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：
litaoweb.cn
發(fā)布日期： 2020.10.07
對電子產品而言，周期性溫度變化引發(fā)的環(huán)境應力對樣品的影響會根據(jù)試驗效果的不同而不同，它會導致樣品的機械性能(如熱膨脹系數(shù)、熱傳導系數(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中給出了相關的參考標準，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，當溫度達到某一數(shù)值時，能誘發(fā)一般在設計過程中看不到的失效機制，并且因熱膨脹系數(shù)的不同，在不同的溫度條件下進行試驗時，容易使產品過早失效.
另外，試驗的升溫和降溫過程容易在元件或設備上產生凝露或結霜現(xiàn)象，這會給樣品額外的應力。所以，溫度范圍的選擇要根據(jù)產品的具體情況而定，試驗溫度不能過高也不能太低，應該在不傷害正常產品的前提下選擇的溫度范圍，一般在-55~+125℃之間.
由于三個標準初適用對象的不同，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.在進行溫度的選擇時，應考慮操作環(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的冷卻方式有關，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；如果是液氮進行冷卻，該值為25~40℃/min.國內的溫度循環(huán)試驗箱一般都是采用空氣循環(huán)的方式進行冷卻，如RK-TH系列的溫度循環(huán)試驗箱都是采用多翼式送風機強力送風循環(huán)，而國外的溫循箱通常采用液氮進行冷卻，這樣就可以達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準在規(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，試驗強度就越強，越容易激發(fā)樣品的缺陷；但當溫度變化速率達到某一特定值后，溫度循環(huán)試驗的強度基本上達到飽和狀態(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；應該包括放人樣品后箱內溫度(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)也有重要的關系.熱時間常數(shù)取決于周園介質的性質和運動速度.對于大樣品或設備而言，其內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就與樣品質量存在著間接關系了.
4、轉換時間
轉換時間t2也與樣品的熱時間常數(shù)有關，標準中給的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，可將轉換時間t2進行適當?shù)难娱L或縮短.t2所包括的范圍是從一箱中開始準備轉移——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，三個標準中對暴露時間和轉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)試驗箱內空間容積與試樣樣品體積的比值不同，會導致溫度循環(huán)試驗箱內熱容量的不同，這就使暴露時間t1的選取有異；同時，樣品的質量會導致τ的不同，進而影響到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)周期內試驗的強度可足夠大，那么經過較少次數(shù)的試驗就能達到預期目的.當循環(huán)次數(shù)較多時，每一次的溫度變化都會使試樣內部出現(xiàn)交替的膨脹和收縮，讓其一直在熱應力和應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?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系.Coffin-Manson方程建立了熱應力引起的低周疲勞(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為塑性應變；CE，為常數(shù).
塑性應變△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)就反應出了循環(huán)次數(shù)與溫度范圍之間的定量關系.
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置太寬，這時可以通過增加循環(huán)次數(shù)來達到同樣的效果.
客服微信
