淺談低溫脆化試驗機以及溫度環(huán)境試驗設備
脆化溫度是一項實用的基礎技術研究，是穩(wěn)定產品質量和提高產品質量的重要技術措施之一。其主要任務是研究環(huán)境對產品的影響，解決產品的貯存、運輸或使用中的可靠性問題。主要包括研究產品的各種環(huán)境條件、針對產品所處的特殊環(huán)境研究相應的防護技術以及研究和制訂環(huán)境試驗方法以鑒別產品對環(huán)境的適應能力等。
評價產品的價值不應該僅僅局限于對產品自身功能與性能進行評價。換句話說，質量是產品價值的基礎，產品價值取決于其自身質量。產品投放到市場后發(fā)生質量問題時，性能的損壞程度并不直接影響產品成本，但是對于廠家來講*大損失莫過于品牌信譽的損失。為了避免這些損失，在產品投放市場之前，就必須要對產品作質量鑒定。環(huán)境試驗不僅能夠通過模擬試驗和產品壽命老化試驗對產品進行質量鑒定，還是質量保證體系中必不可少的先決條件；同時可用來評價防護措施的效果和鑒定產品對環(huán)境的適應能力，也可以摸清環(huán)境因素的影響程度及其使用處理。
淺談低溫脆化試驗機以及溫度環(huán)境試驗設備將簡單介紹一下環(huán)境試驗的基礎概念知識，以及就和溫度相關的環(huán)境試驗設備作以簡要介紹。
我們這里講的環(huán)境試驗是狹義的，實際是指人工模擬的環(huán)境試驗（以下稱為環(huán)境試驗）。廣義上環(huán)境試驗基本分為“自然暴露試驗”、“人工模擬試驗”和“現(xiàn)場運行試驗”三類。自然暴露試驗，是將樣品長期暴露在自然環(huán)境條件下進行測試?，F(xiàn)場運行試驗，是將樣品裝置在各種典型的使用現(xiàn)場并使它處于正常運行狀態(tài)進行測試。這兩種試驗都能直接反映產品實際使用中的性能和可靠性，也是驗證人工模擬試驗準確性的基礎。但是試驗周期都較長，花費人力物力大，并且前者試驗條件不能控制，影響試驗的再現(xiàn)性，且有時跟不上產品的發(fā)展；后者數據反饋慢。因此為了在較短時間內能鑒定產品對環(huán)境的適應能力，在科研和生產工作中多采用人工模擬環(huán)境試驗，即在實驗室的試驗設備（箱或室）內模擬一個或多個環(huán)境因素的作用，并予以適當的強化。人工模擬試驗的試驗條件的確定，要求既能模擬環(huán)境中主要因素影響的真實性，又能在時間上起一定的加速作用，但是加速的程度不應改變產品實際損壞機理的規(guī)律。為此，人工模擬試驗的試驗條件和方法必須與產品環(huán)境條件的等級、數值有機地聯(lián)系起來。
如圖1所示，環(huán)境試驗簡單劃分可分為“氣候環(huán)境試驗”、“機械環(huán)境試驗”和“綜合環(huán)境試驗”。與氣候有關的環(huán)境試驗包括溫度、濕度與壓力等環(huán)境應力試驗，而機械環(huán)境試驗則包括沖擊和振動等環(huán)境應力試驗，綜合環(huán)境試驗則是綜合氣候和機械等環(huán)境因素的應力試驗。
當然，使用環(huán)境試驗設備進行的試驗并不可能完全**地再現(xiàn)出產品的使用環(huán)境以及模擬出所有的環(huán)境因素，在這里必須理解環(huán)境試驗的局限性。由單一因素（溫度、濕度、壓力、振動、沖擊或某一物質如鹽）構成的環(huán)境試驗稱之為簡單環(huán)境試驗。實際上產生完全單一的環(huán)境很困難，而且大部分試驗環(huán)境都是十分復雜的。因此在設計試驗條件時，試驗人員需要選擇對產品有*大影響*為重要的環(huán)境因素，所以說環(huán)境試驗只能是一個與真實環(huán)境還存在很大區(qū)別的人為環(huán)境。
一般性，產品的缺陷是由以下幾個方面造成的：
a. 原材料的濃度和多樣性、摩擦、磨損、應力、熱、電流以及電場強度，這些因素會影響產品某些方面的性能；
b. 在產品設計和制造過程中由產品特性（原材料、制造工藝、結構部件以及大規(guī)模生產時）所引發(fā)的因素；
c. 外界環(huán)境產生的應力。
因此，試驗條件必須依據具體的產品條件而定，對于不同的產品是不一樣的。如果被試驗研究的產品發(fā)生了變化，相應的環(huán)境試驗也要改變。
2. 溫度應力
環(huán)境應力條件可以引起產品失效，Hughes航空公司（美國）技術資料明確地表示了失效與環(huán)境應力之關（見圖2）?？梢娫诟鞣N應力影響之中溫度和濕度環(huán)境應力所引發(fā)地失效占所有環(huán)境應力引發(fā)失效的60％左右，而溫度應力與失效之間存在著密切的關系。
淺談環(huán)境試驗及溫度環(huán)境試驗設備目前，在世界各地，無論從陸地到海洋或者從高空到宇宙空間，都廣泛地使用電子電工以及其他領域的產品。由于氣溫隨著高度的增加而降低或在冬季高緯度地區(qū)，或者有些產品所在位置接近制冷元件、設備或系統(tǒng)，或者有些產品本身就包括制冷元件、設備或系統(tǒng)，從而產生低溫環(huán)境。低溫幾乎對所有的材料都會產生不同程度的有害影響，構成產品的各種材料的物理性能、電性能等將發(fā)生變化，導致暫時性或長久性的性能下降，甚至引起失效。
圖2 環(huán)境應力與失效之關系
同樣，低緯度熱帶地區(qū)的自然高溫、太陽輻射的增溫、通風**引起的溫升以及散熱樣品在使用中自身發(fā)熱引起的溫升等產生的高溫，高溫會使電子組合可靠性下降，機械結構的密封件、橡膠件和塑料件等受高溫和太陽照射作用會迅速老化和劣化，其他各種材料的結構、物理性能、電性能也會發(fā)生很大的變化，導致暫時或長久性的損傷和性能變化。
另外，在產品貯存、運輸、使用和安裝過程以及中，除自然氣候的變化以外，也會遇到因人類的社會實踐而誘發(fā)的環(huán)境溫度的變化。例如設備從溫度較高的室內移到溫度相對較低的室外；或者從溫度相對較低的室外移到溫度較高的室內；或者在室外使用的設備在強烈的太陽輻射之后突然降雨或浸到冷水；或者溫度的極度升高導致焊錫回流現(xiàn)象出現(xiàn)，或者啟動馬達時周圍器件的溫度急速升高，關閉馬達時周圍器件會出現(xiàn)溫度驟然下降；或者設備可能在溫度較低地環(huán)境中連接到電源上，導致設備內部產生陡峭的溫度梯度，在溫度較低地環(huán)境中切斷電源可能會導致設備內部產生相反方向陡峭的溫度梯度；或者當航空器起飛或者降落時，航空器機載外部器材可能會出現(xiàn)溫度地急劇變化等等。由于急劇的溫度變化將使產品受到一定熱沖擊力，在這種熱沖擊力的作用下，將導致電子電工元件的涂覆層脫落、密封材料龜裂甚至破碎、填充材料泄漏等，從而引起電子元器件電性能下降；對于由不同材料構成的產品，由于溫度變化時產品受熱不均勻，導致產品變形、開裂、破碎等。由于溫度變化產生較大的溫差，低溫時產品表面會產生凝露或結霜，高溫時蒸發(fā)或融化，如此高低溫反復作用的結果導致和加速了產品的腐蝕。
淺談環(huán)境試驗及溫度環(huán)境試驗設備下表給出了溫度應力引發(fā)失效的主要類型。
表1 溫度應力引發(fā)失效的主要類型
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失效
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環(huán)境應力條件
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敏感元件和材料
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大分類
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中分類（原因）
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失效模式
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溫度
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高溫老化
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老化
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抗拉強度老化
絕緣老化
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溫度+時間
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塑料、樹脂
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化學變化
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熱分解
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溫度
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塑料、樹脂
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軟化、熔化、汽化、升華
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扭曲
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溫度
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金屬、塑料、熱保險絲
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高溫氧化
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氧化層的結構
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溫度+時間
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連接點材料
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熱擴散（金屬化合物結構）
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引線斷裂
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溫度+時間
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異金屬連接部位
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中級破壞
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半導體
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熱點
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溫度、電壓、電子能
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非均質材料
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熱積聚燃燒
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（剩余的熱燃燒）
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燃燒
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加熱+烘干+時間
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塑料（例如帶有維尼綸和聚氨酯油漆的木質芯片）
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穿刺
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內在的
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短路
絕緣性差
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高溫（200~400℃）
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銀，金，鋼鐵，鎂，鎳，鉛，鈀，鉑，鉭，鈦，鎢，鋁
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非內在的
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短路
絕緣性差
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高溫（400~1000℃）
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銅，銀，鐵，鎳，鈷，錳，金，鉑和鈀的鹵化物
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遷移
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電遷移
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斷開，引線斷裂
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溫度（0.5Tm）+電流（密度為106A/cm2）
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例如鎢，銅，鋁（特別是集成電路中的鋁引線）
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蔓延
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金屬
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疲勞，損壞
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溫度+應力+時間
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彈簧，結構元件
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塑料
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疲勞，損壞
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溫度+應力+時間
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彈簧，結構元件
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低溫易脆
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金屬
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損壞
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低溫
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體心立方晶體（例如銅，鉬，鎢）和密排立方晶體（例如鋅，鈦，鎂）及其合金
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塑料
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損壞
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低溫+低濕度
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高玻璃化溫度（例如纖維素乙烯氨），低彈性的非晶體（例如苯乙烯，丙烯酸甲酯）
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焊劑流動
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焊劑流粘到冷金屬表面
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噪聲，連接不實
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低溫
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特別是連接到印刷電路板上的元件（例如開關，連接器件）
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