試驗目的與作用機理

1.試驗目的

冷熱沖擊試驗主要用于考核產(chǎn)品對周圍環(huán)境溫度急劇變化的適應(yīng)性。通過模擬高溫和低溫環(huán)境的快速交替變化，觀察產(chǎn)品是否能在溫度急劇變化的情況下保持正常功能，或者是否出現(xiàn)材料開裂、電子元件損壞等問題?等。

2.作用機理

從物理層面看，冷熱沖擊的本質(zhì)是“瞬態(tài)熱應(yīng)力—材料響應(yīng)—失效觸發(fā)”的耦合過程。當溫度變化率≥20 °C/min 時，材料表層與芯部形成陡峭溫度梯度，產(chǎn)生瞬態(tài)熱應(yīng)力σ_t：

σ_t ≈ E·α·ΔT

其中E為彈性模量，α為線膨脹系數(shù)，ΔT為瞬時溫差。若σ_t超過材料屈服強度或界面結(jié)合強度，便會誘發(fā)裂紋萌生、擴展，直至功能喪失。對電子器件而言，焊球、鍵合線、塑封料之間的CTE（熱膨脹系數(shù)）差異還會造成剪切疲勞，最終導致開路或短路。

3.參考標準

冷熱沖擊試驗的常見參考標準包括GB/T 2423.22-2012、IEC 60068-2-14:2009、GJB 150.5A-2009、GB/T 28046.4-2011等。

典型失效模式與關(guān)鍵參數(shù)

1.失效模式

? 金屬件：低溫脆斷、高溫蠕變、焊縫熱疲勞；

? 高分子：玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)脆化、填料-基體脫粘；

? 電子組件：焊點微裂、導線斷裂、芯片分層；

? 光學器件：膠合界面氣泡、鍍膜龜裂。

2.關(guān)鍵試驗參數(shù)

? 溫度極值：通常選取產(chǎn)品工作極限的110 %，確保覆蓋最壞工況；

? 駐留時間：需大于試件熱容平衡時間，一般5~30 min；

? 轉(zhuǎn)換時間：兩箱式設(shè)備≤10 s，三箱式設(shè)備≤30 s；

? 循環(huán)次數(shù)：根據(jù)加速因子計算，常見100~1000 次；

? 溫度均勻性：±2 °C以內(nèi)，避免局部過熱/過冷。

設(shè)備類型與案例

1.兩箱式（提籃式）

由高溫倉、低溫倉及可上下移動的提籃組成。提籃在10 s內(nèi)完成倉間轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)瞬時沖擊。針對高溫倉、低溫倉領(lǐng)域，

優(yōu)點：轉(zhuǎn)換時間極短；

缺點：試件體積受限，大質(zhì)量樣品會導致溫度過沖。

2.三箱式（靜止式）

增設(shè)常溫過渡倉，樣品在高低溫倉之間通過風門切換，避免機械移動沖擊。

優(yōu)點：可容納大尺寸、異形樣品；

缺點：轉(zhuǎn)換時間略長，需額外控制風門密封性。

3.應(yīng)用實例

冷熱沖擊試驗方面擁有豐富的經(jīng)驗和卓越的技術(shù)實力。實驗室配備了先進的測試設(shè)備和嚴格的質(zhì)量控制流程，能夠為客戶提供高標準的冷熱沖擊試驗服務(wù)。

溫度曲線圖

行業(yè)應(yīng)用與發(fā)展趨勢

1.航空航天

高超聲速飛行器蒙皮需承受-55 °C至+300 °C的瞬時沖擊，試驗已擴展至“溫度-振動-氣壓”三綜合應(yīng)力，以模擬真實再入過程。

2.新能源汽車

動力電池包從漠河-40 °C到吐魯番+60 °C的冷熱循環(huán)，需結(jié)合濕度與電應(yīng)力，驗證熱管理系統(tǒng)與密封膠的耐久性。

3.先進封裝

3D IC、Chiplet等微縮結(jié)構(gòu)對翹曲極度敏感，冷熱沖擊試驗正與DIC（數(shù)字圖像相關(guān)）應(yīng)變測量、聲發(fā)射技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)μm級變形在線監(jiān)測。

結(jié)語

冷熱沖擊試驗并非簡單的“高低溫循環(huán)”，而是融合熱力學、材料學、可靠性工程的系統(tǒng)工程。只有深刻把握瞬態(tài)熱應(yīng)力與失效機理的耦合關(guān)系，結(jié)合精準設(shè)備與科學流程，才能真正把試驗室結(jié)果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品在實際極端環(huán)境下的穩(wěn)健表現(xiàn)。