冷热冲击试验：严苛环境下的材料与产品可靠性验证

冷热冲击试验，又称温度冲击试验或热震试验，是环境可靠性测试领域一项至关重要的试验方法。其核心目的在于模拟并加速产品在现实使用、运输或储存过程中可能遭遇的极端温度快速变化环境，评估产品（包括材料、元器件、组件乃至整机）在此严苛条件下的耐受能力和可靠性表现。

一、 试验目的与核心价值

该试验的核心价值在于：

  1. 揭示潜在缺陷： 通过剧烈的温度骤变，诱发并暴露产品在设计、材料选择、生产工艺（如焊接、粘接、封装）或组装过程中存在的潜在缺陷和薄弱环节。
  2. 评估材料性能： 检验不同材料（尤其是具有不同热膨胀系数的材料）在温度剧烈变化下的物理性能（如强度、韧性、脆性）变化及相互配合的可靠性。
  3. 验证产品可靠性： 评估产品在预期寿命内承受温度冲击的能力，预测其在实际环境中的失效风险，为产品设计改进、工艺优化和可靠性增长提供关键依据。
  4. 筛选早期失效产品： 作为筛选手段，剔除存在固有缺陷的“早期失效”产品，提高出厂产品的批次可靠性和批次一致性。
  5. 符合标准规范： 满足国内外众多行业标准、产品规范及认证要求（如IEC 60068-2-14, GB/T 2423.22, MIL-STD-810, JESD22-A104等）的必要测试项目。
 

二、 试验原理：温度骤变带来的应力

冷热冲击试验的原理基于材料在温度急剧变化时产生的热应力：

  1. 热胀冷缩： 绝大多数材料具有热胀冷缩的特性。当温度突然变化时，产品内部不同材料之间，或同一材料的不同区域之间，由于热膨胀系数的差异，会以不同的速率膨胀或收缩。
  2. 热滞后与温度梯度： 在极短的时间内（通常要求转换时间小于规定值，如5分钟或更短），产品表面温度迅速变化，但内部温度变化相对滞后，形成显著的温度梯度。
  3. 内应力产生： 上述差异化的膨胀/收缩行为和温度梯度，会在材料内部及其界面（如焊接点、粘接面、封装体与芯片/引线框架之间）产生复杂的拉伸、压缩或剪切应力。
  4. 失效机制： 当这些内部应力超过材料的强度极限或其结合界面的粘接强度时，就会导致各种失效模式的发生：
    • 材料开裂或断裂： 脆性材料（如陶瓷、部分塑料）在低温下韧性降低，易发生脆性断裂；高温下材料可能软化蠕变。
    • 分层： 多层结构（如PCB、复合材料、封装体）中不同层间因膨胀系数差异而分离。
    • 焊点开裂/脱落： 电子组装中常见的失效模式，焊料与元件引脚、PCB焊盘之间因热应力导致的开裂或完全分离。
    • 密封失效： 密封件（如O型圈）失去弹性或密封结构开裂，导致泄漏。
    • 涂层/镀层开裂或剥落： 基体材料与涂层/镀层之间的膨胀系数差异导致的开裂或脱落。
    • 元器件性能漂移或功能丧失： 温度冲击可能引起内部微观结构变化或连接问题。
 

三、 试验设备与方法

实现冷热冲击的关键在于如何在极短时间内使样品暴露在两个极端温度环境中。主要设备类型有：

  1. 两槽式冷热冲击试验箱：

    • 原理： 包含独立的高温槽（如+150°C, +200°C）和低温槽（如-65°C, -55°C）。样品放置在一个可移动的吊篮中。
    • 过程： 吊篮根据预设程序，在高温槽和低温槽之间快速移动，实现温度的急剧变化。转换时间（样品从一个温区转移到另一个温区并达到指定温度的时间）是核心指标，通常要求小于5分钟，高性能设备可小于30秒。
    • 特点： 温度范围宽，温变速率（体现在转换时间上）极快，适用于严苛的冲击要求。但占用空间相对较大。

  2. 三槽式冷热冲击试验箱：

    • 原理： 包含高温槽、低温槽和一个位于中间位置的测试槽（常温室温槽）。
    • 过程： 样品始终放置在测试槽中。通过特殊的风门切换系统，将高温或低温气流快速引入测试槽，使样品温度急剧变化。转换时间通常也能控制在较短范围内（如<30秒）。
    • 特点： 样品无需移动，减少了振动对样品的潜在影响；设备结构相对紧凑。温度范围通常略小于顶级两槽式设备。
 

试验程序通常包括：

  1. 预处理： 必要时对样品进行清洁、稳定等操作。
  2. 初始检测： 试验前对样品进行外观、电气性能和功能的检查与记录。
  3. 冲击循环：
    • 暴露： 在高温（T<sub>H</sub>）下保持规定时间（t<sub>H</sub>），确保样品整体温度稳定。
    • 转换： 在极短时间内（≤ t<sub>transfer</sub>）将样品转移到低温环境或切换气流。
    • 暴露： 在低温（T<sub>L</sub>）下保持规定时间（t<sub>L</sub>），确保样品整体温度稳定。
    • 转换： 在极短时间内（≤ t<sub>transfer</sub>）将样品转移回高温环境或切换气流。
    • 重复： 以上步骤构成一个完整循环，重复进行规定的循环次数（N）。
  4. 恢复： 试验结束后，让样品在标准大气条件下（通常25°C左右）恢复足够时间。
  5. 最后检测： 对样品进行详细的外观检查、尺寸测量、电气性能测试和功能测试，与初始记录对比，判断是否出现失效或性能退化。
 

四、 关键试验参数

试验严格性由以下核心参数决定：

  • 高温（T<sub>H</sub>）和低温（T<sub>L</sub>）： 温度范围的选择基于产品预期会遇到的最严酷环境或相关标准规定。常见范围如-65°C/+150°C, -55°C/+125°C, -40°C/+85°C等。
  • 暴露时间（t<sub>H</sub>, t<sub>L</sub>）： 应足够长，使样品内部温度达到稳定（通常取决于样品的质量和热容量）。过短则无法充分施加应力，过长则可能引入不必要的恒定温度效应（如高温老化）。
  • 转换时间（t<sub>transfer</sub>）： 这是区分冷热冲击与普通温度循环的关键指标。标准通常严格限定此时间（如≤ 1分钟），以确保温度变化的急剧性。更快的转换意味着更严酷的冲击。
  • 循环次数（N）： 根据产品可靠性要求标准规定确定。次数越多，施加的应力累积越多。
  • 样品状态： 通电/断电状态、带载/空载状态等。
 

五、 应用领域广泛

冷热冲击试验的应用几乎涵盖了所有对温度变化敏感或可靠性要求高的行业：

  • 电子电气：
    • 集成电路（IC）、半导体分立器件、光电子器件
    • 印刷电路板（PCB）及组装件（PCBA）
    • 连接器、继电器、开关、传感器
    • 电源模块、锂电池
    • 消费电子产品、家用电器
  • 汽车电子： 发动机舱控制器、车身控制模块、传感器、车灯、连接器（需承受引擎启停、冬季启动等剧烈温变）。
  • 航空航天： 机载电子设备、卫星部件、导弹制导系统（高低温环境转换）。
  • 国防军工： 武器装备、通信设备、雷达系统。
  • 材料研究： 新合金、陶瓷、复合材料的抗热震性能评估。
  • 金属加工： 热处理件、焊接件、镀涂层件的抗裂性检测。
  • 橡胶塑料： 密封件（O型圈、垫片）、塑料外壳、绝缘材料的低温脆化和高温软化评估。
  • 玻璃陶瓷： 车窗、光学元件、密封封装。
 

六、 标准体系

国内外有众多标准详细规定了冷热冲击试验的方法和要求，常见的有：

  • 国际电工委员会： IEC 60068-2-14 (Environmental testing - Part 2-14: Tests - Test N: Change of temperature)
  • 中国国家标准： GB/T 2423.22-2012/IEC 60068-2-14:2009 (环境试验 第2部分：试验方法 试验N：温度变化)
  • 美国军用标准： MIL-STD-810H (Department of Defense Test Method Standard: Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests) - 方法503.7 (Temperature Shock)
  • 电子器件联合委员会： JESD22-A104 (Temperature Cycling)
  • 汽车电子委员会： AEC-Q100 (针对集成电路的应力测试标准)，其中包含温度循环和温度冲击测试要求。
  • 德国航空航天工业协会： LV 124 (Electrical and Electronic Components in Passenger Cars)，包含温度冲击要求。
 

七、 与温度循环试验的区别

虽然两者都涉及高低温变化，但核心区别在于转换速率和目的：

  • 冷热冲击试验： 强调温度变化的急剧性（转换时间短） ，目标是模拟瞬间的温度剧变（如产品从温暖的室内突然暴露到寒冷的室外，设备通电瞬间自发热），主要激发热应力引起的机械失效（断裂、开裂、分层、焊点失效等）。
  • 温度循环试验： 温度变化相对缓慢（转换时间长，温变率如5°C/min, 10°C/min） ，目标是模拟相对渐进的环境温度变化（如昼夜温差、季节变化）或产品反复通电/断电过程中的温度波动。它不仅能诱发机械应力失效，还会加速温度相关的疲劳失效和扩散过程（如柯肯达尔空洞、电迁移）。
    • 关键区分点：转换时间是界定两者的核心参数。
 

八、 重要性总结

冷热冲击试验是评估产品在极端温度快速变化条件下可靠性的不可或缺的工具。它通过施加剧烈的热应力，有效暴露设计和制造中的潜在缺陷，验证材料和结构的完整性，从而显著提升产品的耐用性、安全性和市场竞争力。理解其原理、方法、关键参数及其与温度循环的区别，对于正确设计试验方案、解读试验结果、指导产品改进至关重要。在产品研发、质量控制、可靠性认证等环节，冷热冲击试验都扮演着关键角色，确保产品能够在严苛多变的环境中稳定可靠地运行。