高低温试验：环境可靠性的基石

高低温试验，作为环境可靠性试验的核心组成部分，是评估产品或材料在极端温度条件下性能和可靠性的关键验证手段。其核心目的是模拟自然界或特定应用场景中可能遇到的低温、高温及温度急剧变化环境，提前暴露产品潜在的设计、材料或工艺缺陷，为改进设计、提升质量、保障产品长期稳定运行提供科学依据。

一、 试验目的与意义

  1. 暴露潜在缺陷： 温度应力会加速材料老化、元器件性能漂移、结构变形、润滑失效、密封件硬化/软化等潜在问题。试验可以强制这些缺陷提前显现。
  2. 验证性能极限： 确定产品在规格书标称的极端工作温度或存储温度范围内的功能是否符合设计要求。
  3. 评估材料兼容性： 验证不同材料（如塑料、金属、橡胶、电子元器件）在温度变化下的热膨胀系数差异是否会导致开裂、接触不良、机械卡死或密封失效。
  4. 保障使用安全： 极端温度可能导致电池泄漏、起火，或引起电子设备误动作，试验有助于识别此类安全隐患。
  5. 提升可靠性预测： 试验数据是进行产品可靠性建模、预测使用寿命的重要输入。
  6. 满足标准与规范： 产品进入特定市场或应用于特定领域（如汽车、航空航天、军工、通信、工业控制等）往往需要强制通过相应的高低温试验标准认证。
 

二、 主要试验类型

高低温试验根据施加的温度应力和目的不同，主要分为以下几类：

  1. 高温试验：

    • 目的： 评估产品在高温环境下工作或存储的耐受能力。
    • 考察重点： 元器件过热、材料软化变形、绝缘性能下降、润滑剂流失挥发、密封件老化泄漏、化学反应加速（如电解电容）、电子设备性能漂移或功能失效等。
    • 典型应用： 电子产品（服务器、芯片）、汽车发动机舱部件、户外设备、热带地区使用产品。

  2. 低温试验：

    • 目的： 评估产品在低温环境下工作或存储的耐受能力。
    • 考察重点： 材料脆化开裂（尤其是塑料、橡胶）、润滑剂凝固导致机械卡滞、电池性能急剧下降、显示屏响应迟缓或失效、元器件参数漂移、启动困难、密封件硬化泄漏等。
    • 典型应用： 寒带地区使用设备、航空航天器外部设备、冷藏运输设备、户外仪表。

  3. 温度变化试验：

    • 目的： 评估产品承受温度快速变化或循环变化的能力，模拟产品在环境温度波动或开关机时的热冲击。
    • 考察重点： 不同材料间因热膨胀系数差异造成的热应力累积，导致焊点开裂、涂层剥落、PCB翘曲、元器件脱焊、密封失效、结构件疲劳断裂等。温度变化速率是关键参数。
    • 变体：
      • 温度循环试验： 在设定的高温、低温极限之间进行多次循环变化，速率相对较慢（通常≤5°C/min），更侧重累积损伤效应（热疲劳）。
      • 热冲击试验： 在极短时间内（通常数秒到数分钟内）完成高温与低温之间的转换（温度变化速率可达15°C/min甚至更高），更侧重剧烈的热应力冲击效应。

  4. 高低温工作/存储试验：

    • 目的： 模拟产品在实际工作状态或非工作存储状态下的温度环境。
    • 考察重点：
      • 工作试验： 产品在设定极端温度下通电运行时的功能、性能是否满足要求。
      • 存储试验： 产品在设定极端温度下断电搁置后，恢复到常温时能否正常工作，性能是否衰减，外观结构是否受损。
 

三、 试验标准与规范

高低温试验依据广泛采用的国家、国际或行业标准进行，确保试验的可重复性和结果的可比性。常见的标准包括：

  • 基础标准： IEC 60068-2-1 (低温), IEC 60068-2-2 (高温), IEC 60068-2-14 (温度变化)。
  • 军用标准： MIL-STD-810H（方法 501.7 高温， 502.7 低温， 503.7 温度冲击）。
  • 汽车电子标准： ISO 16750-4 (道路车辆-电气和电子设备的环境条件和试验-气候负荷), AEC-Q100 (汽车电子委员会可靠性测试标准)。
  • 通信设备标准： GR-63-CORE (NEBS 物理保护要求)，涉及温湿度要求。
  • 国家标准： GB/T 2423.1 (低温), GB/T 2423.2 (高温), GB/T 2423.22 (温度变化)。
 

这些标准详细规定了试验条件（温度范围、持续时间、温变速率、循环次数）、预处理、初始检测、中间检测、恢复、最后检测等具体步骤和要求。选择哪个标准取决于产品的具体应用领域和要求。

四、 试验设备与设施

开展高低温试验的核心设备是高低温试验箱（常称为“环境试验箱”或“温箱”），其关键特性包括：

  • 温度范围： 能够覆盖所需的最低温和最高温（如 -70°C 至 +150°C 是常见的工业范围）。
  • 温度均匀性： 试验箱工作空间内各点温度的一致性。
  • 温度偏差： 设定温度与实际测量平均温度的差异。
  • 温度波动度： 控制点温度随时间变化的幅度。
  • 温变速率： 温度上升或下降的速度（线性或非线性），对于温度变化/热冲击试验尤其重要。
  • 容积： 满足被试产品（包括必要的工装夹具）的尺寸要求并留有余量。
  • 湿度控制（可选）： 某些试验箱（恒温恒湿箱）具备湿度控制能力，可进行温湿度组合试验。
  • 安全防护： 过温保护、烟雾报警、样品故障断电保护等。
 

五、 试验流程关键要素

  1. 明确目的与标准： 根据产品特性和使用要求，选择合适的试验类型、判定依据（标准）和试验条件（温度点、时间、温变率、循环次数等）。
  2. 试验方案设计： 设计详细的试验剖面图（温度-时间曲线），明确预处理、初始检测、试验过程（包括中间检测点）、恢复条件、最后检测等环节。
  3. 样品准备： 样品应代表最终产品状态（包括包装，若需）。安装固定方式应模拟实际使用情况，避免引入额外应力；布线应规范，避免影响气流和温度均匀性；传感器（温度监测）布置需有代表性。
  4. 初始检测： 试验前，在标准大气条件下对样品进行全面的外观、机械和电气性能检测并记录，作为基准数据。
  5. 试验执行： 严格按照试验方案将样品放入试验箱，设定程序并运行。试验过程中，按需进行中间检测（如高温工作试验时需监控功能）。
  6. 恢复： 试验结束后，通常需要在标准大气条件下（或标准规定的恢复条件）放置一段时间，让样品温度稳定并可能发生的凝露消散。
  7. 最后检测： 恢复完成后，进行与初始检测项目相同的全面检测，对比试验前后的变化。
  8. 结果分析与判定： 根据试验标准或产品规范的要求，对检测数据进行对比分析，判断样品是否通过试验（如功能正常、性能指标在允许范围内、无不可接受的物理损伤等）。
  9. 试验报告： 详细记录试验目的、依据标准、试验条件、样品信息、检测数据、观察现象、失效分析（如有）、结论等。
 

六、 试验注意事项与挑战

  • 样品负载与热容量： 大功率、高发热量或热容量大的样品可能显著影响箱内温度场的均匀性和温变率的实现，需要特殊考虑（如使用风冷/液冷负载架）。
  • 传感器位置： 监测点位置的选择至关重要，应能真实反映样品关键部位的温度。
  • 温度过冲： 在温度变化过程中，尤其是设定点切换时，可能出现短暂的温度超出设定范围的情况（过冲），需关注其对样品的影响。
  • 凝露问题： 尤其是在低温升至高温或低温恢复至常温时，如果温升速率快，样品表面温度低于环境露点温度，会发生凝露。凝露可能导致短路、电气绝缘下降或金属腐蚀。需通过控制温变速率或引入干燥步骤来管理。
  • 试验剖面的合理性： 试验条件（温度范围、时间、速率）应基于产品实际可能遇到的环境应力进行设计，避免过分严苛或不足。
  • 失效分析： 试验中出现的失效必须进行深入分析，找出根本原因（设计、材料、工艺），才能真正达到试验的目的。
 

七、 结语

高低温试验是连接产品设计与实际应用环境的重要桥梁。通过科学设计、严格执行和严谨分析，它能有效揭示产品在极端温度环境下的薄弱环节，为设计改进、材料选择、工艺优化和质量控制提供强有力的数据支持。在竞争日益激烈的市场环境中，通过严格的高低温试验验证，是确保产品具备优异环境适应性和长期可靠运行能力，从而赢得客户信任、提升市场竞争力的不可或缺的关键环节。持续深入地理解和应用高低温试验技术，是打造高可靠产品的必经之路。