干燥高温试验：产品可靠性的“熔炉”考验

摘要： 干燥高温试验是环境可靠性试验的核心项目之一，通过模拟极端高温干燥条件，评估产品在贮存、运输或使用过程中的耐受能力及潜在失效模式。本文将系统阐述该试验的目的、原理、设备、标准、流程、结果分析及应用场景。

一、 试验目的与意义

  • 评估高温耐受性： 检验产品在高于正常工作温度的环境下，其材料性能、结构稳定性、电气特性等是否发生不可接受的劣化。
  • 揭示潜在缺陷： 加速暴露产品在高温环境下可能出现的失效，如材料老化（硬化、脆化、变形、变色）、元器件参数漂移或失效、密封失效、润滑剂干涸、焊点开裂、电池性能衰减等。
  • 验证设计裕度： 验证产品在标称工作温度上限或短期超温条件下的功能与性能保持能力。
  • 优化材料与工艺： 为产品设计选材、制造工艺改进提供依据。
  • 满足标准要求： 满足国内外相关行业标准、法规及客户规范对产品高温可靠性的强制要求。
  • 提升市场竞争力: 通过早期发现并解决高温环境下的可靠性问题，降低售后风险，提高用户满意度及品牌声誉。
 

二、 试验原理

利用可精确控制温度的环境试验箱，在无强制空气循环或特定低湿度条件下（通常模拟干燥环境），将样品暴露在规定的高温环境中，保持预定时间。通过高温加速材料内部的物理化学反应（如氧化、热分解、分子链断裂、蠕变等）、元器件性能变化（如半导体特性漂移、电解电容干涸）及结构应力变化，从而在相对较短时间内模拟产品在长期高温服役或极端高温事件下可能发生的失效过程。

三、 主要试验设备

  1. 高温试验箱：
    • 温控范围： 需覆盖试验所需最高温度（常见范围：+70°C 至 +200°C 或更高）。
    • 温度均匀性： 工作空间内温度分布需均匀（通常要求≤±2°C）。
    • 温度稳定性： 维持设定温度的能力（波动度小）。
    • 加热系统： 高效、快速响应的加热装置（如电加热器）。
    • 空气循环： 可实现自然对流或强制空气循环（风速可调或符合标准要求）。干燥试验通常避免强风。
    • 箱体结构： 良好的隔热性能，内壁使用耐高温、耐腐蚀材料（如不锈钢）。
    • 观察窗： 耐高温的观察窗，便于过程监控。
    • 测试孔： 用于引出样品线缆。
  2. 温度监控系统：
    • 高精度温度传感器（如T型或K型热电偶）。
    • 数据采集仪或多通道记录仪，连续记录箱内关键位置及样品关键点的温度。
  3. 样品支架/夹具：
    • 耐高温材料，不影响空气流通和温度分布。
  4. (可选) 湿度控制系统： 用于需要精确控制低湿度的“干燥高温”试验。
 

四、 常用试验标准

干燥高温试验遵循多种国际、国家及行业标准：

  • 通用基础标准：
    • IEC 60068-2-2 / GB/T 2423.2:《环境试验 第2部分：试验方法 试验B：干热》。这是最广泛应用的通用高温试验标准，详细规定了试验目的、设备要求、严酷等级（温度/时间）、预处理、初始检测、条件试验、恢复、最后检测等流程。
  • 产品/行业特定标准：
    • 军用标准（如MIL-STD-810H, Method 501.7）
    • 汽车电子标准（如IEC 60068-2-2, AEC-Q100）
    • 电工电子产品标准
    • 通信设备标准
    • 光伏组件标准（如IEC 61215）
    • 元器件标准（如JESD22-A104）等。
  • 客户自定义规范： 客户根据特定应用场景提出的专门要求。
 

五、 典型试验流程

  1. 试验准备：
    • 样品状态确认： 确认样品完好，功能性能正常。
    • 初始检测： 在常温常压下进行全面的功能和性能测试，记录初始数据（电气参数、机械性能、外观等）。
    • 样品安装： 将样品按实际使用状态或标准要求（如无特别说明，通常处于“准备使用”状态）安装在试验箱内支架上，确保空气自由流通。连接必要的监测线缆（热电偶等）。
    • 传感器布置： 在试验箱工作空间代表性位置及样品关键发热/敏感部位布置温度传感器。
    • 设备设置： 依据选定的标准或规范设定试验箱温度、升温速率（如有要求）、持续时间。
  2. 条件试验：
    • 升温： 以标准规定速率（如≤1°C/min，避免热冲击）或设备允许速率将试验箱升温至目标温度。
    • 保温（曝露）： 维持目标温度恒定，持续指定的时间（如2h, 16h, 48h, 96h, 1000h等）。期间需连续监测并记录温度数据。
    • 中间检测 (可选)： 某些试验允许或要求在高温条件下进行部分功能检测（需标准明确规定且安全可行）。
  3. 恢复：
    • 降温： 试验结束后，关闭加热系统，让试验箱自然冷却或按标准规定速率（如≤1°C/min）降温至标准大气条件。
    • 稳定： 样品在标准大气条件下（通常为25±5°C, 常湿）恢复足够时间（如1-2小时，或至温度稳定），以使样品内部温度均衡。
  4. 最后检测：
    • 在恢复期结束后，对样品进行与初始检测相同项目的外观检查、功能测试和性能测量。
  5. 结果评估与报告：
    • 对比初始检测和最后检测结果，评估样品是否出现：
      • 外观缺陷： 开裂、变形、起泡、褪色、氧化、涂层剥落等。
      • 机械性能变化： 强度下降、刚度变化、卡滞等。
      • 电气性能变化： 参数超差（电阻、电容、电压、电流、功耗等）、功能失效、信号异常。
      • 材料变化： 明显老化、软化、脆化、密封泄漏、润滑失效等。
    • 记录所有观察现象、检测数据和照片。
    • 根据判定依据（标准或规范要求）给出试验结论：通过/不通过，并详细报告失效情况（如有）。
 

六、 关键试验参数

  • 试验温度： 最主要的严酷等级参数。选择依据包括产品最高工作温度、预期贮存温度、应用环境、标准要求或加速目的。常见温度点如+55°C, +70°C, +85°C, +105°C, +125°C, +150°C等。
  • 试验持续时间： 决定暴露量。根据模拟的实际暴露时间（如产品寿命期等效高温时长）、加速因子、标准规定或工程判断确定。短则几小时（筛选），长则数百甚至数千小时（寿命评估）。
  • 湿度条件： “干燥高温”通常指不施加额外湿度控制，箱内为环境空气或自然低湿状态。特定标准可能要求控制极低湿度。
  • 温度变化速率： 升温和降温速率影响热应力大小。
  • 样品工作状态： 试验时样品处于通电工作、待机还是断电状态（需明确规定）。
 

七、 结果分析与应用

  • 失效分析： 对试验中出现的失效进行根本原因分析（RCA），确定是设计缺陷、材料选择不当、制造工艺问题还是元器件本身问题。
  • 设计改进： 根据失效分析结果，针对性改进产品设计，例如选用更高耐温等级的材料、优化散热设计、改进结构布局、选用更可靠的元器件等。
  • 工艺优化： 改进焊接工艺、密封工艺、组装工艺等，提高产品在高温下的可靠性。
  • 供应商管理： 评估关键元器件和材料供应商提供的产品在高温下的表现，作为供应商选择和物料认证的重要依据。
  • 质量认证： 通过干燥高温试验是产品满足特定质量标准（如ISO 9001, IATF 16949）或进入特定市场（如汽车、航空航天、军工）的重要环节。
  • 寿命预测（辅助）： 结合其他加速寿命试验模型，高温试验数据可用于粗略评估产品在常温下的使用寿命（需谨慎应用模型和假设）。
 

八、 典型应用领域

干燥高温试验广泛应用于对高温环境敏感或在高温下工作的产品及其组件：

  • 电子电气： 集成电路 (IC)、半导体器件、PCB板、电阻电容电感、连接器、电源模块、电机、变压器、家用电器、照明设备等。
  • 汽车： 发动机舱电子控制单元 (ECU)、传感器、线束、连接器、灯具、内饰塑料件（耐热变形）、密封件、电池（锂离子电池高温存储）等。
  • 航空航天： 机载电子设备、航空材料、密封件、润滑剂等。
  • 光电： LED芯片及灯具、光伏组件（热斑、封装材料）、光学镜头（镀膜、胶合）等。
  • 材料： 塑料、橡胶、复合材料、粘合剂、涂料、金属（蠕变、氧化）等。
  • 元器件： 继电器、开关、保险丝、散热器、风扇等。
 

九、 结论

干燥高温试验是验证产品在高温干燥环境下可靠性与耐久性的关键手段。通过科学严谨地执行试验规程，依据相关标准或规范设定合理的试验条件，并准确评估试验结果，能有效暴露产品在高温环境下的潜在缺陷和薄弱环节。这不仅为产品设计、材料选型、工艺改进和质量控制提供了宝贵的反馈，更是提升产品整体可靠性、满足市场准入要求、降低售后服务成本和增强用户信心的重要保障。在日益追求产品耐用性和适应复杂环境能力的今天，干燥高温试验在产品全生命周期管理中扮演着不可或缺的角色。