如何選擇溫度循環試驗的規格參數
作者：
salmon范
編輯：
瑞凱(kai)儀器
來源(yuan)：
bibil.cn
發布日期： 2020.10.07
對(dui)電子產品(pin)而(er)言(yan)，周(zhou)期性(xing)溫度變化引(yin)發(fa)的環境應力對(dui)樣品(pin)的影響(xiang)會根據試驗效果的不(bu)同(tong)而(er)不(bu)同(tong)，它會導(dao)致樣品(pin)的機械性(xing)能(如熱膨(peng)脹系(xi)數、熱傳導(dao)系(xi)數、楊(yang)氏(shi)模量)等存在很大(da)的差異(yi).
在溫度循環試驗中，影響其試驗效果的主要參數是: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、試驗的循環次數。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)。下面根據溫度循環試驗的典型剖面圖(圖2)對其主要參數進行分析.
1、溫度范圍
溫(wen)(wen)度范圍是(shi)指上限溫(wen)(wen)度TM與下限溫(wen)(wen)度Tt的差值，原則上該值越大(da)越好，因(yin)為溫(wen)(wen)度越高就有越大(da)的熱(re)應力(li)和熱(re)疲勞(lao)的交互作用同(tong)時加在試樣上，對(dui)剔(ti)除(chu)早(zao)起失效(xiao)(xiao)(xiao)的效(xiao)(xiao)(xiao)率也越高.但是(shi)對(dui)于某些材料，當溫(wen)(wen)度達到某一數(shu)值時，能誘發(fa)一般在設(she)計過(guo)程中(zhong)看(kan)不(bu)到的失效(xiao)(xiao)(xiao)機制，并且因(yin)熱(re)膨(peng)脹系數(shu)的不(bu)同(tong)，在不(bu)同(tong)的溫(wen)(wen)度條件下進行試驗時，容易使產品過(guo)早(zao)失效(xiao)(xiao)(xiao).
另外，試驗的(de)(de)升溫(wen)和降溫(wen)過程(cheng)容易在元件或設備上產生凝露或結霜(shuang)現象(xiang)，這會給(gei)樣品(pin)額外的(de)(de)應力。所以，溫(wen)度(du)范圍的(de)(de)選擇要根據產品(pin)的(de)(de)具體情況而定，試驗溫(wen)度(du)不(bu)能(neng)過高也不(bu)能(neng)太低，應該在不(bu)傷害正常(chang)產品(pin)的(de)(de)前(qian)提下選擇的(de)(de)溫(wen)度(du)范圍，一般(ban)在-55~+125℃之間(jian).
由于(yu)三個標(biao)準初適(shi)用對象的(de)不同(tong)，使(shi)所定(ding)的(de)溫度范圍(wei)也不相同(tong).MILSTD-883G初主要是針
對(dui)軍用(yong)設(she)備(bei)的(de)(de)(de)，所以在(zai)溫(wen)度的(de)(de)(de)規(gui)(gui)定(ding)(ding)(ding)上更為(wei)(wei)苛(ke)刻，而JESD22-A104-B是對(dui)全球的(de)(de)(de)電子(zi)產(chan)品(pin)所做的(de)(de)(de)規(gui)(gui)定(ding)(ding)(ding)，相(xiang)對(dui)來(lai)說(shuo)它比(bi)MIL STD-883G要寬(kuan)松，由表1給出的(de)(de)(de)溫(wen)度范圍的(de)(de)(de)數據就可以看出，MILSTD-883G3的(de)(de)(de)高溫(wen)范圍幾乎為(wei)(wei)JESD22-A104-B的(de)(de)(de)一(yi)(yi)倍.在(zai)進行溫(wen)度的(de)(de)(de)選擇時(shi)，應考(kao)慮操(cao)作環境和系統的(de)(de)(de)使用(yong)，所以滿足商(shang)用(yong)品(pin)的(de)(de)(de)GB/T2423-2002一(yi)(yi)般將溫(wen)度范圍規(gui)(gui)定(ding)(ding)(ding)為(wei)(wei)0℃~+55℃、-40℃~+85℃，
MIL-STD-883G1010.8在(zai)用(yong)于民用(yong)電子(zi)產(chan)品(pin)時(shi)將溫(wen)度定(ding)(ding)(ding)為(wei)(wei)-55℃~+125℃.
溫度的(de)選擇(ze)對試驗的(de)循(xun)環次數(shu)和模型的(de)選擇(ze)都存在(zai)著影響.
2、溫度(du)變化速率(lv)
溫度循環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.國內的溫度循環試驗箱一般都是采用空氣循環的方式進行冷卻，如RK-TH系列的溫度循環試驗箱都是采用多翼式送風機強力送風循環，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.溫度循環試驗箱冷卻方式的不同使各標準在規定溫變速率時也存在了差異.
一般，溫度(du)變(bian)(bian)(bian)(bian)化速率(lv)的(de)增加有利(li)于激發(fa)潛(qian)在缺陷暴露，溫變(bian)(bian)(bian)(bian)速率(lv)越高，試驗(yan)(yan)強(qiang)(qiang)度(du)就越強(qiang)(qiang)，越容易激發(fa)樣(yang)品的(de)缺陷；但當溫度(du)變(bian)(bian)(bian)(bian)化速率(lv)達到某一特定值后(hou)，溫度(du)循環試驗(yan)(yan)的(de)強(qiang)(qiang)度(du)基(ji)本上達到飽和狀態，試驗(yan)(yan)樣(yang)品對溫度(du)的(de)變(bian)(bian)(bian)(bian)化不是很敏感，樣(yang)品的(de)溫度(du)變(bian)(bian)(bian)(bian)化明顯滯后(hou)于溫度(du)循環試驗(yan)(yan)箱的(de)溫度(du)變(bian)(bian)(bian)(bian)化.
3、暴(bao)露(lu)時間
; 高溫(wen)( TB)或低溫(wen)(TA)下暴(bao)露時間t1的(de)長(chang)短取決于試(shi)驗樣品(pin)的(de)熱(re)容量.“熱(re)容量”指(zhi)系統(tong)在某一過程(cheng)中.溫(wen)度(du)(du)升高(或降低)1℃所吸(xi)收(或放出)的(de)熱(re)量.如(ru)果在一定(ding)的(de)過程(cheng)中，當溫(wen)度(du)(du)升高△T時，系統從外界吸(xi)收的(de)熱(re)量為△Q
，那么在該過程(cheng)中該系統的(de)熱(re)容量
以低溫(wen)(wen)(wen)箱(xiang)為(wei)例，低溫(wen)(wen)(wen)箱(xiang)的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)在TA下保持(chi)的(de)(de)(de)時間(jian)(jian)t1；應該包括放(fang)人樣(yang)品(pin)后(hou)箱(xiang)內(nei)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(包括樣(yang)品(pin)的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du))穩定(ding)到TA所(suo)需的(de)(de)(de)時間(jian)(jian)t3和穩定(ding)后(hou)樣(yang)品(pin)繼(ji)續放(fang)的(de)(de)(de)時間(jian)(jian)t4，t3不應該超過t1，的(de)(de)(de)1/10.又因為(wei)t3的(de)(de)(de)長短主要(yao)由樣(yang)品(pin)放(fang)熱的(de)(de)(de)速度(du)(du)(du)(即熱容(rong)量(liang))決(jue)定(ding)，所(suo)以t1也取決(jue)于樣(yang)品(pin)的(de)(de)(de)熱容(rong)量(liang).
;除此之外，1t與樣品(pin)的(de)(de)(de)熱時間(jian)(jian)常(chang)數也有重要的(de)(de)(de)關系.熱時間(jian)(jian)常(chang)數取決(jue)于(yu)周園介(jie)質的(de)(de)(de)性質和(he)運動(dong)速度.對于(yu)大樣品(pin)或設備而(er)言，其(qi)內部(bu)和(he)外部(bu)的(de)(de)(de)熱時間(jian)(jian)常(chang)數可能(neng)相差很大，故(gu)以考慮里面的(de)(de)(de)或易受損害(hai)的(de)(de)(de)熱時間(jian)(jian)常(chang)數為主(zhu).在溫度變化(hua)試驗(yan)導則(ze)中給(gei)出了如下規定:
若t≥5τ，則(ze)(ze)d <0.01D；若t1≥2.5τ，則(ze)(ze)d <0.1D .
;式中:t1，為(wei)暴露(lu)時(shi)間；τ為(wei)試(shi)驗(yan)樣(yang)品(pin)(pin)的熱(re)時(shi)間常數；d為(wei)試(shi)驗(yan)介質溫度與試(shi)驗(yan)樣(yang)品(pin)(pin)溫度之(zhi)差；D為(wei)高低溫之(zhi)差，即TB-TA.
根據t1與τ的(de)關系式可(ke)知，d越小，試(shi)驗持(chi)續(xu)的(de)時(shi)間(jian)就越長.試(shi)驗的(de)時(shi)間(jian)一(yi)般(ban)為3~5倍的(de)熱時(shi)間(jian)常數.
熱時間常數
其中(zhong): m為樣品的質量，g；C為比熱容(rong)，J/(g·℃)；S為散熱面積(ji)，cm2； λ為散熱系(xi)數，W·(cm2·℃).這樣t1就與樣品質量存(cun)在著間接關(guan)系(xi)了.
4、轉(zhuan)換時間
轉換時間(jian)t2也與樣品(pin)(pin)的(de)(de)熱(re)時間(jian)常(chang)(chang)數有關，標準(zhun)中給的(de)(de)t2通(tong)常(chang)(chang)針對(dui)常(chang)(chang)規(gui)大小(xiao)的(de)(de)樣品(pin)(pin)，如果(guo)遇到(dao)了大件樣品(pin)(pin)或(huo)小(xiao)試驗樣品(pin)(pin)，可將轉換時間(jian)t2進行適當的(de)(de)延長或(huo)縮短.t2所包括的(de)(de)范圍是從(cong)一(yi)箱中開(kai)始準(zhun)備轉移——環(huan)境中停留一(yi)一(yi)到(dao)另(ling)一(yi)箱中放好(hao)這一(yi)整(zheng)個過(guo)程的(de)(de)時間(jian).
綜合(he)對(dui)t1和t2的(de)(de)(de)分析(xi)，三(san)個標準中對(dui)暴露(lu)時(shi)間和轉(zhuan)折時(shi)間選取(qu)的(de)(de)(de)不(bu)同(tong)可(ke)能是因為溫度(du)循環試驗箱(xiang)的(de)(de)(de)容積(ji)以(yi)及樣品的(de)(de)(de)體積(ji)存在差異.溫度(du)循環試驗箱(xiang)內空間容積(ji)與試樣樣品體積(ji)的(de)(de)(de)比值(zhi)不(bu)同(tong)，會(hui)導致(zhi)(zhi)溫度(du)循環試驗箱(xiang)內熱容量的(de)(de)(de)不(bu)同(tong)，這就使暴露(lu)時(shi)間t1的(de)(de)(de)選取(qu)有異；同(tong)時(shi)，樣品的(de)(de)(de)質量會(hui)導致(zhi)(zhi)τ的(de)(de)(de)不(bu)同(tong)，進(jin)而影響到(dao)t2.
5、循環時間
圖3給出的是MIL-STD-883G 1010.8 中測(ce)試條件下的一個圖例，可(ke)見一個循環周期由(you)兩(liang)個暴露時(shi)間t1；和(he)兩個轉換時(shi)間t2組(zu)成.
6、循環次(ci)數(shu)
循(xun)環次(ci)(ci)數(shu)(shu)與試(shi)(shi)驗(yan)中的(de)溫(wen)(wen)度(du)變化(hua)速率、暴(bao)露時間等(deng)參數(shu)(shu)都是相(xiang)互(hu)影(ying)響的(de).如(ru)果(guo)熱容量較(jiao)大，溫(wen)(wen)度(du)變化(hua)速率較(jiao)高，并(bing)且樣(yang)(yang)品(pin)在溫(wen)(wen)度(du)循(xun)環試(shi)(shi)驗(yan)箱中暴(bao)露的(de)時間足夠長，這樣(yang)(yang)在一(yi)個循(xun)環周期(qi)內(nei)試(shi)(shi)驗(yan)的(de)強(qiang)度(du)可足夠大，那(nei)么經(jing)過(guo)較(jiao)少次(ci)(ci)數(shu)(shu)的(de)試(shi)(shi)驗(yan)就能達到預期(qi)目的(de).當(dang)循(xun)環次(ci)(ci)數(shu)(shu)較(jiao)多時，每一(yi)次(ci)(ci)的(de)溫(wen)(wen)度(du)變化(hua)都會(hui)(hui)使試(shi)(shi)樣(yang)(yang)內(nei)部出現交(jiao)替(ti)的(de)膨脹(zhang)和(he)(he)收(shou)縮(suo)，讓(rang)其一(yi)直在熱應力和(he)(he)應變的(de)作用下處于(yu)一(yi)種疲勞(lao)狀態，所以次(ci)(ci)數(shu)(shu)太多會(hui)(hui)影(ying)響試(shi)(shi)樣(yang)(yang)的(de)使用壽命(ming)，并(bing)且會(hui)(hui)提高成(cheng)本，因此(ci)一(yi)般選擇適當(dang)的(de)循(xun)環次(ci)(ci)數(shu)(shu).
循環(huan)次數(shu)與溫度范圍之(zhi)間(jian)也存(cun)在定量的關系(xi).Coffin-Manson方(fang)程(cheng)建立了熱(re)應(ying)力(li)引起的低周疲勞(low cycle fatigue)影響(xiang)模型 ，其(qi)方(fang)程(cheng)為(wei):
式中: Nf，為(wei)溫度(du)循環的次數(shu)；△εp為(wei)塑性應變；CE，為(wei)常數(shu).
塑性應變△εp與(yu)溫度循環的范圍(wei)△T成(cheng)正比，故式(3)可以寫(xie)成(cheng):
式中(zhong)：△T為溫度范(fan)圍；CT為常數(shu).以加速因子的形式改寫式(4)為:
式(shi)中: Acm為(wei)循(xun)環(huan)次(ci)(ci)(ci)數(shu)的(de)(de)加速因子；Nfu為(wei)正常使用時至失(shi)效為(wei)止(zhi)的(de)(de)循(xun)環(huan)次(ci)(ci)(ci)數(shu)；NfA為(wei)加速時至失(shi)效為(wei)止(zhi)的(de)(de)循(xun)環(huan)次(ci)(ci)(ci)數(shu)；△Tu為(wei)使用時溫度(du)范圍；△TA為(wei)加速時溫度(du)范圍.式(shi)(3)和式(shi)(4)就(jiu)反(fan)應出了循(xun)環(huan)次(ci)(ci)(ci)數(shu)與(yu)溫度(du)范圍之間的(de)(de)定(ding)量關系.
如(ru)果(guo)要用較少的循環(huan)次數來完(wan)成(cheng)實(shi)驗，可(ke)以通過拓(tuo)寬溫(wen)度范圍來實(shi)現同樣的效果(guo)；如(ru)果(guo)實(shi)驗的溫(wen)度范圍不能(neng)設置太(tai)寬，這時(shi)可(ke)以通過增加循環(huan)次數來達到同樣的效果(guo).
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