层剥落、塑胶件脆化或开裂。
    • 机械结构失效： 连接器松动、密封失效（导致泄漏或潮气侵入）、卡扣断裂、活动部件卡滞。
    • 电气性能漂移或失效： 接触电阻增大、绝缘性能下降、元器件参数超出规格（如电阻、电容值变化）、电路开路或短路。
    • 分层与开裂： 多层结构（如PCB、复合材料）因层间CTE不匹配而发生分层、微裂纹。
  2. 验证产品设计： 在产品开发阶段，验证其结构设计、材料选择和制造工艺能否满足预期的环境应力要求。
  3. 评估制造工艺： 检验焊接质量、粘接强度、灌封质量、装配工艺等是否能承受温度变化的考验。
  4. 提升产品可靠性： 通过早期发现并解决缺陷，显著提高产品在后续使用中的长期可靠性和使用寿命。
  5. 符合标准要求： 满足国内外行业标准、客户规范或法规（如 MIL-STD-810, IEC 60068-2-14, JESD22-A104, GB/T 2423.22 等）中对温度环境适应性的强制性或推荐性测试要求。
 

试验原理

温度循环试验基于以下物理效应：

  • 热胀冷缩： 绝大多数材料在温度升高时膨胀，温度降低时收缩。
  • CTE差异： 产品由多种材料组成（金属、塑料、陶瓷、硅等），它们的CTE不同。当温度变化时，不同材料膨胀或收缩的程度不同。
  • 热应力与热应变： CTE差异导致相互连接或相邻的材料之间产生应力（拉力或压力）和应变（变形）。这种应力是循环的、交变的。
  • 材料疲劳： 交变的热应力会导致材料内部产生微观裂纹，并随着循环次数的增加而扩展，最终导致宏观失效（如开裂、断裂）。
  • 其他效应： 温度变化还可能加速化学反应（如氧化）、引起冷凝（在低温向高温转换时，如果产品内部有湿气）、改变润滑剂性能等。
 

试验设备与参数

  1. 试验设备：
    • 温度试验箱：
      • 单箱式： 在同一个试验箱内实现高低温的转换。优点是样品无需移动，减少了因移动产生的额外应力（对某些精密产品很重要）；缺点是温度转换速率相对较慢（受限于箱体热容量和制冷/加热功率）。
      • 双箱式（热冲击试验箱）： 包含一个高温箱和一个低温箱，样品通过传送装置（吊篮、推车）在两箱之间快速移动。优点是温度转换速率极快（通常>10°C/min，甚至>30°C/min），模拟严酷的热冲击；缺点是样品在转移过程中可能受到振动或冲击。
    • 关键部件： 高性能压缩机（制冷）、大功率加热器、循环风扇、温度传感器、精密控制系统。
  2. 核心试验参数：
    • 高温温度： 根据产品预期使用环境或特定标准要求设定。常见范围如 +70°C, +85°C, +125°C 等。
    • 低温温度： 根据产品预期使用环境或特定标准要求设定。常见范围如 -20°C, -40°C, -55°C, -65°C 等。
    • 温度转换速率： 单位时间内温度变化的快慢（°C/min）。这是区分温度循环（较慢速率，如 5°C/min）和热冲击（极快速率，如 >10°C/min）的关键参数。速率越快，产生的热应力越大，试验越严酷。
    • 高温保持时间： 样品在高温点达到温度稳定后需要保持的时间。目的是让样品整体达到高温并充分承受热应力。通常为 30分钟到数小时。
    • 低温保持时间： 样品在低温点达到温度稳定后需要保持的时间。目的同上。通常为 30分钟到数小时。
    • 循环次数： 完成一次高温->低温->高温（或低温->高温->低温）定义为一个循环。总循环次数根据产品的预期寿命、可靠性要求等级和标准规定确定，可能从十几次到上千次不等。
    • 温度稳定时间： 指从温度达到设定点（如高温点）到样品内部关键点也达到该温度并稳定所需的时间。这通常需要通过在样品上布置热电偶来监控。
    • 驻留时间： 在单箱试验中，指从高温（或低温）结束转换到开始向低温（或高温）转换之间的时间。通常很短，目的是让箱内空气温度均匀。
    • 转换时间： 在双箱试验中，指样品从一个箱体转移到另一个箱体所需的时间（通常要求非常短，如 <30秒）。
 

试验流程

  1. 试验前准备：
    • 样品准备： 按标准或要求进行预处理（如老化、功能测试）。清洁样品，如有必要，在关键位置（如芯片、焊点、易失效点）布置热电偶以监控实际温度。
    • 功能与外观检查： 详细记录试验前样品的外观（拍照）、尺寸（如关键间隙）和功能/性能参数（作为基线）。
    • 试验参数设定： 根据试验标准或规范，在温箱控制器上精确设定高低温温度、转换速率、保持时间、循环次数等参数。
    • 样品装载： 将样品按要求（如避免遮挡风道、保持间距）放入试验箱内。确保热电偶连接可靠。对于双箱试验，样品需固定在传送装置上。
  2. 试验执行：
    • 启动试验程序，设备自动运行。
    • 在单箱试验中：设备按设定速率升温到高温点 -> 高温保持 -> 按设定速率降温到低温点 -> 低温保持 -> 按设定速率升温回到高温点（完成一个循环），如此往复。
    • 在双箱试验中：样品在高温箱中保持设定时间 -> 快速转移到低温箱 -> 在低温箱中保持设定时间 -> 快速转回高温箱（完成一个循环），如此往复。
    • 过程监控： 持续记录箱内空气温度和样品表面（或内部）温度（如有热电偶）。监控设备运行状态。在试验过程中，根据标准要求，可能需要在特定循环点对样品进行中间检查（需暂停试验）。
  3. 试验后处理：
    • 恢复： 试验结束后，样品通常需要在标准大气条件下（如 25±5°C, 常湿）恢复一段时间（如 2-4小时），让其温度、湿度平衡，并释放可能的残余应力。
    • 外观检查： 仔细检查样品是否有裂纹、变形、脱层、变色、起泡、泄漏、连接松动等可见缺陷（拍照记录）。
    • 尺寸检查： 测量关键尺寸是否超出允许公差。
    • 功能与性能测试： 按照试验前的方法进行功能操作和性能参数测试，与基线数据对比，判断是否失效或性能是否超差。
    • 破坏性分析（如必要）： 对于失效样品，可能需要进行解剖、金相切片、扫描电镜（SEM）、X光检查等，以确定失效的具体位置、模式和根本原因（如焊点IMC层过厚、空洞、裂纹路径等）。
 

失效模式分析

温度循环试验中常见的失效模式包括：

  • 焊点/焊锡连接： 开裂（尤其是在元器件引脚根部）、空洞扩大、冷焊点断裂。
  • 引线/键合线： 断裂。
  • 元器件本体： 封装开裂、芯片破裂、内部连接失效。
  • PCB： 镀通孔断裂、焊盘翘起、导体走线断裂、基材分层（爆板）。
  • 机械结构： 卡扣断裂、螺纹连接松动、密封圈失效、轴承卡滞、塑料件脆裂。
  • 涂层/镀层： 起泡、剥落、开裂。
  • 粘接/灌封： 脱粘、开裂、密封失效。
  • 电气性能： 参数漂移（电阻、电容、增益等）、间歇性故障、开路、短路。
 

试验标准

温度循环试验有众多国际、国家和行业标准，常用的包括：

  • IEC 60068-2-14: 环境试验 - 第2-14部分：试验方法 - 试验N：温度变化。
  • MIL-STD-810: 美国国防部环境工程考虑与实验室试验方法标准（方法 503, 温度冲击）。
  • JESD22-A104: 温度循环（半导体工业协会标准）。
  • GB/T 2423.22: 环境试验 第2部分：试验方法 试验N：温度变化（中国国家标准）。
  • IPC-TM-650: 印制板及相关互连结构的试验方法（包含多种温度循环方法）。
  • ISO 16750: 道路车辆 - 电气和电子设备的环境条件和试验（包含温度循环要求）。
  • 各行业（如汽车、航空、消费电子、医疗）及大型公司通常会有自己更具体的内部标准或规范。
 

温度循环 vs. 热冲击

这两个术语经常被提及，核心区别在于温度转换速率：

  • 温度循环： 通常指转换速率较慢（例如 ≤ 5°C/min）的试验。它模拟的是自然界或产品使用中较缓慢的温度变化（如昼夜温差、季节变化、设备开关机）。应力主要来源于材料间的CTE差异。
  • 热冲击： 通常指转换速率非常快（例如 >10°C/min）的试验，常使用双箱式设备实现。它模拟的是产品突然暴露在极端温度环境下的情况（如寒冷环境中的设备被快速移动到温暖的室内、飞行器快速爬升/下降、产品掉入冰水/热水）。除了CTE差异应力外，快速转换本身在材料内部会产生巨大的温度梯度，导致更剧烈的瞬态热应力。
 

结论

温度循环试验是产品可靠性工程中不可或缺的一环。通过精确控制高低温、转换速率、保持时间和循环次数，该试验能够有效激发和暴露产品在温度交变环境下的潜在薄弱环节，包括材料疲劳、连接失效、结构破坏和性能退化。理解其原理、严格遵循相关标准、合理设置参数、规范执行流程并进行细致的失效分析，对于提升产品设计质量、优化制造工艺、保障产品在复杂多变环境下的长期可靠运行具有至关重要的意义。它是产品通向市场、赢得用户信任的重要质量关口。