Термоциклирование — это испытание, при котором изделие многократно переводят между низкой и высокой температурой: охладили, выдержали, нагрели, выдержали, и так десятки или сотни раз. Задача не в том, чтобы проверить, работает ли изделие на морозе или в жаре, а в том, чтобы выявить усталостные дефекты, которые появляются именно от повторяющихся перепадов.
Что выявляет термоциклирование
Материалы при нагреве расширяются, при охлаждении сжимаются, и делают это по-разному. Медь, припой, стеклотекстолит, керамика, пластик корпуса и металл крепежа имеют разные коэффициенты теплового расширения. В каждом цикле на границах материалов возникают механические напряжения, и через какое-то число циклов слабое место не выдерживает.
- Трещины в паяных соединениях, особенно у крупных компонентов и корпусов BGA.
- Отслоение покрытий, лаков, компаундов, клеевых соединений.
- Нарушение герметичности корпусов и уплотнений.
- Ослабление резьбовых и прессовых соединений, разъёмов.
- Дрейф параметров электронных компонентов и датчиков.
- Растрескивание керамики, стекла, композитов.
Поэтому термоциклирование применяют и для квалификации новых изделий, и для отбраковки партий: часть производителей прогоняет изделия через несколько циклов перед отгрузкой, чтобы скрытые дефекты пайки проявились на заводе, а не у заказчика.
Где применяют термоциклирование
- Электроника и приборостроение: печатные узлы, блоки питания, модули управления, датчики.
- Автокомпоненты и электрооборудование транспорта, которое работает зимой на улице и греется в работе.
- Оборонная и авиационная техника, где режимы задаёт программа испытаний заказчика.
- Силовая электроника: модули, у которых кристаллы и выводы циклически нагреваются при работе.
- Кабельная продукция, уплотнения, полимерные и композитные детали.
- Аккумуляторы и батарейные сборки — с отдельными требованиями безопасности к камере и помещению.
Общее у всех этих изделий одно: в эксплуатации они многократно проходят перепады температуры — день и ночь, работа и простой, улица и тёплое помещение. Термоциклирование сжимает годы таких перепадов в дни или недели испытаний.
Термоциклирование и термоудар — в чём разница
Оба испытания относятся к испытаниям на изменение температуры, но отличаются скоростью смены и способом её получения. В международном стандарте IEC 60068-2-14 это разные методы: испытание Na — быстрая смена температуры переносом изделия между двумя средами за заданное время, испытание Nb — смена температуры с заданной скоростью изменения. В межгосударственном ГОСТ 30630.2.1 испытание на воздействие изменения температуры среды (метод 205) также разделено на варианты, в том числе быстрое изменение методом двух камер и постепенное изменение методом одной камеры.
| Термоциклирование (постепенная смена) | Термоудар (быстрая смена) | |
|---|---|---|
| Как меняется температура | В одном рабочем объёме, с заданной скоростью | Переносом изделия между холодной и горячей зоной |
| Чем задаётся жёсткость | Диапазон, скорость изменения, выдержки, число циклов | Диапазон, время переноса, выдержки, число циклов |
| Типичная камера | Камера тепло-холод | Камера термошока (двухзонная) |
| Что удобно | Испытания под нагрузкой, с выводом кабелей, крупные изделия | Жёсткие ускоренные испытания небольших изделий |
Если методика требует именно резкой смены с ограничением времени переноса, нужна камера термошока. Если в программе указана скорость изменения температуры в градусах в минуту и выдержки на границах — это термоциклирование в одной камере. Подробнее о двухзонных камерах — в статье об испытаниях на термоудар.
Параметры цикла, которые задаёт методика
Режим термоциклирования берут из технических условий на изделие, программы испытаний или стандарта, на который ссылается заказчик. Чтобы подобрать камеру, нужны следующие параметры:
- Нижняя и верхняя температура цикла.
- Скорость изменения температуры и в каком интервале её измеряют — по воздуху в камере или по изделию.
- Время выдержки на каждой границе — обычно до стабилизации температуры изделия по всему объёму.
- Число циклов.
- Нужно ли подавать на изделие питание и контролировать параметры во время циклов.
- Масса и материал загрузки, число изделий, оснастка.
Важный момент: скорость изменения температуры камеры почти всегда указывают для пустой камеры или для определённой загрузки. Массивное металлическое изделие замедлит изменение температуры, и камера, которая «по паспорту» подходит, может не уложиться в цикл. Поэтому в техническом задании скорость указывают вместе с условиями: интервал температур, масса и материал загрузки, где расположен датчик.
Как выбрать камеру для термоциклирования
Температурный диапазон
Исполнение по холоду сильнее всего влияет на цену. Камеры тепло-холод КТХ выпускаются в исполнениях −30, −65 и −85 °C по холоду и +100, +160, +180 °C по теплу. Не берите нижнюю границу с большим запасом: если в методике −40 °C, исполнение −65 °C даст запас, а −85 °C в основном добавит стоимости.
Рабочий объём
Изделие должно стоять так, чтобы воздух свободно обтекал его со всех сторон: при плотной загрузке растёт неравномерность температуры, и разные изделия проходят разный по сути цикл. Ориентируйтесь на внутренние размеры рабочей зоны, а не только на литры. Линейка КТХ — от 22 до 2000 литров.
Испытания под нагрузкой
Если изделие во время циклов работает и его параметры нужно контролировать, понадобятся технологические отверстия для кабелей. В стандартной комплектации камер КТХ — два отверстия Ø100 мм. Если кабелей много или нужны отдельные вводы, посмотрите на камеры с технологическими шлюзами КТХ Ш.
Программы и архив
Для сотен циклов программа должна уметь повторять последовательность шагов, а для протоколов — сохранять данные. Камеры комплектуются ПЛК с сенсорной панелью и архивированием. Точность поддержания температуры — ±1–1,5 °C при дискретности 0,1 °C.
Влажность
Если методика требует циклов «температура + влажность», нужна камера тепло-холод-влага КТХВ. Для чисто температурных циклов влажность не нужна, и обычная КТХ обойдётся дешевле.
Сколько стоит камера для термоциклирования
Цены — из текущего каталога, с НДС 22 %. Точная стоимость зависит от температурного исполнения и комплектации.
| Камера | Объём | Цена |
|---|---|---|
| КТХ 22 | 22 л | от 500 000 ₽ |
| КТХ 80 | 80 л | от 660 000 ₽ |
| КТХ 160 | 160 л | от 800 000 ₽ |
| КТХ 400 | 400 л | от 1 000 000 ₽ |
| КТХ Ш 80 (со шлюзами) | 80 л | от 790 000 ₽ |
| Термошок 80 (двухзонная) | 80 л | от 2 350 000 ₽ |
Например, КТХ 80 в исполнении −30…+100 °C стоит 660 000 ₽, в исполнении −65…+180 °C — 820 000 ₽, в исполнении −85…+180 °C — 970 000 ₽. Разница наглядно показывает, почему нижнюю границу стоит брать по методике, а не «на всякий случай».
Пример построения программы
Ниже — условный пример того, как выглядит программа термоциклирования в контроллере камеры. Цифры показывают формат записи, а не рекомендацию: реальные значения берите из своей методики.
| Шаг | Действие | Пример параметров |
|---|---|---|
| 1 | Охлаждение до нижней температуры | до −40 °C с заданной скоростью |
| 2 | Выдержка на нижней границе | до стабилизации температуры изделия |
| 3 | Нагрев до верхней температуры | до +85 °C с заданной скоростью |
| 4 | Выдержка на верхней границе | до стабилизации температуры изделия |
| 5 | Повтор шагов 1–4 | заданное число циклов |
| 6 | Возврат к нормальным условиям | перед измерениями и осмотром |
Время выдержки на практике определяют по изделию: на него ставят контрольную термопару и смотрят, когда его температура перестаёт меняться. Для лёгкой платы это минуты, для массивного блока в металлическом корпусе — заметно дольше. Поэтому длительность программы для одного и того же диапазона у разных изделий отличается в разы.
Контроль изделия во время циклов
Есть два подхода. В первом изделие проходит циклы без питания, а проверяют его до и после испытания: внешний осмотр, измерение параметров, функциональная проверка. Во втором изделие работает во время циклов, и его параметры записывают непрерывно — так ловят перемежающиеся отказы, которые проявляются только на определённой температуре и исчезают при возврате к нормальным условиям.
Для второго варианта заранее продумайте, как выводить кабели и где будет стоять измерительная аппаратура. Кабели проходят через технологические отверстия, отверстия после монтажа закрывают заглушками или уплотняют, чтобы не нарушить режим в камере. Если линий много, удобнее камера со шлюзами.
Типичные ошибки при организации термоциклирования
- Скорость изменения температуры в ТЗ без условий измерения и без массы загрузки.
- Выдержка на границах меньше, чем нужно изделию, чтобы прогреться или остыть целиком.
- Плотная загрузка, перекрывающая поток воздуха.
- Выбор камеры термошока там, где методика требует заданной скорости в одной камере, — или наоборот.
- Отсутствие архива данных, когда протоколы нужны заказчику или ОТК.
Вопросы и ответы
Можно ли проводить термоциклирование в обычной камере тепло-холод? Да, именно для постепенной смены температуры с заданной скоростью камера тепло-холод и предназначена. Двухзонная камера термошока нужна, когда методика требует быстрой смены с ограничением времени переноса.
Сколько длится один цикл? Зависит от диапазона, скорости изменения температуры, выдержек и массы изделия. Посчитать длительность программы можно, когда известны все параметры методики, — пришлите их вместе с размерами и массой изделия.
По какому стандарту проводят термоциклирование? Режим задают технические условия на изделие или программа испытаний, которые часто ссылаются на ГОСТ 30630.2.1 (метод 205) или IEC 60068-2-14. Конкретные температуры, выдержки и число циклов берут из этих документов.
Чем термоциклирование отличается от испытаний на холодоустойчивость и теплоустойчивость? Испытания на холодо- и теплоустойчивость проверяют, работает ли изделие при длительном воздействии низкой или высокой температуры: изделие выдерживают при одной температуре и контролируют его параметры. Термоциклирование проверяет стойкость к многократной смене температуры, то есть к усталости материалов и соединений. Часто в программе есть и то и другое, и все эти испытания можно провести в одной камере тепло-холод.
Нужна ли аттестация камеры для термоциклирования? Если результаты испытаний используются для приёмки или подтверждения соответствия, камеру аттестуют как испытательное оборудование. Мы проводим первичную аттестацию по ГОСТ Р 8.568-2017 и ГОСТ РВ 0008-002-2013.
Подберём камеру под вашу программу испытаний
Пришлите программу термоциклирования или выдержку из ТУ, размеры и массу изделия — подберём камеру тепло-холод, камеру со шлюзами или камеру термошока и подготовим коммерческое предложение. КП готовим за 30 минут в рабочее время, изготовление — от 20 дней, гарантия 18 месяцев, доставка по России и СНГ.
Запросить КП на камеру для термоциклирования
Камера КТХ 80: исполнения и цены
Камеры с технологическими шлюзами КТХ Ш