Jak sprawdzić niezawodność elektroniki samochodowej za pomocą komory szokowej termicznej o wysokiej i niskiej temperaturze (ISO 16750-4)

Abstrakcja
Urządzenia elektroniczne w pojazdach działają w złożonych, naturalnych warunkach klimatycznych. Przemienność dnia i nocy oraz zmiany sezonowe w pojazdach mogą powodować drastyczne, nagłe wahania temperatury. Różnice współczynników rozszerzalności cieplnej różnych materiałów mogą powodować awarie, takie jak pękanie połączeń lutowanych, uszkodzenia uszczelnień i spadek wydajności elektrycznej. Norma ISO 16750-4, będąca ważną normą międzynarodową dotyczącą badań obciążenia klimatycznego urządzeń elektrycznych i elektronicznych w pojazdach drogowych, jasno określa wymagania testowe dotyczące szoku termicznego i szybkich zmian temperatury w celu oceny niezawodności działania pokładowych podzespołów elektronicznych w warunkach zmiennych, ekstremalnych różnic temperatur. Komora szoków termicznych o wysokiej i niskiej temperaturze jest podstawowym urządzeniem do symulacji środowiskowej w takich testach. LISUN HLST-500D Komora szokowa termiczna do badań wysokich i niskich temperatur należy do dwustrefowego modelu serii HLST. Umożliwia ona natychmiastową zmianę temperatury w szerokim zakresie od -50°C do 150°C i symuluje ekstremalnie szybkie zmiany temperatury w rzeczywistych warunkach eksploatacji pojazdu za pomocą mechanizmu wahadłowego. W połączeniu z postanowieniami normy ISO 16750-4, niniejszy artykuł opisuje zasadę działania, wydajność sprzętu oraz proces wdrażania testów komory szokowej termicznej do badań wysokich i niskich temperatur, a także analizuje jej praktyczne zastosowanie w weryfikacji niezawodności mikrokontrolerów (MCU), wyświetlaczy pokładowych, zespołów lamp, płytek drukowanych (PCB) i innych komponentów samochodowych. Zawiera odniesienia dla laboratoriów badawczo-rozwojowych i kontroli jakości elektroniki samochodowej do przeprowadzania znormalizowanych testów szoków termicznych. 

Wprowadzenie

Wraz z ciągłym postępem w dziedzinie inteligencji motoryzacyjnej i elektryfikacji, liczba podzespołów elektronicznych montowanych w kompletnych pojazdach stale rośnie. Układy sterowania MCU, wyświetlacze pokładowe, moduły zarządzania akumulatorem, układy sterowania lampami i inne elementy elektroniczne są instalowane w różnych miejscach, takich jak kabina, komora silnika i podwozie, i poddawane działaniu silnych szoków termicznych. Gdy pojazdy są zaparkowane na zewnątrz zimą, temperatura podzespołów może spaść do -40°C lub nawet niżej. Po uruchomieniu pojazdu ciepło z silnika i bezpośrednie światło słoneczne mogą szybko podnieść temperaturę podzespołów powyżej 85°C, powodując w krótkim czasie ogromną różnicę temperatur. Niedopasowane współczynniki rozszerzalności cieplnej różnych materiałów prowadzą do kumulacji naprężeń wewnętrznych wynikających z powtarzających się procesów rozszerzalności i kurczenia cieplnego, co skutkuje defektami utajonymi, takimi jak mikropęknięcia na złączach lutowniczych PCB, pękanie uszczelnień obudowy i zmiany parametrów podzespołów. Takie defekty mogą nie zostać ujawnione w konwencjonalnych testach cyklicznych wysokich i niskich temperatur i mogą być skutecznie stymulowane jedynie poprzez testy szoku termicznego z natychmiastowym przełączaniem wysokich i niskich temperatur.

W przypadku obciążeń klimatycznych elektroniki pokładowej norma ISO 16750-4 określa wiele elementów testowych, w tym test stałej temperatury, test skokowej zmiany temperatury, test cyklicznych zmian temperatury i test szoku termicznego. Wśród nich test szoku termicznego ocenia przede wszystkim odporność próbek na szybkie zmiany temperatury i nakłada ścisłe ograniczenia na czas zmiany temperatury urządzenia, czas powrotu temperatury do normalnej oraz jednorodność temperatury w komorze. Zwykłe komory wysoko- i niskotemperaturowe mają ograniczone szybkości nagrzewania i chłodzenia i nie umożliwiają szybkiego przełączania między środowiskami o wysokiej i niskiej temperaturze, co uniemożliwia spełnienie warunków testu szoku termicznego określonych w normie. Komora szoku termicznego o wysokiej i niskiej temperaturze Został opracowany specjalnie do pracy w warunkach natychmiastowych zmian temperatury i dzieli się na dwa typy konstrukcyjne: model dwustrefowy (typ D) i model trójstrefowy (typ T). Model dwustrefowy wykorzystuje kosz na próbki do szybkiego przemieszczania ich między strefą wysokiej temperatury a strefą niskiej temperatury; model trójstrefowy utrzymuje próbki w miejscu w strefie testowej i osiąga efekt szokowy poprzez przełączanie przepływu gorącego i zimnego powietrza. Obie konstrukcje umożliwiają ekstremalne przełączanie temperatur w krótkim czasie i spełniają wymagania testu szoku termicznego określone w normie ISO 16750-4. LISUN Komora szokowa termiczna wysoko- i niskotemperaturowa serii HLST wykorzystuje importowane zespoły sprężarek oraz inteligentny system sterowania dotykowego, wyposażony w kompletny zestaw mechanizmów zabezpieczających. Może być wykorzystywana zarówno do badań rozwojowych próbek małoseryjnych w laboratoriach, jak i do weryfikacji niezawodności komponentów produkowanych masowo na liniach produkcyjnych. Jest szeroko stosowana w testach certyfikacji zgodności w elektronice samochodowej, przemyśle lotniczym, półprzewodnikowym i innych gałęziach przemysłu.

HLST-500D-C_Komora szokowa termiczna o wysokiej i niskiej temperaturze

Wymagania sprzętowe normy ISO 16750-4 dla komór szokowych termicznie wysokich i niskich temperatur

Zgodnie z zapisami normy ISO 16750-4 dotyczącymi badania szoku termicznego, próbki elektroniki samochodowej powinny być naprzemiennie poddawane działaniu określonych skrajnych temperatur wysokich i niskich. Czas transferu dla próbek przechodzących z jednej skrajnej temperatury do drugiej musi być ściśle kontrolowany. Po wejściu do komory docelowej próbki muszą osiągnąć docelową temperaturę badania w określonym czasie regeneracji. Zbyt długi czas transferu spowoduje powolne zmiany temperatury próbek i uniemożliwi symulację szoku termicznego w rzeczywistych warunkach. Niedostateczny czas regeneracji temperatury lub nierównomierny rozkład temperatury wewnątrz komory doprowadzi do niespójnego naprężenia termicznego różnych próbek w tej samej partii, co uniemożliwi porównywanie wyników badań.

Norma wymaga również pełnego rejestrowania krzywych temperaturowych w trakcie całego testu w celu późniejszej identyfikowalności raportów. Dlatego też komora szoków termicznych o wysokiej i niskiej temperaturze powinna posiadać programowalne funkcje, umożliwiające swobodne ustawianie czasu przebywania w wysokiej/niskiej temperaturze oraz cykli szoków termicznych, a także wspierające przechowywanie i eksport danych temperaturowych. W przypadku podzespołów pokładowych zainstalowanych w komorach silnika i podwoziu, powszechnie stosowany zakres temperatur szokowych wynosi od -40°C do 125°C; w przypadku podzespołów wewnątrz kabiny do weryfikacji odporności na szok zazwyczaj stosuje się zakres od -20°C do 85°C. Podczas testu próbki nie mogą stykać się z kanałem powietrznym komory, a pozycja ich umieszczenia musi zapewniać wystarczającą cyrkulację powietrza, aby uniknąć anormalnej temperatury lokalnej. Tradycyjny sprzęt do badań środowiskowych z trudem spełnia wiele wymagań, w tym transfer drugiego poziomu, szybki powrót do normalnej temperatury i długotrwałą, ciągłą pracę cykliczną. Natomiast komora szokowa termiczna do wysokich i niskich temperatur serii HLST charakteryzuje się czasem konwersji temperatury ≤10 sekund i czasem odzyskiwania temperatury ≤5 minut w modelach dwustrefowych, przy wahaniach temperatury ≤±0.5°C i jednorodności temperatury ≤2°C. Jej wskaźniki sprzętowe spełniają wymagania sprzętowe testów szoków termicznych określone w normie ISO 16750-4.

Architektura sprzętowa i parametry wydajnościowe HLST-500D Komora szoku termicznego o wysokiej i niskiej temperaturze

HLST-500D to dwustrefowa (typ D) komora szoków termicznych o wysokiej i niskiej temperaturze. Urządzenie jest wyposażone we wzajemnie niezależne komory wysokotemperaturowe i niskotemperaturowe oraz automatycznie przesuwany kosz na próbki. Podczas testu próbki są mocowane wewnątrz kosza. Automatyczny mechanizm wahadłowy szybko przesyła badane próbki do wstępnie ogrzanej komory wysokotemperaturowej lub wstępnie schłodzonej komory niskotemperaturowej, dzięki czemu próbki są bezpośrednio wystawione na działanie ekstremalnych temperatur w celu przeprowadzenia pełnego szoku termicznego. System chłodzenia wykorzystuje hermetyczne sprężarki kaskadowe francuskiej firmy TECUMSEH lub niemieckiej firmy Bitzer, aby zapewnić, że komora niskotemperaturowa może stabilnie utrzymywać niską temperaturę -50°C. Jednostka grzewcza wykorzystuje niezależne grzałki elektryczne nichromowe o wysokiej wydajności grzewczej i stabilnej mocy wyjściowej. Zewnętrzna powłoka obudowy wykonana jest z wysokiej jakości stali węglowej pokrytej elektrostatycznym fosforanowaniem. Wewnętrzna komora wykonana jest z blachy ze stali nierdzewnej SUS304, odpornej na starzenie cieplne i łatwej do czyszczenia. Warstwa izolacji termicznej składa się z kompozytu sztywnej pianki poliuretanowej i cienkiej bawełny szklanej, co ogranicza wymianę ciepła między komorami gorącymi i zimnymi oraz obniża zużycie energii przez urządzenia.

System sterowania wykorzystuje opracowany przez nas kolorowy, ciekłokrystaliczny ekran dotykowy z rozdzielczością wyświetlania temperatury 0.1°C. Czas trwania testu można dowolnie ustawić w zakresie 0.1–999.9 godz./min/sek. Wyposażone są w platynowe czujniki temperatury PT100Ω/MV, charakteryzujące się silną odpornością na zakłócenia elektromagnetyczne i wysoką dokładnością pomiaru temperatury. Urządzenie posiada wiele zabezpieczeń przed wyciekiem, zwarciem, przegrzaniem grzałki, przegrzaniem silnika oraz nadciśnieniem i przetężeniem sprężarki. Automatycznie uruchamia alarmy w przypadku wystąpienia nietypowych warunków pracy, aby zagwarantować bezpieczeństwo sprzętu i próbek podczas długotrwałych, bezobsługowych testów cyklicznych. Poniższa tabela zawiera kluczowe dane techniczne głównych modeli. LISUN Komora szokowa termiczna do wysokich i niskich temperatur serii HLST. HLST-500D posiada komorę roboczą o dużej objętości, co czyni go odpowiednim do przeprowadzania testów szoków termicznych wsadowych części elektronicznych w pojazdach samochodowych o średniej wielkości, takich jak moduły pokładowe, ekrany wyświetlaczy i zespoły lamp.

Punkty wdrożenia normy ISO 16750-4 Badanie szoku termicznego z zastosowaniem komory szoku termicznego o wysokiej i niskiej temperaturze

Przed formalnym testem szoku termicznego dla elektroniki samochodowej należy przeprowadzić wstępną weryfikację komory szokowej termicznej wysokiej i niskiej temperatury. Środowisko instalacji urządzenia powinno być kontrolowane w zakresie temperatury otoczenia 5-30°C, wilgotności względnej nieprzekraczającej 85% RH, z dobrą wentylacją i zapewnioną przestrzenią do odprowadzania ciepła, aby uniknąć osłabienia wydajności chłodzenia i ogrzewania spowodowanego słabym odprowadzaniem ciepła. Należy przeprowadzić weryfikację bez obciążenia, aby potwierdzić, że komory wysokiej i niskiej temperatury urządzenia mogą normalnie osiągnąć ustawione temperatury ekstremalne, sprawdzić, czy czas konwersji temperatury i czas powrotu temperatury mieszczą się w standardowych granicach oraz zweryfikować prawidłowe działanie edycji programów na ekranie dotykowym, rejestrowania danych i ochrony alarmowej. Próbki testowe należy poddać wstępnej kontroli pod kątem wyglądu i parametrów elektrycznych oraz zarejestrować początkowe parametry funkcjonalne próbek. Próbki należy umieścić na stojaku na próbki w koszu, zachowując odstępy między nimi. Przewody powietrzne nie powinny być blokowane, aby zapobiec lokalnym odchyleniom temperatury spowodowanym utrudnionym przepływem powietrza.

Napisz program testowy sprzętu zgodnie z wymaganiami normy ISO 16750-4, ustaw temperaturę szoku termicznego w wysokiej i niskiej temperaturze, czas przebywania w wysokiej i niskiej temperaturze oraz całkowitą liczbę cykli. Czas przebywania powinien zapewnić, że próbka osiągnie pełną zadaną temperaturę, a nie odnosić się tylko do temperatury powietrza wewnątrz komory. Liczba cykli jest określana zgodnie z pozycją montażu komponentu i pełnymi wymaganiami specyfikacji pojazdu, zazwyczaj w zakresie od 50 do 300 cykli. Rozpocznij automatyczną pracę komory szoku termicznego w wysokiej i niskiej temperaturze. Sprzęt automatycznie zakończy wstępne nagrzewanie i schładzanie komór wysokiej i niskiej temperatury. Następnie kosz będzie się przemieszczał tam i z powrotem, aby naprzemiennie poddawać próbki szoku termicznego w wysokiej i niskiej temperaturze, a także stale rejestrować historyczne dane dotyczące temperatury komory przez cały proces. Po zakończeniu określonej liczby cykli test można zawiesić, aby pobrać próbki do kontroli działania po włączeniu, zaobserwować usterki, takie jak pęknięcia obudowy, przeciekanie wody z uszczelnienia, nieprawidłowości w komunikacji i dryft parametrów, a po zakończeniu wszystkich cykli dokonać pełnej oceny wydajności.

Oprócz testów szoków termicznych, ta komora szoków termicznych do wysokich i niskich temperatur spełnia również krajowe i międzynarodowe normy dotyczące szoków termicznych, takie jak GJB 150.5A-2009, MIL-STD-883H i IEC 60068-2-14. Poza elektroniką samochodową, może być ona wykorzystywana do weryfikacji niezawodności komponentów lotniczych, układów półprzewodnikowych, elementów optoelektronicznych i materiałów polimerowych. W przypadku obiektów o różnych rozmiarach można wybrać modele dwu- i trójstrefowe, zależnie od potrzeb. Modele dwustrefowe są preferowane dla próbek o małych rozmiarach, natomiast modele trójstrefowe można zastosować dla niektórych dużych próbek, które nie nadają się do przemieszczania, gdzie próbki pozostają nieruchome, a szok termiczny jest realizowany poprzez przełączanie przepływu gorącego i zimnego powietrza.

Notatki dotyczące obsługi sprzętu i długoterminowej konserwacji

Podczas przeprowadzania intensywnych cyklicznych testów szokowych w komorze szokowej wysokich i niskich temperatur, konserwacja sprzętu ma bezpośredni wpływ na wiarygodność wyników testów. Regularnie sprawdzaj zespół odprowadzania ciepła skraplacza sprężarki i regularnie usuwaj kurz z powierzchni, aby zagwarantować wydajność wymiany ciepła w układzie chłodzenia. Regularnie sprawdzaj mechanizm przekładni kosza (modele dwustrefowe), aby zapewnić płynną transmisję i zapobiec zakleszczeniom podczas transferu próbek, co wydłuża czas transferu. Sprawdź uszczelki drzwi, aby upewnić się, że nie są zużyte i nieszczelne oraz aby uniknąć przecieków między komorami ciepłej i zimnej wody. Wbudowanych funkcji zabezpieczających urządzenia nie należy ręcznie wyłączać. W przypadku alarmów nadmiernego ciśnienia lub przegrzania sprężarki, usterki należy zbadać i wyeliminować przed wznowieniem testów. W przypadku długoterminowych testów niezawodności elektroniki samochodowej zaleca się okresowe eksportowanie krzywych temperatury pracy urządzenia jako materiałów pomocniczych do raportów z testów.

Wniosek

Badanie szoku termicznego, określone w normie ISO 16750-4, jest kluczowym elementem weryfikacji niezawodności podzespołów elektronicznych w motoryzacji. Badanie to może skutecznie stymulować różne ukryte uszkodzenia wywołane naprężeniami rozszerzalności i kurczenia termicznego, a wiarygodność wyników badania w dużym stopniu zależy od kompleksowej wydajności komory szoków termicznych do badań w wysokich i niskich temperaturach. LISUN HLST-500D Komora szoku termicznego o wysokiej i niskiej temperaturze Komora charakteryzuje się natychmiastowym przełączaniem w szerokim zakresie temperatur od -50°C do 150°C. Dzięki zastosowaniu sprawdzonej dwustrefowej zasady kosza wahadłowego, importowanych komponentów rdzeniowych, inteligentnego systemu sterowania i pełnego zabezpieczenia, spełnia ona wymagania testów szoków termicznych zgodnie z normą ISO 16750-4 i odtwarza warunki ekstremalnie szybkich zmian temperatur podczas rzeczywistej eksploatacji pojazdu, pomagając personelowi badawczo-rozwojowemu w szybkiej identyfikacji wad konstrukcyjnych mikrokontrolerów pokładowych, lamp, wyświetlaczy, zespołów PCB i innych komponentów. Ta komora szoków termicznych o wysokiej i niskiej temperaturze może być używana do badań przesiewowych próbek na etapie badawczo-rozwojowym, kontroli jakości komponentów oraz certyfikacji zgodności w zewnętrznych instytucjach badawczych. W praktyce testerzy muszą w pełni rozumieć ograniczenia testowe normy ISO 16750-4, przeprowadzać kalibrację sprzętu przed testem, odpowiednio rozmieścić próbki, przechowywać dane procesowe i regularnie konserwować sprzęt, w pełni wykorzystać wydajność sprzętu, zagwarantować autentyczność i wiarygodność wyników testów szoków termicznych oraz zapewnić solidne wsparcie testowe dla niezawodności projektowania elektronicznych produktów samochodowych.