如何選擇溫度循環試驗的規格參（cān）數
作者：
salmon範
編輯：
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來源：
www.tuyatang.com
發布日期： 2020.10.07
對電子產（chǎn）品而言，周期性溫度變化引發的環境應力對樣品（pǐn）的影響會（huì）根據（jù）試（shì）驗效果的不同而不同，它會（huì）導（dǎo）致樣品的機械性能（néng）(如熱膨脹係數、熱傳導（dǎo）係數、楊氏模量)等存在很大的差異.
在溫度循環試驗中，影響其試驗效果的主要參數是:溫度變（biàn）化範圍、試驗箱的升降溫（wēn）速率（lǜ）、試（shì）驗樣品在高溫或低溫中的暴露時間.轉換時間（jiān）、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)。下麵根據溫度循環試（shì）驗的典型剖麵圖(圖2)對（duì）其（qí）主要參數（shù）進行分析.
1、溫（wēn）度範圍（wéi）
溫度範圍是（shì）指上限（xiàn）溫（wēn）度TM與下限（xiàn）溫度Tt的差值，原則上（shàng）該值越大越（yuè）好，因為溫度越（yuè）高就有越大的熱應（yīng）力（lì）和熱（rè）疲勞的交互作用同時（shí）加在試樣上，對（duì）剔除早起失效的效率也越高.但是對於某些材料（liào），當溫度達到某一（yī）數值時，能誘發一般在設（shè）計（jì）過程中看不到的（de）失（shī）效機製，並且因（yīn）熱膨脹係（xì）數的不同，在（zài）不同的溫度條件下進行試驗時，容易使產品（pǐn）過早失效.
另外，試驗（yàn）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象，這會給樣品額外的應力。所以，溫度範圍的選擇要根據產品的（de）具體情況而（ér）定，試驗溫（wēn）度不能過高也不能太低，應（yīng）該在（zài）不傷害正常產品的前提（tí）下選擇的溫度範圍，一（yī）般在-55~+125℃之間.
由於三個標準初適用（yòng）對象的（de）不同，使所定（dìng）的溫度範圍也不相同.MILSTD-883G初主要是針（zhēn）
對軍（jun1）用設備的，所以（yǐ）在溫（wēn）度的規定上更為苛刻，而（ér）JESD22-A104-B是對全球的電子產品所做的規定，相對來說它比MIL STD-883G要寬鬆，由表1給出的溫度範圍的數據就可以看出（chū），MILSTD-883G3的高溫範圍幾乎為JESD22-A104-B的一倍.在進行溫度的選擇時，應考慮操作環境和係統的使用，所以滿足商用品的GB/T2423-2002一般將溫度範圍規定為0℃~+55℃、-40℃~+85℃，
MIL-STD-883G1010.8在用於民用電子產（chǎn）品時將溫度定為-55℃~+125℃.
溫度的選擇對試驗的（de）循環次數（shù）和模型的選擇都存在著影響.
2、溫（wēn）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（què）方式有關，如果（guǒ）直接采用（yòng）空氣循環的冷卻方式，那麽（me）升降溫的速率就被限製在5~10℃/min；如果是液氮進（jìn）行（háng）冷卻（què），該值為（wéi）25~40℃/min.國內的（de）溫度（dù）循環試驗箱一般都是采用空氣循環的方式進（jìn）行冷卻，如RK-TH係列的溫度循環試（shì）驗箱都是采用多翼式送風機強力送風循環，而國外的溫（wēn）循箱通常采用液（yè）氮進行冷卻，這（zhè）樣就可以達到一個較高（gāo）的溫變速率.溫度循（xún）環（huán）試驗箱（xiāng）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，溫度變化速率的增（zēng）加有利於激發潛在缺（quē）陷暴（bào）露，溫變速率越高（gāo），試驗強度就越強，越容易激發樣品的缺陷；但當溫度變（biàn）化速率達（dá）到某一特定值後，溫度循環試驗的強度基本上達到飽和狀態，試驗樣品對溫度的變化不是很敏（mǐn）感（gǎn），樣品的溫度（dù）變化（huà）明顯滯後（hòu）於溫度循環試驗箱的溫度變化.
3、暴露時間
高溫( TB)或低溫(TA)下暴露時間t1的長短取決於試驗樣品的熱容（róng）量.“熱（rè）容量”指係統在某（mǒu）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，係統從外界吸收的熱量（liàng）為△Q
，那麽在該過程中該係統的（de）熱容量
以低溫箱為例（lì），低溫箱的溫度在TA下保持的時間t1；應該包括放人樣品後箱內溫度(包括樣品的溫度)穩定到TA所需的時間（jiān）t3和穩定後樣品繼續放的時間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（qǔ）決於樣品的熱容量.
除此之外，1t與樣品的熱時間常數也有重（chóng）要的關係.熱時間常數取決於周園介質的性質和（hé）運動速度.對於大樣品或設備而言，其內部和外部的熱時間常數可能相差很大，故以考慮裏麵的或易受損害（hài）的熱時（shí）間（jiān）常數為主.在溫度（dù）變化試驗導則中給出了如下規定:
若t≥5τ，則d <0.01D；若t1≥2.5τ，則d <0.1D .
式（shì）中:t1，為暴露時間；τ為試驗樣（yàng）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（zhī）差，即TB-TA.
根據t1與τ的關係式可知，d越（yuè）小（xiǎo），試驗持續的時間就越長.試驗的時間一般為3~5倍的熱時間（jiān）常數.
熱時間（jiān）常數
其（qí）中（zhōng）: m為樣品的質量，g；C為比熱容，J/(g·℃)；S為散熱麵積，cm²； λ為散熱係數，W·(cm²·℃).這樣t1就與樣品質量存在著間接關係了.
4、轉（zhuǎn）換（huàn）時間
轉換時間t2也與樣品的熱時間常數有關，標準中給（gěi）的t2通常針對（duì）常（cháng）規大（dà）小的樣品，如果遇到（dào）了大件樣品或小試驗樣品，可將轉（zhuǎn）換時間t2進行適當的延長或縮短.t2所包括（kuò）的範圍是從（cóng）一箱中開始準備轉（zhuǎn）移——環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（de）分析，三個標準中對暴（bào）露時間和轉（zhuǎn）折時間選取的不（bú）同（tóng）可能是（shì）因為溫度循環試驗（yàn）箱的容積以及樣（yàng）品的體積存在差異.溫度循環試驗箱內（nèi）空間容積與試樣（yàng）樣品體積的比值不同，會導（dǎo）致（zhì）溫度循環試驗箱內熱（rè）容量的不同，這（zhè）就使暴（bào）露時間t1的選取有異（yì）；同時，樣品的質（zhì）量會導致τ的不同，進而影響（xiǎng）到t2.
5、循環時間
圖3給出的是MIL-STD-883G 1010.8 中測試條件下的一（yī）個圖例，可（kě）見一（yī）個循環周（zhōu）期由兩（liǎng）個暴露時間t1；和兩（liǎng）個轉換時間t2組成.
6、循環次數
循環次數與試驗中的溫度變化速率、暴露時間等參數都（dōu）是（shì）相互影響的.如果熱容量（liàng）較大，溫度變化速率較高，並且樣（yàng）品在溫度循環試（shì）驗箱中暴露的時間足夠長，這樣在一個循（xún）環周期（qī）內試驗的強度可足夠大，那麽經過（guò）較少次數的試驗就能達到預期目的.當循環次數較多時，每一次的（de）溫度變化都會使試樣內部出現交（jiāo）替的膨脹和收縮，讓其一直在熱應力和應變的作用（yòng）下處於一種疲勞狀態，所以次數太多會影響試樣的使用壽命，並且會提高成本，因此一般選擇適當的循環次數.
循環次數與溫度範圍之間也存在定量的關係.Coffin-Manson方程建立了熱應力（lì）引起的低周疲勞(low cycle fatigue)影響模型 ，其方程為:
式（shì）中: Nf，為溫（wēn）度循（xún）環的次數；△εp為塑性應變；CE，為常數.
塑性應變△εp與溫度循（xún）環的範圍△T成正比，故式(3)可以寫成:
式中：△T為溫度範圍（wéi）；CT為常數.以加速因子的形式改寫式(4)為:
式中: Acm為循環（huán）次數的加速因子；Nfu為正（zhèng）常（cháng）使用時至失效為止的循（xún）環次數；NfA為加速時至失效為止的循環次數；△Tu為使用時溫度範圍；△TA為加速時（shí）溫度範圍.式(3)和式(4)就反應出了（le）循環（huán）次數（shù）與溫度範圍之（zhī）間的定量關（guān）係.
如果要用（yòng）較少的循環次（cì）數來完成實驗，可以通過拓寬溫度範圍來實（shí）現同樣的效果；如果實驗（yàn）的溫度範圍不能設（shè）置太寬，這時可以（yǐ）通過（guò）增加循環次數來達到同樣的效果.
