電子產品低溫試驗能力驗證不滿意原因分析

沈援海，周 興，盧 冬

（中移（杭州）信息技術有限公司，杭州 311121）

環(huán)境試驗是驗證電工電子產品可靠性質量的不可缺失的一個環(huán)節(jié)，是覆蓋范圍最廣的一項基礎性測試。低溫試驗是環(huán)境試驗中最常用的一種測試方法，其主要目的是用來確定元器件、設備或者其他產品在低溫環(huán)境下使用、運輸或貯存的能力。環(huán)境試驗數據的準確性和一致性對試驗結果具有重要的影響，而如何確認檢測機構具有相應的環(huán)境試驗能力成為最關鍵的問題。目前按照中國合格評定國家認可委員會（CANS）程序文件CNAS-RL02：2018《能力驗證規(guī)則》中對環(huán)境測試領域的要求，認可實驗室至少每2 年進行一次能力驗證試驗，用于確認認可實驗室相應的試驗能力，其測試方法滿足相關標準要求，其檢測結果的準確性。

本文以近期筆者參與的廣州賽寶實驗室組織的低溫試驗能力驗證計劃為例，介紹了低溫試驗能力驗證的基本要求，并對實驗室的能力驗證評價結果進行了根本原因分析，以期為業(yè)界同類認可實驗室提供一定的參考。

1 低溫試驗能力驗證的基本要求

1.1 試驗的依據和目的

低溫試驗能力驗證計劃的依據是GB/T 2423.1—2008/IEC 60068-2-1：2007《電工電子產品環(huán)境試驗第2 部分：試驗方法 試驗A：低溫》，其主要目的是驗證試驗進行低溫試驗的能力，考察實驗室儀器設備、環(huán)境設施、試驗防護和試驗人員操作等是否滿足標準的要求。

按照上述標準的要求，低溫試驗可細分為非散熱樣品低溫試驗Ab、散熱樣品低溫試驗Ad 和散熱樣品低溫試驗Ae，3 種試驗方法所使用的設備要求不同。

1.2 試驗的樣品

本次能力驗證計劃的樣品是測試盒1 個（含電源線1 條，測試線1 對）。該測試盒還可用于高溫試驗的能力驗證。本次低溫試驗，樣品是通電非散熱試驗樣品，供電電源的電壓為220 V±3%，頻率為50 Hz±2%，如圖1 所示。試驗的樣品按照0.3σ（西格瑪）準則的要求完成了均勻性校驗和穩(wěn)定性校準。

圖1 能力驗證樣品實物圖

1.3 試驗的設備

低溫試驗能力驗證的試驗箱的制造和性能確認需滿足GB/T 2424.5—2021/IEC 60068-3-5：2018《環(huán)境試驗 第3 部分：支持文件及導則溫度試驗箱性能確認》和GB/T 2424.7—2006/IEC 60068-3-7：2001《電工電子產品環(huán)境試驗 試驗A 和B（帶負載）用溫度試驗箱的測量》的規(guī)定要求。目前，實驗室使用較普遍的是可程式恒溫恒濕箱，其由觸摸式控制器、溫濕度監(jiān)測傳感器、壓縮機、箱體、自動補水裝置及保護裝置等模塊組成，其實物示意圖如圖2 所示。

圖2 可程式恒溫恒濕箱實物圖

根據低溫試驗工作空間的氣流速度，試驗箱可分為低氣流速度溫箱和高氣流速度溫箱。低氣流速度溫箱指低溫試驗時試件上任意點的溫度不會因為空氣循環(huán)的影響降低到5 K 以上，該試驗溫箱適用于試驗Ad和試驗Ae。高氣流速度溫箱指低溫試驗時試件上任意點的溫度因為空氣循環(huán)的影響降低到5 K 以上，可以防止由于溫度改變對試驗樣品產生有害作用，也可以減少達到溫度文檔所需要的試卷，該試驗溫箱適用于試驗Ab。

本實驗中心使用MHX-1000NKM 恒溫恒濕箱參與低溫試驗能力驗證活動，并按期每年對其溫濕度、風速和溫度變化速率等參數進行校準，確保試驗設備的系統(tǒng)誤差滿足低溫試驗標準要求，近期低溫試驗系統(tǒng)的校準結果詳見表1。

表1 恒溫恒濕箱溫濕度校準結果表

1.4 試驗的程序

根據低溫試驗能力驗證提供者提供的作業(yè)指導書，本次試驗依據GB/T 2423.1—2008/IEC 60068-2-1：2007《電工電子產品環(huán)境試驗 第2 部分：試驗方法試驗A：低溫》標準全過程進行，溫度嚴酷等級為-20 ℃，持續(xù)時間嚴酷等級為120±5 min，樣品通電且非散熱試驗樣品，采用試驗Ab 方法進行，使用高氣流速度循環(huán)。試驗開始前，將試驗樣品在“測量和試驗用標準大氣條件”的穩(wěn)定環(huán)境下放置2 h 以上；然后，將試驗樣品放入低溫試驗箱內，連接供電電源線和測試端口連接線，并在開始計算持續(xù)時間時，通過測試端口測試樣品的電阻值。按照試驗Ab 方法進行試驗時，試驗箱和通電非散熱樣品的溫度變化曲線示意圖如圖3 所示。

圖3 通電非散熱樣品低溫試驗溫度變化示意圖

1.5 低溫試驗的應用

本試驗應用于設備周圍可能會發(fā)生低溫環(huán)境下的情況。用來評價低溫環(huán)境下對設備內部的器件、結構及外觀等造成的影響。典型的應用情況如下。

（1）設備在低溫環(huán)境下貯存。

（2）設備在高空的低溫環(huán)境下運輸。

（3）設備在冬季寒冷天氣室外無防護情況下使用。

1.6 低溫試驗的重要因素

1.6.1 試驗方式的選擇

按照試驗樣品是否散熱、溫度變化速率及試驗期間是否通電等情況，低溫試驗的方法可以細分為以下幾種。

（1）試驗Ab：非散熱試驗樣品，溫度漸變。

（2）試驗Ad：散熱試驗樣品，溫度漸變。

（3）試驗Ae：散熱試驗樣品，溫度漸變，試驗樣品在低溫試驗全過程中通電。

因此，在進行低溫試驗時需要首先根據試驗樣品的實際情況選擇合適的試驗方法。

1.6.2 低溫持續(xù)時間

低溫試驗的目的是快速確定元件、設備或其他產品處于低溫環(huán)境下電氣性能和外觀結構的變化影響程度，因此，試驗樣品暴露于極限低溫的持續(xù)時間應為設備的實際工作時間或設備溫度的溫度時間，可以結合產品耐久性和可靠性要求進行選擇，一般推薦使用2 h、16 h、72 h 和96 h。

1.6.3 低溫溫度

可以根據元件、設備或其他產品在使用、運輸或貯存等實際應用過程中的低溫環(huán)境確定試驗溫度，也可以根據試件的最極端的非工作溫度要求確定低溫試驗溫度。GB/T 2423.1—2008/IEC 60068-2-1：2007《電工電子產品環(huán)境試驗 第2 部分：試驗方法 試驗A：低溫》中規(guī)定了低溫溫度嚴酷值，分別為最低溫度為-65 ℃，最高溫度為＋5 ℃，則試驗時建議使用能夠體現設備實際使用環(huán)境情況的溫度值進行相關的檢驗。

1.6.4 溫度變化速率

GB/T 2423.1—2008/IEC 60068-2-1：2007《電工電子產品環(huán)境試驗 第2 部分：試驗方法 試驗A：低溫》標準中規(guī)定，對應低溫試驗Ab、試驗Ad 和試驗Ae，試驗時試驗箱內的溫度變化速率均不能超過1 K/min，即不超過5 min 時間的平均值。當試驗持續(xù)時間結束時，試驗樣品應繼續(xù)放置在試驗箱內，然后以不超過1 K/min 的溫度變化速率將溫度升至常溫，恢復1 h 后取出進行最終的檢測。

1.6.5 相對濕度

試驗箱內的相對濕度在大部分的環(huán)境試驗過程中都需要進行監(jiān)控。在低溫試驗的溫升恢復階段，如果試件的熱容量較大，試件表面的溫度變化速率明顯低于試驗箱內的空氣溫度的變化速率，存在較大的溫差情況。同時此時若溫度箱內空氣濕度較大，則試件的表面就會出現凝露。反之，在低溫試驗開始時，溫度降低過程中，若空氣中含有的水汽過飽和，則試件表面容易產生結霜。因此，試驗過程中應采取合適的步驟按要求進行相對濕度的控制，并保證不損害試件。

2 能力驗證結果及分析

2.1 結果評價原則

本實驗室的低溫試驗能力驗證計劃為通電非散熱樣品，采用定性評價與定量評價相結果的原則對參加的實驗室的測試結果進行綜合評定。

2.1.1 定性評價

定性參數評價指定值由組織、實施機構組織專家組確定，如開機試驗前試驗箱溫度、試驗結束開箱取出樣品前試驗箱的溫度、穩(wěn)定時間1（通電時間到試驗箱開始到達溫度嚴酷等級的時間）、穩(wěn)定時間2（讀取樣品測試端口電阻值的時間到通電時間）、斷電時間與持續(xù)時間結束時的差和持續(xù)時間（試驗持續(xù)時間結束的時間到讀取樣品測試端口電阻值的時間）等8 項定性參數指定值。組織、實施機構根據能力驗證計劃參加者返回的過程結果，對定性參數值進行評價。如定性參數全部符合要求，則定性評價為滿意；如定性參數存在1~2 項不符合項，則定性評價為可疑；如定性參數存在3 項及以上不符合項，則定性評價為不滿意。

2.1.2 定量評價

根據低溫試驗能力驗證計劃作業(yè)指導書，將試驗樣品的溫度傳感器探頭放入低溫試驗箱內，在到達規(guī)定的試驗溫度穩(wěn)定一段時間后，試驗樣品測試端口兩端的電阻值是能力驗證的定量驗證評價參數值。同時根據CNAS-GL002：2018《能力驗證結果的統(tǒng)計處理和能力評價指南》的要求評價，采用所有能力驗證計劃參加者的數據平均值和標準偏差作為評價指定值和能力評定標準差。其依據的計算公式為

式中：x 為參加者測試結果；X 為指定值；δ 為能力評定標準差。

實驗室能力驗證定量評價原則：

①若|Z|≤2，則評價結果為滿意；②若2<|Z|<3，則評價結果為有疑問；③若|Z|≥3，則評價結果為不滿意。

|Z|值越小則說明測量結果越精確。

2.1.3 綜合評定

本次低溫試驗能力驗證計劃對參加實驗室的測量過程和測量數據采用定量與定性雙維度的評估方案。當實驗室的定性、定量結果均為滿意則綜合評定為滿意，定性結果或定量結果有可疑的則綜合評價為可疑，定性結果或定量結果有不滿意的則綜合評價為離群。

2.2 結果評價

以某年本實驗中心參與實施的低溫試驗能力驗證計劃，其低溫能力驗證測量結果的定性和定量評價為例，詳見表2。

表2 低溫試驗能力驗證評價細表

由表2 可知，本次實驗室的低溫試驗能力驗證計劃的實驗室Z 比分數絕對值小于2，評價結果為滿意，但其定性項目有3 處不符合評價結果，因此定性評價為不滿意。所以，最終綜合評定結果為離群。

2.3 結果評價的分析和建議

本次低溫試驗能力驗證結果不滿意的原因：檢測人員對低溫試驗標準全過程試驗理解不到位，未嚴格驗證能力驗證作業(yè)指導書要求進行操作。在試驗過程中，未考慮到通電對試驗樣品穩(wěn)定性造成的影響，導致其操作環(huán)節(jié)與其他實驗室有所不同，最終引起結果的偏離。

因此，為了提高實驗室低溫試驗能力驗證活動所測數據的準確性和能力驗證評價結果的滿意度，本文總結了低溫試驗過程中的幾點注意事項：①試驗要采用溫度漸變方式改變樣品的溫度，不能采用突變方式改變樣品溫度。樣品放置在符合“測量和試驗用標準大氣條件”的實驗室溫度的試驗箱內，以不超過1 K/min（不超過5 min 時間的平均值）的速率漸變降溫；②對通電樣品，應在試驗樣品溫度達到穩(wěn)定后通電。也就是說，試驗箱穩(wěn)定達到規(guī)定的嚴酷等級后，還需要等到樣品溫度穩(wěn)定后才能給樣品通電；③樣品通電后，樣品溫度會上升，還需等到樣品溫度穩(wěn)定后，在該低溫條件下暴露相關規(guī)定的持續(xù)時間；④樣品通電并溫度穩(wěn)定后，試驗持續(xù)時間應滿足能力驗證計劃要求；⑤持續(xù)時間結束后，樣品應在溫度上升前斷電，即樣品斷電時間與試驗持續(xù)時間結束的時間差為0，不應超過5 min；⑥試驗的持續(xù)時間完成后，也是以不超過1 K/min（不超過5 min 時間的平均值）的速率漸變升溫，使試驗箱的溫度升至符合測量和試驗用標準大氣條件的實驗室溫度時才能從試驗箱里取出樣品，避免樣品溫度的突變。

3 結束語

本文對電工電子產品的低溫試驗能力驗證的基本要求進行了闡述，同時以實驗中心參與的試驗方案為例對評價結果進行了定性和定量的分析，明確了低溫試驗的全過程把控因素，提高了實驗室的檢測水平，使試驗結果更加準確，增加了客戶對實驗室的信任，對后續(xù)其他實驗室進行類似能力驗證提供一些借鑒和參考。