如何選擇溫度循（xún）環試驗的規格（gé）參數
作者：
salmon範
編輯：
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來源：
www.tuyatang.com
發布日期： 2020.10.07
對電子產品而言，周期性溫度變化引發的環境應力對樣品的影響會根據試驗效果的不同而不同，它會導致樣品的機械性能(如熱膨脹係數、熱傳導係數、楊氏模量（liàng）)等（děng）存在很大的差異.
在溫度循環試驗中，影響（xiǎng）其試驗效果的主要參數是:溫度變化範（fàn）圍、試驗箱的升（shēng）降溫速率、試驗樣（yàng）品在高（gāo）溫或低溫（wēn）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（chū）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驗的典型剖麵圖(圖2)對其（qí）主要參數進行（háng）分析.
1、溫度範圍
溫度範圍是（shì）指上限（xiàn）溫度TM與下限溫度Tt的（de）差值，原則上該值越大越好，因為溫度越高就（jiù）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（lǜ）也越高.但（dàn）是對於某些材料，當溫度達到某一數值時，能誘（yòu）發一般在設計過程中看不到的失效（xiào）機製，並且因熱膨脹係數（shù）的（de）不同，在不同的溫度條件下進（jìn）行試驗時（shí），容易使產品過早失效.
另外，試驗的升溫和降溫過程（chéng）容易在元件或（huò）設備上（shàng）產生凝（níng）露或結霜現象，這會給樣品額外的應（yīng）力。所以，溫度範圍的選擇要根據產品的具體情況而定，試驗溫度不能（néng）過高也不能太（tài）低，應該（gāi）在不（bú）傷（shāng）害正（zhèng）常產品的前提下選擇的溫度範圍，一般在-55~+125℃之間.
由於三個標準初（chū）適用對象的不同，使所定的溫度範圍也不（bú）相同.MILSTD-883G初主要是針
對軍用（yòng）設備的，所以在溫度的規定上更為苛刻（kè），而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（jiù）可以看出，MILSTD-883G3的高溫範圍幾乎（hū）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在用於民用電子產品時將溫度定為-55℃~+125℃.
溫度（dù）的選擇對試驗的循環次數和模型的選擇都存在著影響.
2、溫度變化（huà）速率
溫度循環（huán）試驗箱的升溫速率及（jí）降溫（wēn）速（sù）率與箱內的冷卻方式有關（guān），如果（guǒ）直接采用空氣循環的冷卻方式，那麽升降（jiàng）溫的速率就被限製在5~10℃/min；如果是液氮進行（háng）冷卻，該值（zhí）為25~40℃/min.國（guó）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係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（ér）國外的溫（wēn）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（fāng）式的不（bú）同使各標準在規定溫變速率時也存在了差異.
一般，溫度（dù）變化速率（lǜ）的增加有利於激發潛在缺陷暴露，溫變速率越（yuè）高，試驗強（qiáng）度就越強，越容易激發樣品的缺陷；但當溫度變化速率達到某（mǒu）一特定值後，溫度循（xún）環試驗的強度基本（běn）上達到飽和狀態，試驗（yàn）樣品對溫度的變化不是很敏感，樣（yàng）品的溫度變（biàn）化明顯滯後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量.“熱容量”指係統（tǒng）在某一過程中.溫度升高(或降低)1℃所吸收(或放（fàng）出)的熱量.如果在一定的過程中，當溫度（dù）升高△T時，係統從外界吸收的熱量為（wéi）△Q
，那麽在該過程中該係統（tǒng）的熱容（róng）量
以低溫（wēn）箱為例（lì），低溫箱的溫度在TA下保持的時間t1；應該包括（kuò）放人樣（yàng）品後箱內溫度(包（bāo）括樣品的溫度)穩定到TA所需的時間t3和（hé）穩定後樣品繼續放的時間（jiān）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（sù）度(即熱容（róng）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（pǐn）的熱（rè）時間（jiān）常數也有重要的（de）關係.熱時間常數取決（jué）於周園介質的性質和（hé）運動速（sù）度（dù）.對於大樣品或（huò）設備而言，其內部（bù）和外（wài）部的熱時間常數可能相差很大，故以考慮裏麵的或易（yì）受損害的熱時間常數為主.在溫度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 .
式中（zhōng）:t1，為（wéi）暴露時間；τ為試驗樣品的熱時（shí）間常數；d為試（shì）驗介質（zhì）溫度與試驗樣（yàng）品溫度（dù）之差；D為高低溫之差，即TB-TA.
根據t1與τ的關係式可知，d越小，試驗（yàn）持續的時間就越長.試驗的時間一（yī）般為3~5倍的熱時間常數.
熱時間常數
其中: 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（rè）係數，W·(cm²·℃).這樣t1就與樣品質量存在著間接關係（xì）了.
4、轉換時間
轉換時間t2也與樣品的熱時間常數有關，標準中給的t2通常針（zhēn）對常規（guī）大小的樣品，如果遇到了大件樣品或小試驗（yàn）樣品，可將（jiāng）轉換時間t2進行適當的延長或縮短.t2所包括的範圍是從一箱中開始準備轉移——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的分析，三個標準中對暴露（lù）時間和轉折時間選取的不同可能是因為溫度循環試驗箱的容積以及樣品的體積存（cún）在差異.溫度（dù）循環試驗箱內空間容積與試（shì）樣樣品體積（jī）的比值不同，會導致溫（wēn）度循（xún）環試驗（yàn）箱內熱容量的不同，這就使暴露時（shí）間t1的選取有異；同時，樣（yàng）品的質量會導致τ的不（bú）同，進而影響到t2.
5、循環時間
圖3給出的是MIL-STD-883G 1010.8 中測試條件下的一個圖例，可見一個循環周期由兩個暴露時間t1；和兩（liǎng）個轉換時（shí）間t2組成.
6、循環次數
循環次數與試驗中的溫度變化（huà）速率、暴露時間等參數都是相互影響的.如果熱容量較大，溫度變化速率較高，並且樣品在溫度循環試驗（yàn）箱中暴露的時間足（zú）夠長，這樣在一個循環周期內試驗的強度可（kě）足夠大（dà），那麽經過較少次數的試驗就能達到預期目的（de）.當循環次數較多（duō）時，每一（yī）次（cì）的溫度變化（huà）都會使試樣（yàng）內部出現交替的膨脹和收縮，讓其一直在熱應力和（hé）應變的作用下處於一種疲勞（láo）狀態，所（suǒ）以次數太多會影響試樣的使用壽命，並且（qiě）會提高成本，因此一般選擇適當的循（xún）環次數.
循環次數與溫度範圍之間也存在定量的關（guān）係.Coffin-Manson方程建立了熱（rè）應力引起的低周疲勞(low cycle fatigue)影響模型 ，其方程為（wéi）:
式中: Nf，為溫度循環的次數；△εp為塑性應變；CE，為常數.
塑性應變△εp與溫度循環（huán）的範圍△T成正比，故式(3)可以寫成:
式中：△T為溫度範圍；CT為常（cháng）數.以加速因子（zǐ）的形式改寫式(4)為:
式中: Acm為循環次數的（de）加（jiā）速因子；Nfu為正常使用時至失效為止的循（xún）環次數；NfA為加速時至失效（xiào）為止（zhǐ）的循環次數；△Tu為使用時溫度範圍（wéi）；△TA為加速時溫度範圍.式(3)和式(4)就反應出了循環次數與（yǔ）溫度範（fàn）圍之間的定量關係.
如果（guǒ）要用較（jiào）少的循環（huán）次數來完成（chéng）實驗，可以通過拓寬溫度範圍來實現同樣的（de）效果；如果實驗的溫度範圍（wéi）不能設置太寬，這時（shí）可以通（tōng）過增加循環次數來（lái）達到同樣的效果（guǒ）.
