Cách kiểm định độ tin cậy của thiết bị điện tử ô tô bằng buồng sốc nhiệt độ cao và thấp (ISO 16750-4)

Tóm tắt
Các thiết bị điện tử ô tô hoạt động trong môi trường khí hậu tự nhiên phức tạp. Sự thay đổi giữa ngày và đêm và các thay đổi theo mùa trên xe có thể gây ra những biến đổi nhiệt độ đột ngột và mạnh. Sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt của các vật liệu khác nhau có thể gây ra các lỗi như nứt mối hàn, hỏng gioăng và suy giảm hiệu suất điện. Là một tiêu chuẩn quốc tế quan trọng về thử nghiệm tải trọng khí hậu đối với thiết bị điện và điện tử trên xe đường bộ, ISO 16750-4 quy định rõ ràng các yêu cầu thử nghiệm về sốc nhiệt và thay đổi nhiệt độ nhanh để đánh giá độ tin cậy hoạt động của các linh kiện điện tử trên xe trong điều kiện chênh lệch nhiệt độ cực đoan thay đổi liên tục. Buồng sốc nhiệt độ cao và thấp là thiết bị mô phỏng môi trường cốt lõi cho các thử nghiệm như vậy. LISUN HLST-500D Buồng thử sốc nhiệt độ cao và thấp thuộc dòng sản phẩm HLST (High and Low Temperature Shock Chamber). Nó có thể thực hiện chuyển đổi nhiệt độ tức thời trong phạm vi nhiệt độ rộng từ -50℃ đến 150℃ và mô phỏng môi trường chênh lệch nhiệt độ cực nhanh trong quá trình vận hành thực tế của xe bằng cơ chế vận chuyển giỏ. Kết hợp với các điều khoản thử nghiệm của tiêu chuẩn ISO 16750-4, bài báo này mô tả nguyên lý hoạt động, hiệu năng phần cứng và quy trình thực hiện thử nghiệm của Buồng thử sốc nhiệt độ cao và thấp, đồng thời phân tích ứng dụng thực tiễn của nó trong việc kiểm chứng độ tin cậy của các vi điều khiển ô tô, màn hình hiển thị trên xe, cụm đèn, bảng mạch PCB và các linh kiện khác. Bài báo cung cấp tài liệu tham khảo cho các phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển điện tử ô tô và các phòng kiểm tra chất lượng để thực hiện các thử nghiệm sốc nhiệt tiêu chuẩn. 

Giới thiệu

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ ô tô thông minh và điện khí hóa, số lượng linh kiện điện tử trang bị trên các phương tiện hoàn chỉnh ngày càng tăng. Các chip điều khiển MCU, màn hình hiển thị trên xe, mô-đun quản lý pin, bộ điều khiển đèn và các bộ phận điện tử khác được lắp đặt ở các khu vực khác nhau như cabin, khoang động cơ và khung gầm, và phải chịu điều kiện sốc nhiệt khắc nghiệt. Khi xe đỗ ngoài trời vào mùa đông, nhiệt độ của các linh kiện có thể giảm xuống -40℃ hoặc thậm chí thấp hơn. Sau khi khởi động xe, nhiệt từ động cơ và ánh nắng trực tiếp có thể nhanh chóng làm tăng nhiệt độ của các linh kiện lên trên 85℃, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ lớn trong thời gian ngắn. Hệ số giãn nở nhiệt không phù hợp giữa các vật liệu khác nhau dẫn đến tích tụ ứng suất bên trong do sự giãn nở và co lại nhiệt lặp đi lặp lại, dẫn đến các khuyết tật tiềm ẩn bao gồm các vết nứt nhỏ trên mối hàn PCB, nứt các lớp niêm phong vỏ và sự thay đổi thông số của linh kiện. Những khuyết tật như vậy có thể không được phát hiện trong các thử nghiệm chu kỳ nhiệt độ cao-thấp thông thường và chỉ có thể được kích thích hiệu quả bằng các thử nghiệm sốc nhiệt với sự chuyển đổi nhiệt độ cao và thấp tức thời.

Đối với tải trọng khí hậu của thiết bị điện tử trên tàu, tiêu chuẩn ISO 16750-4 quy định nhiều hạng mục thử nghiệm bao gồm thử nghiệm nhiệt độ không đổi, thử nghiệm thay đổi nhiệt độ đột ngột, thử nghiệm chu kỳ nhiệt độ và thử nghiệm sốc nhiệt. Trong đó, thử nghiệm sốc nhiệt chủ yếu đánh giá khả năng chịu đựng của mẫu đối với sự thay đổi nhiệt độ nhanh chóng, và đặt ra những ràng buộc nghiêm ngặt về thời gian chuyển đổi nhiệt độ của thiết bị, thời gian phục hồi nhiệt độ và độ đồng đều nhiệt độ trong khoang thử nghiệm. Các buồng nhiệt độ cao và thấp thông thường có tốc độ gia nhiệt và làm mát hạn chế và không thể đạt được tốc độ chuyển đổi cao giữa môi trường nhiệt độ cao và thấp, do đó không đáp ứng được các điều kiện thử nghiệm sốc nhiệt được quy định trong tiêu chuẩn. Buồng sốc nhiệt ở nhiệt độ cao và thấp Thiết bị này được phát triển đặc biệt cho các điều kiện thay đổi nhiệt độ tức thời và được chia thành hai loại cấu trúc: mô hình hai vùng (Loại D) và mô hình ba vùng (Loại T). Mô hình hai vùng sử dụng giỏ đựng mẫu để di chuyển nhanh các mẫu giữa vùng nhiệt độ cao và vùng nhiệt độ thấp; mô hình ba vùng giữ các mẫu cố định trong vùng thử nghiệm và đạt được hiệu ứng sốc bằng cách chuyển đổi luồng khí nóng và lạnh. Cả hai cấu trúc đều có thể thực hiện chuyển đổi nhiệt độ cực đoan trong thời gian ngắn và đáp ứng các yêu cầu thử nghiệm sốc nhiệt của tiêu chuẩn ISO 16750-4. LISUN Buồng thử sốc nhiệt độ cao và thấp dòng HLST sử dụng cụm máy nén nhập khẩu và hệ thống điều khiển cảm ứng thông minh, được trang bị đầy đủ các cơ chế bảo vệ an toàn. Nó có thể được sử dụng cho cả việc sàng lọc nghiên cứu và phát triển các mẫu nhỏ trong phòng thí nghiệm và kiểm tra độ tin cậy của các linh kiện sản xuất hàng loạt trên dây chuyền sản xuất, và được ứng dụng rộng rãi trong các thử nghiệm chứng nhận tuân thủ cho ngành điện tử ô tô, hàng không vũ trụ, linh kiện bán dẫn và các ngành công nghiệp khác.

HLST-500D-C_Buồng sốc nhiệt độ cao và thấp

Yêu cầu về thiết bị của tiêu chuẩn ISO 16750-4 đối với buồng sốc nhiệt độ cao và thấp.

Theo các điều khoản liên quan đến thử nghiệm sốc nhiệt trong tiêu chuẩn ISO 16750-4, các mẫu linh kiện điện tử ô tô phải được luân phiên tiếp xúc với các mức nhiệt độ cực cao và cực thấp đã được quy định. Thời gian chuyển mẫu từ mức nhiệt độ cực này sang mức nhiệt độ cực khác phải được kiểm soát chặt chẽ. Sau khi mẫu được đưa vào buồng thử nghiệm, chúng phải đạt đến nhiệt độ thử nghiệm mục tiêu trong thời gian phục hồi đã được quy định. Thời gian chuyển quá dài sẽ khiến mẫu chịu sự thay đổi nhiệt độ chậm và không mô phỏng được ứng suất sốc nhiệt trong điều kiện thực tế. Thời gian phục hồi nhiệt độ không đạt yêu cầu hoặc sự không đồng nhất nhiệt độ bên trong buồng thử nghiệm sẽ dẫn đến ứng suất nhiệt không nhất quán trên các mẫu khác nhau trong cùng một lô, khiến kết quả thử nghiệm không thể so sánh được.

Tiêu chuẩn này cũng yêu cầu ghi chép đầy đủ các đường cong nhiệt độ trong suốt quá trình thử nghiệm để phục vụ cho việc truy xuất nguồn gốc báo cáo sau này. Do đó, buồng sốc nhiệt độ cao và thấp phải có các chức năng lập trình, cho phép thiết lập tự do thời gian giữ nhiệt độ cao/thấp và chu kỳ sốc nhiệt, đồng thời hỗ trợ lưu trữ và xuất dữ liệu nhiệt độ. Đối với các linh kiện lắp đặt trên xe trong khoang động cơ và khung gầm, phạm vi nhiệt độ sốc thường được sử dụng là -40℃~125℃; các linh kiện bên trong cabin thường sử dụng -20℃~85℃ để kiểm chứng sốc. Trong quá trình thử nghiệm, mẫu không được tiếp xúc với ống dẫn khí của buồng, và vị trí đặt phải đảm bảo lưu thông không khí đầy đủ để tránh nhiệt độ cục bộ bất thường. Thiết bị thử nghiệm môi trường truyền thống khó có thể đáp ứng nhiều yêu cầu bao gồm chuyển đổi cấp hai, phục hồi nhiệt độ nhanh và hoạt động chu kỳ liên tục dài hạn. Ngược lại, buồng sốc nhiệt độ cao và thấp dòng HLST có thời gian chuyển đổi nhiệt độ ≤10 giây và thời gian phục hồi nhiệt độ ≤5 phút đối với các mẫu hai vùng, với độ dao động nhiệt độ ≤±0.5℃ và độ đồng đều nhiệt độ ≤2℃. Các chỉ số phần cứng của nó có thể đáp ứng các hạn chế về thiết bị của các thử nghiệm sốc nhiệt được quy định trong tiêu chuẩn ISO 16750-4.

Kiến trúc phần cứng và các thông số hiệu năng của HLST-500D Buồng sốc nhiệt ở nhiệt độ cao và thấp

HLST-500D Đây là buồng sốc nhiệt hai vùng (Loại D) nhiệt độ cao và thấp. Thiết bị được trang bị buồng nhiệt độ cao và buồng nhiệt độ thấp hoạt động độc lập với nhau, cùng với giỏ đựng mẫu tự động di chuyển. Trong quá trình thử nghiệm, mẫu được cố định bên trong giỏ. Cơ chế vận chuyển giỏ tự động nhanh chóng đưa các mẫu thử vào buồng nhiệt độ cao đã được làm nóng trước hoặc buồng nhiệt độ thấp đã được làm lạnh trước, do đó mẫu được tiếp xúc trực tiếp với môi trường nhiệt độ khắc nghiệt để hoàn thành quá trình sốc nhiệt. Hệ thống làm lạnh sử dụng máy nén tầng kín từ TECUMSEH của Pháp hoặc Bitzer của Đức để đảm bảo buồng nhiệt độ thấp có thể duy trì ổn định điều kiện nhiệt độ thấp -50℃. Bộ phận gia nhiệt sử dụng các bộ gia nhiệt điện nichrome độc ​​lập với hiệu suất gia nhiệt cao và đầu ra nhiệt độ ổn định. Vỏ ngoài của thiết bị được làm bằng thép carbon chất lượng cao được xử lý bằng phương pháp phun tĩnh điện phốt phát. Khoang bên trong được làm bằng tấm thép không gỉ SUS304, có khả năng chống lão hóa nhiệt và dễ vệ sinh. Lớp cách nhiệt là sự kết hợp giữa bọt polyurethane cứng và bông sợi thủy tinh mịn, giúp giảm sự trao đổi nhiệt giữa buồng nóng và buồng lạnh, từ đó giảm tiêu thụ năng lượng của thiết bị.

Hệ thống điều khiển sử dụng màn hình cảm ứng tinh thể lỏng màu tự phát triển với độ phân giải hiển thị nhiệt độ là 0.1℃. Thời gian thử nghiệm có thể được thiết lập tự do trong khoảng 0.1~999.9 giờ/phút/giây. Thiết bị được trang bị cảm biến nhiệt độ điện trở bạch kim PT100Ω/MV, có khả năng chống nhiễu điện từ mạnh và độ chính xác thu thập nhiệt độ cao. Thiết bị tích hợp nhiều lớp bảo vệ chống rò rỉ, ngắn mạch, quá nhiệt bộ gia nhiệt, quá nhiệt động cơ và quá áp & quá dòng máy nén. Thiết bị tự động kích hoạt báo động trong điều kiện hoạt động bất thường để đảm bảo an toàn cho thiết bị và mẫu vật trong quá trình thử nghiệm chu kỳ dài hạn không cần giám sát. Bảng dưới đây liệt kê các thông số kỹ thuật chính của các mẫu chính của thiết bị. LISUN Buồng thử nghiệm sốc nhiệt độ cao và thấp dòng HLST. HLST-500D Có thể tích buồng làm việc lớn, phù hợp cho các thử nghiệm sốc nhiệt hàng loạt đối với các linh kiện điện tử ô tô cỡ trung bình như mô-đun trên xe, màn hình hiển thị và cụm đèn.

Các điểm thực hiện của tiêu chuẩn ISO 16750-4 Thử nghiệm sốc nhiệt với buồng sốc nhiệt độ cao và thấp

Trước khi tiến hành thử nghiệm sốc nhiệt chính thức cho thiết bị điện tử ô tô, cần hoàn tất việc kiểm tra sơ bộ buồng sốc nhiệt cao và thấp. Môi trường lắp đặt thiết bị phải được kiểm soát ở nhiệt độ môi trường 5℃-30℃, độ ẩm tương đối không quá 85%RH, với hệ thống thông gió tốt và không gian tản nhiệt dự phòng, để tránh suy giảm hiệu suất làm mát và sưởi ấm do tản nhiệt kém. Thực hiện kiểm tra không tải để xác nhận rằng buồng nhiệt độ cao và thấp của thiết bị có thể đạt đến nhiệt độ cực đoan đã đặt một cách bình thường, kiểm tra thời gian chuyển đổi nhiệt độ và thời gian phục hồi nhiệt độ có đáp ứng giới hạn tiêu chuẩn hay không, và xác minh chức năng bình thường của việc chỉnh sửa chương trình màn hình cảm ứng, ghi nhật ký dữ liệu và bảo vệ cảnh báo. Các mẫu thử nghiệm phải được kiểm tra ban đầu về hình thức và hiệu suất điện, và ghi lại các thông số chức năng ban đầu của mẫu. Các mẫu phải được đặt trên giá đỡ mẫu của giỏ với khoảng cách dự phòng giữa các mẫu. Các ống dẫn khí không được bị tắc nghẽn để tránh sự sai lệch nhiệt độ cục bộ do lưu thông không khí bị cản trở.

Viết chương trình thử nghiệm thiết bị theo yêu cầu của tiêu chuẩn ISO 16750-4, thiết lập nhiệt độ sốc cao, nhiệt độ sốc thấp, thời gian giữ nhiệt độ cao và thấp, và tổng số chu kỳ. Thời gian giữ nhiệt phải đảm bảo mẫu đạt đến nhiệt độ đã thiết lập chứ không chỉ dựa vào nhiệt độ không khí bên trong buồng. Số chu kỳ được xác định theo vị trí lắp đặt linh kiện và yêu cầu kỹ thuật của xe hoàn chỉnh, thường dao động từ 50 đến 300 chu kỳ. Khởi động chế độ vận hành tự động của buồng sốc nhiệt độ cao và thấp. Thiết bị sẽ tự động hoàn thành quá trình làm nóng sơ bộ và làm mát sơ bộ buồng nhiệt độ cao và thấp. Sau đó, giỏ đựng mẫu sẽ di chuyển qua lại để luân phiên cho mẫu chịu sốc nhiệt độ cao và thấp, đồng thời liên tục ghi lại dữ liệu nhiệt độ lịch sử của buồng trong suốt quá trình. Sau khi hoàn thành một số chu kỳ nhất định, có thể tạm dừng thử nghiệm để lấy mẫu ra kiểm tra chức năng khi bật nguồn, quan sát các lỗi như nứt vỏ, rò rỉ nước ở gioăng, bất thường về giao tiếp và sự thay đổi thông số, và đưa ra đánh giá hiệu suất hoàn chỉnh sau khi hoàn thành tất cả các chu kỳ.

Ngoài các thử nghiệm sốc nhiệt, buồng sốc nhiệt độ cao và thấp này cũng có thể đáp ứng các tiêu chuẩn liên quan đến sốc nhiệt trong nước và quốc tế như GJB 150.5A-2009, MIL-STD-883H và IEC 60068-2-14. Bên cạnh lĩnh vực điện tử ô tô, nó có thể được sử dụng để kiểm chứng độ tin cậy của các linh kiện hàng không vũ trụ, chip bán dẫn, linh kiện quang điện tử và vật liệu polymer. Đối với các vật thể được thử nghiệm có kích thước khác nhau, có thể lựa chọn mô hình hai vùng và ba vùng tùy theo yêu cầu. Mô hình hai vùng được ưu tiên cho các mẫu có kích thước nhỏ, trong khi mô hình ba vùng có thể được áp dụng cho một số mẫu lớn không thích hợp để di chuyển, trong đó các mẫu được giữ cố định và sốc nhiệt được thực hiện bằng cách chuyển đổi luồng khí nóng và lạnh.

Ghi chú về vận hành thiết bị và bảo trì dài hạn

Khi buồng sốc nhiệt độ cao và thấp thực hiện các thử nghiệm sốc chu kỳ lớn, việc bảo trì thiết bị sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tính hợp lệ của kết quả thử nghiệm. Thường xuyên kiểm tra cụm tản nhiệt dàn ngưng của máy nén và làm sạch bụi bẩn trên bề mặt kịp thời để đảm bảo hiệu quả trao đổi nhiệt của hệ thống làm lạnh. Kiểm tra cơ cấu truyền động giỏ (đối với các mẫu hai vùng) thường xuyên để đảm bảo truyền động trơn tru và tránh bị kẹt trong quá trình chuyển mẫu, gây ra thời gian chuyển mẫu quá lâu. Kiểm tra các dải gioăng cửa để xác nhận không bị lão hóa và rò rỉ khí, tránh rò rỉ nhiệt độ giữa buồng nóng và buồng lạnh. Không được phép vô hiệu hóa thủ công các chức năng bảo vệ an toàn tích hợp của thiết bị. Trong trường hợp có cảnh báo quá áp hoặc quá nhiệt máy nén, cần phải điều tra và khắc phục sự cố trước khi tiếp tục thử nghiệm. Đối với các thử nghiệm độ tin cậy dài hạn của thiết bị điện tử ô tô, nên định kỳ xuất các đường cong hoạt động nhiệt độ của thiết bị làm tài liệu hỗ trợ truy xuất nguồn gốc cho báo cáo thử nghiệm.

Kết luận

Thử nghiệm sốc nhiệt được quy định trong tiêu chuẩn ISO 16750-4 là một hạng mục quan trọng để kiểm chứng độ tin cậy của các linh kiện điện tử ô tô. Thử nghiệm này có thể mô phỏng hiệu quả các lỗi tiềm ẩn khác nhau do ứng suất giãn nở và co lại nhiệt gây ra, và độ tin cậy của kết quả thử nghiệm phụ thuộc rất nhiều vào hiệu suất tổng thể của buồng sốc nhiệt độ cao và thấp. LISUN HLST-500D Buồng sốc nhiệt ở nhiệt độ cao và thấp Thiết bị này có khả năng chuyển mạch tức thời trong phạm vi nhiệt độ rộng từ -50℃ đến 150℃. Áp dụng nguyên lý vận chuyển giỏ hai vùng tiên tiến, cùng với các linh kiện cốt lõi nhập khẩu, hệ thống điều khiển thông minh và hệ thống bảo vệ an toàn toàn diện, thiết bị có thể đáp ứng các chỉ tiêu thử nghiệm sốc nhiệt trong tiêu chuẩn ISO 16750-4 và mô phỏng môi trường chênh lệch nhiệt độ cực nhanh trong quá trình vận hành thực tế trên xe, giúp nhân viên R&D nhanh chóng xác định các lỗi thiết kế của MCU, đèn, màn hình, cụm PCB và các linh kiện khác trên xe. Buồng thử nghiệm sốc nhiệt độ cao và thấp này có thể được sử dụng để kiểm tra mẫu trong giai đoạn R&D, kiểm tra chất lượng đầu vào của linh kiện và chứng nhận tuân thủ tại các cơ sở thử nghiệm bên thứ ba. Trong công việc thử nghiệm thực tế, người thử nghiệm cần hiểu đầy đủ các ràng buộc thử nghiệm của ISO 16750-4, hoàn thành hiệu chuẩn thiết bị trước khi thử nghiệm, sắp xếp mẫu hợp lý, lưu giữ dữ liệu quy trình và bảo trì thiết bị thường xuyên, phát huy tối đa hiệu suất thiết bị, đảm bảo tính xác thực và độ tin cậy của kết quả thử nghiệm sốc nhiệt, và cung cấp hỗ trợ thử nghiệm mạnh mẽ cho thiết kế độ tin cậy của các sản phẩm điện tử ô tô.