Как проверить надежность автомобильной электроники с помощью камеры для испытаний на термоудар при высоких и низких температурах (ISO 16750-4)

Резюме
Автомобильные электронные устройства работают в сложных природных климатических условиях. Чередование дня и ночи, а также сезонные изменения в транспортных средствах могут приводить к резким и внезапным перепадам температуры. Различия в коэффициентах теплового расширения различных материалов могут вызывать отказы, такие как растрескивание паяных соединений, нарушение герметичности и ухудшение электрических характеристик. ISO 16750-4, являясь важным международным стандартом для климатических испытаний электрического и электронного оборудования дорожных транспортных средств, четко определяет требования к испытаниям на термический удар и быстрое изменение температуры для оценки надежности работы бортовых электронных компонентов в условиях чередующихся экстремальных перепадов температур. Камера для испытаний на термический удар при высоких и низких температурах является основным оборудованием для моделирования окружающей среды в таких испытаниях. LISUN HLST-500D Камера для испытаний на термоудар в условиях высоких и низких температур относится к двухзонной модели серии HLST. Она позволяет осуществлять мгновенное переключение температур в широком диапазоне от -50℃ до 150℃ и воспроизводит условия экстремально быстрой разницы температур, характерные для эксплуатации реальных автомобилей, благодаря механизму челночного перемещения корзины. В соответствии с требованиями стандарта ISO 16750-4, в данной статье описывается принцип работы, аппаратные характеристики и процесс проведения испытаний камеры для испытаний на термоудар в условиях высоких и низких температур, а также анализируется ее практическое применение для проверки надежности автомобильных микроконтроллеров, бортовых дисплеев, ламповых блоков, печатных плат и других компонентов. Статья служит справочным материалом для научно-исследовательских и контрольно-измерительных лабораторий автомобильной электроники при проведении стандартизированных испытаний на термоудар. 

Введение

С непрерывным развитием автомобильной интеллектуальной системы и электрификации количество электронных компонентов, устанавливаемых на автомобили, постоянно растет. Микроконтроллеры, бортовые дисплеи, модули управления батареями, блоки управления освещением и другие электронные компоненты устанавливаются в различных областях, таких как салон, моторный отсек и шасси, и подвергаются сильным термическим ударам. Когда автомобили стоят на открытом воздухе зимой, температура компонентов может опускаться до -40℃ или даже ниже. После запуска автомобиля тепло от двигателя и прямые солнечные лучи могут быстро повысить температуру компонентов выше 85℃, создавая огромную разницу температур за короткий период времени. Несоответствие коэффициентов теплового расширения различных материалов приводит к накоплению внутреннего напряжения от многократного теплового расширения и сжатия, что приводит к скрытым дефектам, включая микротрещины в паяных соединениях печатных плат, растрескивание уплотнений корпуса и изменение параметров компонентов. Такие дефекты могут не выявляться при обычных испытаниях на циклические перепады температур и могут быть эффективно имитированы только испытаниями на термический удар с мгновенным переключением высоких и низких температур.

В стандарте ISO 16750-4 для испытаний бортовой электроники на климатические нагрузки указаны многочисленные виды испытаний, включая испытание при постоянной температуре, испытание на ступенчатое изменение температуры, испытание на циклическое изменение температуры и испытание на термоудар. Среди них испытание на термоудар в основном оценивает устойчивость образцов к резким перепадам температуры и накладывает строгие ограничения на время переключения температуры оборудования, время восстановления температуры и равномерность температуры в камере. Обычные камеры высоких и низких температур имеют ограниченные скорости нагрева и охлаждения и не могут обеспечить высокоскоростное переключение между высокотемпературными и низкотемпературными средами, что не позволяет выполнить условия испытания на термоудар, указанные в стандарте. Высокотемпературная и термоударная камера Разработанная специально для условий мгновенных перепадов температуры, эта модель подразделяется на два типа: двухзонная (тип D) и трехзонная (тип T). В двухзонной модели используется корзина для образцов, позволяющая быстро перемещать образцы между высокотемпературной и низкотемпературной зонами; в трехзонной модели образцы остаются неподвижными в зоне испытаний, а воздействие термического удара достигается за счет переключения потоков горячего и холодного воздуха. Обе конструкции позволяют осуществлять экстремальные перепады температур за короткое время и соответствуют требованиям стандарта ISO 16750-4 к испытаниям на термический удар. LISUN Камера термоударных испытаний серии HLST для высоких и низких температур использует импортные компрессорные узлы и интеллектуальную сенсорную систему управления, а также оснащена полным комплектом механизмов защиты. Она может использоваться как для лабораторных исследований и испытаний мелкосерийных образцов, так и для проверки надежности компонентов массового производства на производственных линиях, и широко применяется в испытаниях на соответствие стандартам в автомобильной электронике, аэрокосмической отрасли, производстве полупроводниковых компонентов и других отраслях.

HLST-500D-C_Камера термошока для высоких и низких температур

Требования к оборудованию в соответствии со стандартом ISO 16750-4 для камер термошока при высоких и низких температурах.

В соответствии с пунктами стандарта ISO 16750-4, касающимися испытаний на термоудар, образцы автомобильной электроники должны попеременно подвергаться воздействию заданных высоких и низких экстремальных температур. Время переноса образцов из одной температурной зоны в другую должно строго контролироваться. После попадания образцов в целевую камеру они должны достичь целевой температуры испытания в течение заданного времени восстановления. Чрезмерно длительное время переноса приведет к медленному изменению температуры образцов и не позволит имитировать термоударное воздействие в реальных условиях. Несоответствующее время восстановления температуры или плохая равномерность температуры внутри камеры приведут к непостоянному термическому воздействию на разные образцы в одной партии, что сделает результаты испытаний несопоставимыми.

Стандарт также требует полной регистрации температурных кривых на протяжении всего испытания для обеспечения возможности отслеживания результатов в дальнейшем. Поэтому камера для испытаний на высоко- и низкотемпературный термический удар должна иметь программируемые функции, позволяющие свободно устанавливать время выдержки при высоких/низких температурах и циклы термического удара, а также поддерживать хранение и экспорт данных о температуре. Для бортовых компонентов, установленных в моторных отсеках и шасси, обычно используется диапазон температур термического удара от -40℃ до 125℃; для компонентов внутри салона обычно используется диапазон от -20℃ до 85℃ для проверки термического удара. Во время испытания образцы не должны контактировать с воздуховодом камеры, а положение при размещении должно обеспечивать достаточную циркуляцию воздуха во избежание аномальной локальной температуры. Традиционное оборудование для испытаний в условиях окружающей среды с трудом может удовлетворить множество требований, включая вторичную передачу, быстрое восстановление температуры и длительную непрерывную циклическую работу. В отличие от них, камеры для испытаний на высоко- и низкотемпературный термический шок серии HLST имеют время преобразования температуры ≤10 секунд и время восстановления температуры ≤5 минут для двухзонных моделей, с колебаниями температуры ≤±0.5℃ и равномерностью температуры ≤2℃. Их аппаратные характеристики соответствуют ограничениям оборудования для испытаний на термический шок, указанным в ISO 16750-4.

Аппаратная архитектура и параметры производительности HLST-500D Высокотемпературная и термоударная камера

HLST-500D Это двухзонная (тип D) камера для термического шока при высоких и низких температурах. Оборудование оснащено независимой высокотемпературной и низкотемпературной камерами, а также автоматически перемещающейся корзиной для образцов. Во время испытания образцы фиксируются внутри корзины. Механизм автоматического перемещения корзины быстро отправляет тестируемые образцы в предварительно нагретую высокотемпературную камеру или предварительно охлажденную низкотемпературную камеру, так что образцы непосредственно подвергаются воздействию экстремальных температур для завершения термического шока. В системе охлаждения используются герметичные каскадные компрессоры французской компании TECUMSEH или немецкой Bitzer, обеспечивающие стабильное поддержание низкой температуры в низкотемпературной камере на уровне -50℃. Нагревательный блок использует независимые нихромовые электрические нагреватели с высокой эффективностью нагрева и стабильной температурой. Внешний корпус изготовлен из высококачественной углеродистой стали с фосфатным электростатическим напылением. Внутренняя полость изготовлена ​​из нержавеющей стали SUS304, устойчивой к термическому старению и легко очищаемой. Теплоизоляционный слой представляет собой композит из жесткого пенополиуретана и тонкого стекловолокна, что снижает теплообмен между горячей и холодной камерами и сокращает энергопотребление оборудования.

Система управления использует разработанный нами цветной жидкокристаллический сенсорный экран с разрешением отображения температуры 0.1℃. Длительность тестирования может быть свободно установлена ​​в диапазоне 0.1–999.9 ч/м/с. Установлены платиновые резистивные датчики температуры PT100Ω/MV, отличающиеся высокой устойчивостью к электромагнитным помехам и точностью измерения температуры. Устройство имеет многоуровневую защиту от утечек, короткого замыкания, перегрева нагревателя, перегрева двигателя, а также избыточного давления и перегрузки по току компрессора. При ненормальных условиях работы автоматически срабатывает сигнализация, гарантируя безопасность оборудования и образцов во время длительных циклических испытаний без участия оператора. В таблице ниже приведены основные технические характеристики основных моделей. LISUN Камера термошока для высоких и низких температур серии HLST. HLST-500D Обладает большим рабочим объемом камеры, что делает его подходящим для проведения серийных испытаний на термоударную прочность электронных компонентов среднего размера, используемых в автомобильной электронике, таких как бортовые модули, экраны дисплеев и световые блоки.

Точки реализации испытания на термоудар ISO 16750-4 с использованием камер для испытаний на термоудар при высоких и низких температурах.

Перед проведением формальных испытаний на термоудар автомобильной электроники необходимо провести предварительную проверку высокотемпературной и низкотемпературной камер для испытаний на термоудар. Условия установки оборудования должны поддерживаться при температуре окружающей среды 5–30 °C, относительной влажности не выше 85 %, с хорошей вентиляцией и достаточным пространством для отвода тепла, чтобы избежать снижения эффективности охлаждения и нагрева из-за плохого теплоотвода. Необходимо провести проверку в режиме холостого хода, чтобы убедиться, что высокотемпературная и низкотемпературная камеры оборудования могут нормально достигать заданных экстремальных температур, проверить соответствие времени преобразования температуры и времени восстановления температуры стандартным пределам, а также проверить нормальную работу сенсорного экрана (редактирование программ, регистрация данных и защита от аварийных сигналов). Образцы для испытаний должны пройти предварительную проверку внешнего вида и электрических характеристик, а также должны быть зарегистрированы исходные функциональные параметры образцов. Образцы должны быть размещены на подставке корзины с зазорами между ними. Воздуховоды не должны быть заблокированы, чтобы предотвратить локальные колебания температуры, вызванные затруднением циркуляции воздуха.

Разработайте программу испытаний оборудования в соответствии с требованиями ISO 16750-4, задав температуру высокотемпературного и низкотемпературного термического воздействия, время выдержки при высоких и низких температурах, а также общее количество циклов. Время выдержки должно обеспечивать полное достижение образцом заданной температуры, а не только температуры воздуха внутри камеры. Количество циклов определяется в зависимости от положения компонентов и требований к спецификации автомобиля и обычно составляет от 50 до 300 циклов. Запустите автоматическую работу камеры высокотемпературного и низкотемпературного термического воздействия. Оборудование автоматически выполнит предварительный нагрев и предварительное охлаждение высокотемпературной и низкотемпературной камер. Затем корзина будет перемещаться вперед и назад, попеременно подвергая образцы высокотемпературному и низкотемпературному термическому воздействию, и непрерывно записывать исторические данные о температуре камеры на протяжении всего процесса. После завершения определенного количества циклов испытание может быть приостановлено для извлечения образцов для проверки работоспособности при включении питания, наблюдения за такими неисправностями, как растрескивание корпуса, утечка воды через уплотнение, нарушения связи и дрейф параметров, и для вынесения окончательной оценки работоспособности после завершения всех циклов.

Помимо испытаний на термоудар, эта камера для испытаний на термоудар при высоких и низких температурах также соответствует национальным и международным стандартам, касающимся термоударных испытаний, таким как GJB 150.5A-2009, MIL-STD-883H и IEC 60068-2-14. Помимо автомобильной электроники, она может использоваться для проверки надежности аэрокосмических компонентов, полупроводниковых микросхем, оптоэлектронных компонентов и полимерных материалов. Для проверяемых объектов различных размеров можно выбрать двухзонные и трехзонные модели в зависимости от требований. Двухзонные модели предпочтительны для образцов малого размера, в то время как трехзонные модели могут быть использованы для некоторых крупных образцов, которые невозможно перемещать, где образцы остаются неподвижными, а термоудар осуществляется путем переключения потоков горячего и холодного воздуха.

Примечания по эксплуатации оборудования и долгосрочному техническому обслуживанию

При проведении масштабных циклических испытаний в камере высоко- и низкотемпературного термического удара техническое обслуживание оборудования напрямую влияет на достоверность результатов испытаний. Регулярно проверяйте теплоотводящий узел конденсатора компрессора и своевременно очищайте поверхности от пыли, чтобы гарантировать эффективность теплообмена холодильной системы. Регулярно проверяйте механизм перемещения корзины (в двухзонных моделях), чтобы обеспечить плавное перемещение и предотвратить заклинивание во время переноса образцов, что приводит к чрезмерному времени переноса. Проверяйте уплотнительные ленты дверей на отсутствие износа и утечек воздуха, а также избегайте перекрестной утечки температуры между горячей и холодной камерами. Встроенные функции защиты оборудования не должны отключаться вручную. В случае срабатывания сигнализации о избыточном давлении или перегреве компрессора, неисправности должны быть выявлены и устранены до возобновления испытаний. Для долговременных испытаний надежности автомобильной электроники рекомендуется периодически экспортировать кривые температурной зависимости оборудования в качестве подтверждающих материалов для протоколов испытаний.

Заключение

Испытание на термоудар, описанное в ISO 16750-4, является ключевым элементом проверки надежности автомобильных электронных компонентов. Это испытание позволяет эффективно имитировать различные скрытые отказы, вызванные тепловым расширением и сжатием, а надежность результатов испытания в значительной степени зависит от комплексных характеристик камеры для испытаний на термоудар в условиях высоких и низких температур. LISUN HLST-500D Высокотемпературная и термоударная камера Камера отличается мгновенным переключением в широком диапазоне температур от -50℃ до 150℃. Благодаря использованию проверенного двухзонного принципа перемещения корзины, а также импортных основных компонентов, интеллектуальной системы управления и полной защиты, она соответствует показателям оборудования для испытаний на термоудар в соответствии со стандартом ISO 16750-4 и воспроизводит условия экстремально быстрой разницы температур во время эксплуатации реального автомобиля, помогая специалистам НИОКР быстро выявлять дефекты конструкции бортовых микроконтроллеров, ламп, дисплеев, печатных плат и других компонентов. Эта камера для испытаний на термоудар в высоких и низких температурах может использоваться для отбора проб на этапе НИОКР, входного контроля качества компонентов и сертификации соответствия в сторонних испытательных учреждениях. В практической работе по испытаниям тестировщики должны полностью понимать ограничения испытаний ISO 16750-4, проводить предварительную калибровку оборудования, рационально размещать образцы, сохранять данные процесса и регулярно проводить техническое обслуживание оборудования, максимально использовать возможности оборудования, обеспечивать достоверность и надежность результатов испытаний на термоудар, а также оказывать мощную поддержку при проектировании надежности автомобильной электронной продукции.