如何選擇溫度循環(huán)試驗的規(guī)格參數(shù)
作者：
salmon范
編輯：
瑞凱儀器
來源：
www.shubeikang.com
發(fā)布日期： 2020.10.07
對電子產(chǎn)品而言，周期性溫度變化引發(fā)的環(huán)境應(yīng)力對樣品的影響會根據(jù)試驗效果的不同而不同，它會導(dǎo)致樣品的機(jī)械性能(如熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、楊氏模量)等存在很大的差異.
在溫度循環(huán)試驗中，影響其試驗效果的主要參數(shù)是:溫度變化范圍、試驗箱的升降溫速率、試驗樣品在高溫或低溫中的暴露時間.轉(zhuǎn)換時間、試驗的循環(huán)次數(shù)。在MIL-STD-883G 1010. 8、JESD22-A104- B、GB/T2423-2002中給出了相關(guān)的參考標(biāo)準(zhǔn)，但是存在著一定的差異(表1)。下面根據(jù)溫度循環(huán)試驗的典型剖面圖(圖2)對其主要參數(shù)進(jìn)行分析.
1、溫度范圍
溫度范圍是指上限溫度TM與下限溫度Tt的差值，原則上該值越大越好，因為溫度越高就有越大的熱應(yīng)力和熱疲勞的交互作用同時加在試樣上，對剔除早起失效的效率也越高.但是對于某些材料，當(dāng)溫度達(dá)到某一數(shù)值時，能誘發(fā)一般在設(shè)計過程中看不到的失效機(jī)制，并且因熱膨脹系數(shù)的不同，在不同的溫度條件下進(jìn)行試驗時，容易使產(chǎn)品過早失效.
另外，試驗的升溫和降溫過程容易在元件或設(shè)備上產(chǎn)生凝露或結(jié)霜現(xiàn)象，這會給樣品額外的應(yīng)力。所以，溫度范圍的選擇要根據(jù)產(chǎn)品的具體情況而定，試驗溫度不能過高也不能太低，應(yīng)該在不傷害正常產(chǎn)品的前提下選擇的溫度范圍，一般在-55~+125℃之間.
由于三個標(biāo)準(zhǔn)初適用對象的不同，使所定的溫度范圍也不相同.MILSTD-883G初主要是針
對軍用設(shè)備的，所以在溫度的規(guī)定上更為苛刻，而JESD22-A104-B是對全球的電子產(chǎn)品所做的規(guī)定，相對來說它比MIL STD-883G要寬松，由表1給出的溫度范圍的數(shù)據(jù)就可以看出，MILSTD-883G3的高溫范圍幾乎為JESD22-A104-B的一倍.在進(jìn)行溫度的選擇時，應(yīng)考慮操作環(huán)境和系統(tǒng)的使用，所以滿足商用品的GB/T2423-2002一般將溫度范圍規(guī)定為0℃~+55℃、-40℃~+85℃，
MIL-STD-883G1010.8在用于民用電子產(chǎn)品時將溫度定為-55℃~+125℃.
溫度的選擇對試驗的循環(huán)次數(shù)和模型的選擇都存在著影響.
2、溫度變化速率
溫度循環(huán)試驗箱的升溫速率及降溫速率與箱內(nèi)的冷卻方式有關(guān)，如果直接采用空氣循環(huán)的冷卻方式，那么升降溫的速率就被限制在5~10℃/min；如果是液氮進(jìn)行冷卻，該值為25~40℃/min.國內(nèi)的溫度循環(huán)試驗箱一般都是采用空氣循環(huán)的方式進(jìn)行冷卻，如RK-TH系列的溫度循環(huán)試驗箱都是采用多翼式送風(fēng)機(jī)強(qiáng)力送風(fēng)循環(huán)，而國外的溫循箱通常采用液氮進(jìn)行冷卻，這樣就可以達(dá)到一個較高的溫變速率.溫度循環(huán)試驗箱冷卻方式的不同使各標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)定溫變速率時也存在了差異.
一般，溫度變化速率的增加有利于激發(fā)潛在缺陷暴露，溫變速率越高，試驗強(qiáng)度就越強(qiáng)，越容易激發(fā)樣品的缺陷；但當(dāng)溫度變化速率達(dá)到某一特定值后，溫度循環(huán)試驗的強(qiáng)度基本上達(dá)到飽和狀態(tài)，試驗樣品對溫度的變化不是很敏感，樣品的溫度變化明顯滯后于溫度循環(huán)試驗箱的溫度變化.
3、暴露時間
高溫( TB)或低溫(TA)下暴露時間t1的長短取決于試驗樣品的熱容量.“熱容量”指系統(tǒng)在某一過程中.溫度升高(或降低)1℃所吸收(或放出)的熱量.如果在一定的過程中，當(dāng)溫度升高△T時，系統(tǒng)從外界吸收的熱量為△Q
，那么在該過程中該系統(tǒng)的熱容量
以低溫箱為例，低溫箱的溫度在TA下保持的時間t1；應(yīng)該包括放人樣品后箱內(nèi)溫度(包括樣品的溫度)穩(wěn)定到TA所需的時間t3和穩(wěn)定后樣品繼續(xù)放的時間t4，t3不應(yīng)該超過t1，的1/10.又因為t3的長短主要由樣品放熱的速度(即熱容量)決定，所以t1也取決于樣品的熱容量.
除此之外，1t與樣品的熱時間常數(shù)也有重要的關(guān)系.熱時間常數(shù)取決于周園介質(zhì)的性質(zhì)和運(yùn)動速度.對于大樣品或設(shè)備而言，其內(nèi)部和外部的熱時間常數(shù)可能相差很大，故以考慮里面的或易受損害的熱時間常數(shù)為主.在溫度變化試驗導(dǎo)則中給出了如下規(guī)定:
若t≥5τ，則d <0.01D；若t1≥2.5τ，則d <0.1D .
式中:t1，為暴露時間；τ為試驗樣品的熱時間常數(shù)；d為試驗介質(zhì)溫度與試驗樣品溫度之差；D為高低溫之差，即TB-TA.
根據(jù)t1與τ的關(guān)系式可知，d越小，試驗持續(xù)的時間就越長.試驗的時間一般為3~5倍的熱時間常數(shù).
熱時間常數(shù)
其中: m為樣品的質(zhì)量，g；C為比熱容，J/(g·℃)；S為散熱面積，cm2； λ為散熱系數(shù)，W·(cm2·℃).這樣t1就與樣品質(zhì)量存在著間接關(guān)系了.
4、轉(zhuǎn)換時間
轉(zhuǎn)換時間t2也與樣品的熱時間常數(shù)有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)中給的t2通常針對常規(guī)大小的樣品，如果遇到了大件樣品或小試驗樣品，可將轉(zhuǎn)換時間t2進(jìn)行適當(dāng)?shù)难娱L或縮短.t2所包括的范圍是從一箱中開始準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移——環(huán)境中停留一一到另一箱中放好這一整個過程的時間.
綜合對t1和t2的分析，三個標(biāo)準(zhǔn)中對暴露時間和轉(zhuǎn)折時間選取的不同可能是因為溫度循環(huán)試驗箱的容積以及樣品的體積存在差異.溫度循環(huán)試驗箱內(nèi)空間容積與試樣樣品體積的比值不同，會導(dǎo)致溫度循環(huán)試驗箱內(nèi)熱容量的不同，這就使暴露時間t1的選取有異；同時，樣品的質(zhì)量會導(dǎo)致τ的不同，進(jìn)而影響到t2.
5、循環(huán)時間
圖3給出的是MIL-STD-883G 1010.8 中測試條件下的一個圖例，可見一個循環(huán)周期由兩個暴露時間t1；和兩個轉(zhuǎn)換時間t2組成.
6、循環(huán)次數(shù)
循環(huán)次數(shù)與試驗中的溫度變化速率、暴露時間等參數(shù)都是相互影響的.如果熱容量較大，溫度變化速率較高，并且樣品在溫度循環(huán)試驗箱中暴露的時間足夠長，這樣在一個循環(huán)周期內(nèi)試驗的強(qiáng)度可足夠大，那么經(jīng)過較少次數(shù)的試驗就能達(dá)到預(yù)期目的.當(dāng)循環(huán)次數(shù)較多時，每一次的溫度變化都會使試樣內(nèi)部出現(xiàn)交替的膨脹和收縮，讓其一直在熱應(yīng)力和應(yīng)變的作用下處于一種疲勞狀態(tài)，所以次數(shù)太多會影響試樣的使用壽命，并且會提高成本，因此一般選擇適當(dāng)?shù)难h(huán)次數(shù).
循環(huán)次數(shù)與溫度范圍之間也存在定量的關(guān)系.Coffin-Manson方程建立了熱應(yīng)力引起的低周疲勞(low cycle fatigue)影響模型 ，其方程為:
式中: Nf，為溫度循環(huán)的次數(shù)；△εp為塑性應(yīng)變；CE，為常數(shù).
塑性應(yīng)變△εp與溫度循環(huán)的范圍△T成正比，故式(3)可以寫成:
式中：△T為溫度范圍；CT為常數(shù).以加速因子的形式改寫式(4)為:
式中: Acm為循環(huán)次數(shù)的加速因子；Nfu為正常使用時至失效為止的循環(huán)次數(shù)；NfA為加速時至失效為止的循環(huán)次數(shù)；△Tu為使用時溫度范圍；△TA為加速時溫度范圍.式(3)和式(4)就反應(yīng)出了循環(huán)次數(shù)與溫度范圍之間的定量關(guān)系.
如果要用較少的循環(huán)次數(shù)來完成實驗，可以通過拓寬溫度范圍來實現(xiàn)同樣的效果；如果實驗的溫度范圍不能設(shè)置太寬，這時可以通過增加循環(huán)次數(shù)來達(dá)到同樣的效果.
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