高低溫試驗 - 環境應力篩選

高低溫試驗 -  環境應力概論

「環境應力篩選 Environmental Stress Screening，ESS」是依據產品的壽命曲線 ( 浴缸理論 )，針對新製產品或修理品（通常為電子產品或零件）施加相當的環境與工作應力(stress)，如：反覆開關機(Power On/Off)、偏壓(Bias)、壓力(Pressure)、溫度循環(Thermal Cycling)、振動(Vibration) ...等方法，讓一些僅使用常規測試方法也無法檢測到的潛在早夭問題產品提前暴露出來，起到篩選不良品、達到品質保證的目的。

執行環「境應力篩選 ESS」測試項目與參數時應該依據個零件或產品的特性來設計，原則上必須依照產品設定的使用條件來設計環境應力參數，较好配以長期的品質資料紀錄佐證，切記不可以過度增加負載超出產品的能力，因為測試後的產品是要出貨給客戶使用的，過度的環境應力負載可能造成產品的內傷或提前老化，得不償失。

依據過往的經驗，一般整機電子產品的 ESS 測試項目為重複開關機、溫度、振動等項目，溫度參數必須考慮產品使用環境及材料特性，一般的工程塑膠材料不建議長期超過60℃，否則容易脆化與變形，振動測試建議模擬車運、船運等振動頻率與重力加速度。

高低溫試驗 - 高溫試驗概論

高低溫試驗 - 高溫試驗概論

全球全年溫度通常在  0℃ ~ +40℃ 的範圍內，一般夏天時高溫常介於 +30℃ ~ +49℃ 之間，經常出現之平均高溫為 +43℃，此為環境溫度(空氣溫度)。

▲ 消費性電子的環境試驗溫度，通常介於 +35℃~+45℃ 之間。
▲ 網通類產品與工業用產品，因考慮使用壽命，通常介於 +45℃~+55℃ 之間。
▲ 屬長期戶外使用之產品，則建議其耐環境溫度至少應大於 +70℃，才能有良好的可靠度。
▲ 車用電子則視其安裝條件而有所不同。

在應用上通常區分為「高溫儲存試驗 High Temperature Storage Test」與「高溫操作試驗 High Temperature Operating Test」。

為能正確觀察與驗證產品在高溫環境下之熱效應，同時避免因濕度效應影響試驗結果，「國際電工委員會 International Electrotechnical Commission 簡稱IEC」要求執行「乾燥高溫試驗時 Dry Heat Test」，溫度櫃內之「絕對濕度 Absolute Humidity」不可超過 20g/m3 ，同時對於試驗前處理、試驗後處理、升溫速度、溫度櫃負載條件、被測物與溫度櫃體積比等，均有予以規範。

◎ 依據「IEC-60068-2-2 乾燥高溫試驗 Dry Heat Test」規範之規定，分為三種測試方法：

◆ Test Bb：不發熱試件之溫度漸變法：
    1. 靜態測試(不外加電源)，變溫期間試件應不加電。
    2. 試件於室溫下置入櫃內，櫃溫之溫度變化每分鐘不超過 1℃，升至規範所規定之溫度值。
    3. 試件於試驗結束後應留置櫃內，櫃溫之溫度變化每分鐘不超過 1℃ 回復至標準大氣壓下。
    4. 試件回復原狀況後在進行量測。

◆ Test Bd：調節期間不通電之發熱試件之溫度漸變法：
    1. 動態測試(外加電源)試件加電後溫度穩定時，試件表面最熱點之溫度與空氣溫度相差 5℃ 以上。
    2. 試件於室溫下置入櫃內，櫃溫之溫度變化，每分鐘不超過 1℃，升至所規定之溫度值。
    3. 溫度調節期間試件應不加電。
    4. 溫度回復至大氣壓下且試件回復原狀況後在進行量測。

◆ Test Be：全程通電之發熱試件之溫度漸變法：
    1. 動態測試(外加電源)試件加電後溫度穩定時，試件表面最熱點之溫度與空氣溫度 相差 5℃ 以上。
    2. 試件於室溫下置入櫃內,櫃溫之溫度變化，每分鐘不超過 1℃，升至所規定之溫度值。
    3. 測試期間試件應全程通電。
    4. 溫度回復至大氣壓下且試件回復原狀況後在進行量測。

◆ 溫度範圍:
    30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 85, 100, 125, 155, 175, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000℃。

◆ 測試時間:
    2, 16, 72, 96, 168, 240, 336, 1000 小時。

高低溫試驗 - 低溫試驗概論

高低溫試驗 - 低溫試驗概論

全球全年溫度通常在 0℃ ~ +40℃ 的範圍內，一般冬天時低溫常介於 -32℃ ~ -46℃之間， -51℃ 出現機率則小於 20%。

不同類型的產品采用的測試條件也不同，例如：

▲ 消費性電子環境試驗溫度通常介於 +5℃~ -5℃ 之間。
▲ 網通類產品與工業用產品因使用壽命考量通常介於 -5℃~-20℃ 之間。
▲ 長期戶外使用之產品則建議其耐環境溫度至少應-30℃才能有足夠的可靠度水準。
▲ IEC 對於試驗前處理、試驗後處理、升溫速度、溫度穩定定義、低溫箱負載條件、被測物與低溫箱體積比等均有予以規範。

在應用上通常區分為「低溫儲存試驗 Low Temperature Storage Test」與「低溫操作試驗 Low Temperature Operating Test」。

進行「低溫操作試驗」時強烈建議須執行「低溫啟動試驗 Cold start test」，因在產品經驗中多數產品均存在著在低溫下出現電源無法啟動現象。若能在執行低溫試驗時伴隨著產品最低工作電壓一並進行則更佳。

◎ 依據「IEC-60068-2-1 耐寒低溫試驗 Cold Test」規範之規定，分為三種測試方法：

◆ Test Ab:非發熱試件之低溫漸變非操作試驗：
    1. 靜態測試，測試過程中應不加電。
    2. 試件於室溫下置入櫃內，櫃溫之溫度變化每分鐘不超過 1℃。
    3. 將溫度降至相關規範規定之溫度及持續時間。
    4. 測試後溫度回復至大氣壓下，且試件回復原狀況後在進行量測。

◆ Test Ad:發熱試件之低溫漸變操作試驗：
    1. 動態測試，溫度達到測試溫度且穩定後，試件通電。
    2. 試件於室溫下置入櫃內，櫃溫之溫度變化每分鐘不超過 1℃。
    3. 將溫度降至相關規範規定之溫度及持續時間。
    4. 測試後溫度回復至大氣壓下，且試件回復原狀況後在進行量測。

◆ Test Ae:熱試件之低溫漸變操作試驗：
    1. 動態測試，測試過程中，試件全程通電。
    2. 試件於室溫下置入櫃內，櫃溫之溫度變化每分鐘不超過 1℃
    3. 將溫度降至相關規範規定之溫度及持續時間。
    4. 測試後溫度回復至大氣壓下，且試件回復原狀況後在進行量測。

◆ 溫度範圍：
    +5, -5, -10, -20, -25, -33, -40, -50, -55, -65℃。

◆ 測試時間：
    2, 16, 72, 96 小時。

高低溫試驗 - 溫度衝擊條件

溫度衝擊測試條件建議：

高低溫試驗 - 溫度衝擊概論

 
◎ 依據美國軍方規範 MIL-STD-810F 方法 503.4，對溫度變率 >10℃/min 時即稱之為溫度衝擊 ( Temperature Shock )。

◎ IEC60068-2-14 溫度變化試驗指引，以試驗方法：

◆ Test Na (特定時間內溫度快速變化)
◆ Test Nb (特定溫度變率之溫度變化)
◆ Test Nc (雙液體浸泡法之快速溫度變化)

作為區別，使用IEC規範時，可依試驗目的自行選擇適用之試驗方法進行試驗。在測試時須對於：

(1)測試高溫、(2)測試低溫、(3)測試濕度、(4)駐留時間、(5)轉移時間、(6)循環次數、(7)試驗容差‧‧‧等加以規範與定義。

※ 常用規範：IEC、IPC、JESD、MIL。

高低溫試驗 - 溫度循環概論

溫度循環在應用上大都採用單櫃式居多，溫度斜率上也小於溫度衝擊試驗甚多。

試驗以『 常溫→低溫→低溫駐留→高溫→高溫駐留→常溫 』作為一個循環。

執行溫度循環試驗之嚴厲程度，取決於 (1)溫度範圍、(2)溫度斜率、(3)駐留時間、(4)循環數目。

◆ 溫度斜率
環境模擬試驗，建議以溫度變換斜率以緩慢變化為主，原則上以 ≦1℃/min 為原則。

◆ 測試循環
依據 NAVY 建議，基本循環數為 ≧10 循環，配合不同溫度斜率約可篩選出 50~80% 相關問題。