Come validare l'affidabilità dei componenti elettronici per autoveicoli utilizzando una camera a shock termico ad alta e bassa temperatura (ISO 16750-4)

Astratto
I dispositivi elettronici per autoveicoli operano in ambienti climatici naturali complessi. L'alternanza tra giorno e notte e i cambiamenti stagionali sui veicoli possono causare improvvise e drastiche variazioni di temperatura. Le differenze nei coefficienti di dilatazione termica dei diversi materiali possono innescare guasti come la rottura delle saldature, il cedimento delle guarnizioni e la deriva delle prestazioni elettriche. Come importante standard internazionale per i test di carico climatico delle apparecchiature elettriche ed elettroniche per veicoli stradali, la norma ISO 16750-4 specifica chiaramente i requisiti di prova per lo shock termico e il rapido cambiamento di temperatura per valutare l'affidabilità operativa dei componenti elettronici di bordo in condizioni di alternanza di differenze di temperatura estreme. La camera di shock termico ad alta e bassa temperatura è l'apparecchiatura di simulazione ambientale principale per tali test. LISUN HLST-500D La camera termica a shock termico ad alta e bassa temperatura appartiene al modello a due zone della serie HLST. È in grado di realizzare commutazioni di temperatura istantanee in un ampio intervallo di temperatura compreso tra -50℃ e 150℃ e di replicare le rapide e estreme variazioni di temperatura che si verificano durante l'utilizzo reale dei veicoli, grazie a un meccanismo a navetta. In conformità con le clausole di prova della norma ISO 16750-4, questo documento descrive il principio di funzionamento, le prestazioni hardware e il processo di esecuzione dei test della camera termica a shock termico ad alta e bassa temperatura, analizzandone l'applicazione pratica nella verifica dell'affidabilità di microcontrollori, display di bordo, gruppi ottici, circuiti stampati e altri componenti per autoveicoli. Fornisce inoltre riferimenti per i laboratori di ricerca e sviluppo e di controllo qualità nel settore dell'elettronica automobilistica, al fine di eseguire test di shock termico standardizzati. 

Introduzione

Con il continuo progresso dell'intelligenza artificiale e dell'elettrificazione nel settore automobilistico, il numero di componenti elettronici installati sui veicoli completi è in costante aumento. Chip di controllo MCU, display di bordo, moduli di gestione della batteria, unità di pilotaggio delle lampade e altre parti elettroniche sono installate in diverse aree come l'abitacolo, il vano motore e il telaio, e sono soggette a severe condizioni di shock termico. Quando i veicoli sono parcheggiati all'aperto in inverno, la temperatura dei componenti può scendere fino a -40 °C o anche meno. Dopo l'avvio del veicolo, il calore del motore e la luce solare diretta possono rapidamente innalzare la temperatura dei componenti oltre gli 85 °C, creando un'enorme differenza di temperatura in un breve lasso di tempo. I coefficienti di dilatazione termica non corrispondenti tra i vari materiali portano all'accumulo di stress interno dovuto alle ripetute espansioni e contrazioni termiche, con conseguente formazione di difetti latenti, tra cui microfratture nelle saldature dei PCB, crepe nelle guarnizioni degli alloggiamenti e deriva dei parametri dei componenti. Tali difetti potrebbero non essere rilevabili nei test convenzionali di cicli termici ad alta e bassa temperatura e possono essere efficacemente simulati solo mediante test di shock termico con commutazione istantanea tra alta e bassa temperatura.

Per i carichi climatici dell'elettronica di bordo, la norma ISO 16750-4 specifica diversi elementi di prova, tra cui la prova a temperatura costante, la prova a gradini di temperatura, la prova a cicli di temperatura e la prova di shock termico. Tra questi, la prova di shock termico valuta principalmente la tolleranza dei campioni a rapidi cambiamenti di temperatura e impone vincoli rigorosi sul tempo di commutazione della temperatura dell'apparecchiatura, sul tempo di recupero della temperatura e sull'uniformità della temperatura della cavità. Le normali camere ad alta e bassa temperatura hanno velocità di riscaldamento e raffreddamento limitate e non possono raggiungere una commutazione ad alta velocità tra ambienti ad alta e bassa temperatura, non riuscendo a soddisfare le condizioni di prova di shock termico specificate nella norma. Camera a shock termico ad alta e bassa temperatura è sviluppato specificamente per condizioni di variazione istantanea della temperatura ed è suddiviso in due tipi strutturali: modello a due zone (Tipo D) e modello a tre zone (Tipo T). Il modello a due zone utilizza un cestello portacampioni per spostare rapidamente i campioni tra la zona ad alta temperatura e la zona a bassa temperatura; il modello a tre zone mantiene i campioni fissi nella zona di prova e realizza effetti di shock alternando il flusso d'aria calda e fredda. Entrambe le strutture possono realizzare commutazioni di temperatura estreme in breve tempo e soddisfare i requisiti di prova di shock termico della norma ISO 16750-4. LISUN La camera termica a shock termico ad alta e bassa temperatura serie HLST adotta gruppi compressori importati e un sistema di controllo touch intelligente, ed è dotata di un set completo di meccanismi di protezione di sicurezza. Può essere utilizzata sia per lo screening di piccoli lotti di campioni in laboratorio per la ricerca e sviluppo, sia per la verifica dell'affidabilità di componenti prodotti in serie sulle linee di produzione, ed è ampiamente utilizzata nei test di certificazione di conformità per l'elettronica automobilistica, l'industria aerospaziale, i componenti a semiconduttore e altri settori.

HLST-500D-C_Camera di shock termico ad alta e bassa temperatura

Requisiti delle apparecchiature secondo la norma ISO 16750-4 per camere di shock termico ad alta e bassa temperatura

Secondo le clausole relative al test di shock termico della norma ISO 16750-4, i campioni di componenti elettronici per autoveicoli devono essere esposti alternativamente a temperature estreme, sia alte che basse. Il tempo di trasferimento dei campioni da una temperatura estrema all'altra deve essere rigorosamente controllato. Una volta entrati nella camera di prova, i campioni devono raggiungere la temperatura di prova entro il tempo di recupero specificato. Un tempo di trasferimento eccessivamente lungo sottoporrà i campioni a una lenta variazione di temperatura, non simulando correttamente lo stress da shock termico che si verifica in scenari reali. Un tempo di recupero della temperatura non adeguato o una scarsa uniformità della temperatura all'interno della camera comporteranno uno stress termico incoerente su campioni diversi dello stesso lotto, rendendo i risultati del test non confrontabili.

Lo standard richiede inoltre la registrazione completa delle curve di temperatura durante l'intero test per la successiva tracciabilità del rapporto. Pertanto, la camera di shock termico ad alta e bassa temperatura deve avere funzioni programmabili, che consentano la libera impostazione del tempo di permanenza ad alta/bassa temperatura e dei cicli di shock termico, nonché il supporto per l'archiviazione e l'esportazione dei dati di temperatura. Per i componenti di bordo installati nei vani motore e nel telaio, l'intervallo di temperatura di shock comunemente utilizzato è -40℃~125℃; i componenti all'interno dell'abitacolo adottano generalmente -20℃~85℃ per la verifica dello shock. Durante il test, i campioni non devono entrare in contatto con il condotto dell'aria della camera e la posizione di posizionamento deve garantire una circolazione del flusso d'aria sufficiente per evitare temperature locali anomale. Le tradizionali apparecchiature di prova ambientale difficilmente possono soddisfare molteplici requisiti, tra cui il trasferimento di secondo livello, il rapido recupero della temperatura e il funzionamento ciclico continuo a lungo termine. Al contrario, la camera a shock termico ad alta e bassa temperatura della serie HLST ha un tempo di conversione della temperatura ≤10 secondi e un tempo di recupero della temperatura ≤5 minuti per i modelli a due zone, con fluttuazione della temperatura ≤±0.5℃ e uniformità della temperatura ≤2℃. I suoi indicatori hardware possono coprire i vincoli delle apparecchiature per i test di shock termico specificati nella norma ISO 16750-4.

Architettura hardware e parametri prestazionali di HLST-500D Camera a shock termico ad alta e bassa temperatura

Migliori HLST-500D Si tratta di una camera per shock termico a due zone (Tipo D) ad alta e bassa temperatura. L'apparecchiatura è dotata di una camera ad alta temperatura e una a bassa temperatura indipendenti, e di un cestello portacampioni a movimento automatico. Durante il test, i campioni vengono fissati all'interno del cestello. Il meccanismo di trasporto automatico del cestello invia rapidamente i campioni da testare nella camera ad alta temperatura preriscaldata o nella camera a bassa temperatura preraffreddata, in modo che i campioni siano esposti direttamente ad ambienti a temperatura estrema per completare lo shock termico. Il sistema di refrigerazione adotta compressori a cascata ermetici della francese TECUMSEH o della tedesca Bitzer per garantire che la camera a bassa temperatura possa mantenere stabilmente la temperatura di -50℃. L'unità di riscaldamento utilizza resistenze elettriche indipendenti in nichelcromo con elevata efficienza di riscaldamento e uscita di temperatura stabile. Il guscio esterno del cabinet è realizzato in acciaio al carbonio di alta qualità trattato con verniciatura elettrostatica al fosfato. La cavità interna è realizzata in lamiera di acciaio inossidabile SUS304, resistente all'invecchiamento termico e facile da pulire. Lo strato di isolamento termico è costituito da un composito di schiuma rigida di poliuretano e cotone in fibra di vetro fine, che riduce lo scambio di calore tra le camere calda e fredda e diminuisce il consumo energetico delle apparecchiature.

Il sistema di controllo adotta un touchscreen a cristalli liquidi a colori sviluppato internamente con una risoluzione di visualizzazione della temperatura di 0.1℃. La durata del test può essere impostata liberamente tra 0.1 e 999.9 ore/minuti/secondi. Sono dotati di sensori di temperatura a resistenza di platino PT100Ω/MV, caratterizzati da una forte resistenza alle interferenze elettromagnetiche e da un'elevata precisione di acquisizione della temperatura. Il dispositivo integra molteplici protezioni contro perdite, cortocircuiti, surriscaldamento del riscaldatore, surriscaldamento del motore e sovrapressione e sovracorrente del compressore. Attiva automaticamente allarmi in condizioni di lavoro anomale per garantire la sicurezza dell'apparecchiatura e del campione durante test ciclici di lunga durata non presidiati. La tabella seguente elenca le specifiche chiave dei principali modelli del LISUN Camera di shock termico ad alta e bassa temperatura serie HLST. HLST-500D Dispone di un ampio volume della camera di lavoro, adatto per test di shock termico in serie di componenti elettronici automobilistici di medie dimensioni, come moduli di bordo, schermi e gruppi ottici.

Punti di implementazione della norma ISO 16750-4 Test di shock termico con camera di shock termico ad alta e bassa temperatura

Prima del test formale di shock termico per l'elettronica automobilistica, è necessario completare la verifica preliminare della camera di shock termico ad alta e bassa temperatura. L'ambiente di installazione dell'apparecchiatura deve essere controllato a una temperatura ambiente di 5℃-30℃, con un'umidità relativa non superiore all'85% UR, con una buona ventilazione e uno spazio dedicato alla dissipazione del calore, per evitare l'attenuazione delle prestazioni di raffreddamento e riscaldamento causata da una scarsa dissipazione del calore. Eseguire una verifica a vuoto per confermare che le camere ad alta e bassa temperatura dell'apparecchiatura possano normalmente raggiungere le temperature estreme impostate, verificare che il tempo di conversione della temperatura e il tempo di recupero della temperatura rientrino nei limiti standard e verificare il normale funzionamento della modifica del programma tramite touchscreen, della registrazione dei dati e della protezione dagli allarmi. I campioni di prova devono essere sottoposti a un'ispezione iniziale per aspetto e prestazioni elettriche e devono essere registrati i parametri funzionali iniziali dei campioni. I campioni devono essere posizionati sul supporto del cestello con degli spazi vuoti tra di essi. I condotti dell'aria non devono essere ostruiti per evitare variazioni di temperatura locali causate da un'ostruzione della circolazione dell'aria.

Redigere il programma di prova dell'apparecchiatura in conformità ai requisiti della norma ISO 16750-4, impostando la temperatura di shock termico ad alta e bassa temperatura, il tempo di permanenza ad alta e bassa temperatura e il numero totale di cicli. Il tempo di permanenza deve garantire che il campione raggiunga completamente la temperatura impostata, anziché fare riferimento solo alla temperatura dell'aria all'interno della camera. Il numero di cicli è determinato in base alla posizione di installazione del componente e ai requisiti delle specifiche complete del veicolo, generalmente compreso tra 50 e 300 cicli. Avviare il funzionamento automatico della camera di shock termico ad alta e bassa temperatura. L'apparecchiatura completerà automaticamente il preriscaldamento e il preraffreddamento delle camere ad alta e bassa temperatura. Successivamente, il cestello si muove avanti e indietro per sottoporre alternativamente i campioni a shock ad alta e bassa temperatura, registrando continuamente i dati storici di temperatura della camera durante l'intero processo. Dopo aver completato un certo numero di cicli, il test può essere sospeso per prelevare campioni da sottoporre a verifica del funzionamento all'accensione, osservare eventuali guasti come crepe nell'involucro, infiltrazioni d'acqua nelle guarnizioni, anomalie di comunicazione e deriva dei parametri, e formulare un giudizio completo sulle prestazioni al termine di tutti i cicli.

Oltre ai test di shock termico, questa camera per shock termico ad alta e bassa temperatura è conforme anche agli standard nazionali e internazionali relativi agli shock termici, come GJB 150.5A-2009, MIL-STD-883H e IEC 60068-2-14. Oltre all'elettronica automobilistica, può essere utilizzata per la verifica dell'affidabilità di componenti aerospaziali, chip semiconduttori, componenti optoelettronici e materiali polimerici. Per oggetti da testare di diverse dimensioni, è possibile scegliere tra modelli a due o tre zone. I modelli a due zone sono preferibili per campioni di piccole dimensioni, mentre i modelli a tre zone possono essere adottati per alcuni campioni di grandi dimensioni non adatti al movimento, in cui i campioni rimangono fissi e lo shock termico viene realizzato alternando il flusso d'aria calda e fredda.

Note sull'utilizzo e la manutenzione a lungo termine delle apparecchiature

Quando la camera di shock termico ad alta e bassa temperatura esegue test di shock ciclici intensivi, la manutenzione dell'apparecchiatura influirà direttamente sulla validità dei risultati dei test. Ispezionare regolarmente il gruppo di dissipazione del calore del condensatore del compressore e pulire tempestivamente la polvere superficiale per garantire l'efficienza dello scambio termico del sistema di refrigerazione. Controllare regolarmente il meccanismo di trasmissione del cestello (modelli a due zone) per garantire una trasmissione fluida e prevenire inceppamenti durante il trasferimento del campione, che causano tempi di trasferimento eccessivi. Ispezionare le guarnizioni della porta per verificare l'assenza di invecchiamento e perdite d'aria ed evitare dispersioni di temperatura tra le camere calda e fredda. Le funzioni di protezione di sicurezza integrate nell'apparecchiatura non devono essere disattivate manualmente. In caso di allarmi di sovrapressione o surriscaldamento del compressore, i problemi devono essere indagati ed eliminati prima di riprendere i test. Per i test di affidabilità a lungo termine dell'elettronica automobilistica, si raccomanda di esportare periodicamente le curve di funzionamento della temperatura dell'apparecchiatura come materiale di tracciabilità a supporto dei rapporti di prova.

Conclusione

Il test di shock termico specificato nella norma ISO 16750-4 è un elemento chiave per la verifica dell'affidabilità dei componenti elettronici automobilistici. Questo test può stimolare efficacemente vari guasti latenti indotti da stress di espansione e contrazione termica, e l'affidabilità dei risultati del test dipende fortemente dalle prestazioni complessive della camera di shock termico ad alta e bassa temperatura. LISUN HLST-500D Camera a shock termico ad alta e bassa temperatura Caratterizzata da commutazione istantanea nell'ampio intervallo di temperatura da -50℃ a 150℃, questa camera termica ad alta e bassa temperatura, grazie all'adozione del collaudato principio del cestello a due zone, unitamente a componenti principali importati, un sistema di controllo intelligente e una protezione di sicurezza completa, è in grado di soddisfare gli indicatori delle apparecchiature per i test di shock termico secondo la norma ISO 16750-4 e di replicare l'ambiente di variazione di temperatura estremamente rapida che si verifica durante il servizio reale del veicolo, aiutando il personale di R&D a identificare rapidamente i difetti di progettazione di MCU, lampade, display, assemblaggi PCB e altri componenti di bordo. Questa camera termica ad alta e bassa temperatura può essere utilizzata per test di screening dei campioni nella fase di R&D, per il controllo qualità in entrata dei componenti e per la certificazione di conformità presso istituti di prova di terze parti. Nel lavoro di test pratico, i tester devono comprendere appieno i vincoli di prova della norma ISO 16750-4, completare la calibrazione preliminare delle apparecchiature, disporre i campioni in modo appropriato, conservare i dati di processo ed eseguire una regolare manutenzione delle apparecchiature, sfruttare appieno le prestazioni delle apparecchiature, garantire l'autenticità e la credibilità dei risultati dei test di shock termico e fornire un solido supporto di test per la progettazione affidabile dei prodotti elettronici per autoveicoli.