高温および低温熱衝撃試験室を用いた車載電子機器の信頼性検証方法（ISO 16750-4）

抽象
自動車用電子機器は、複雑な自然気候環境下で動作します。昼夜の交代や車両の季節変化は、急激な温度変化を引き起こす可能性があります。異なる材料の熱膨張係数の違いは、はんだ接合部のひび割れ、シール不良、電気的性能のドリフトなどの故障を引き起こす可能性があります。道路車両用電気・電子機器の気候負荷試験に関する重要な国際規格であるISO 16750-4は、極端な温度差が交互に発生する条件下での車載電子部品の動作信頼性を評価するために、熱衝撃および急激な温度変化に関する試験要件を明確に規定しています。高温・低温熱衝撃試験室は、このような試験の中核となる環境シミュレーション装置です。 LISUN HLST-500D 高低温熱衝撃試験室は、HLSTシリーズの2ゾーンモデルに属します。バスケットシャトル機構により、-50℃～150℃の広い温度範囲で瞬時の温度切り替えを実現し、実際の車両使用時の極端な急激な温度差環境を再現できます。本稿では、ISO 16750-4の試験条項と併せて、高低温熱衝撃試験室の装置原理、ハードウェア性能、および試験実施プロセスについて説明し、車載MCU、車載ディスプレイ、ランプアセンブリ、PCB回路基板などの部品の信頼性検証における実用性を分析します。これにより、車載エレクトロニクスの研究開発および品質検査機関が標準化された熱衝撃試験を実施するための参考資料を提供します。 

イントロダクション

自動車のインテリジェンス化と電動化が進むにつれ、完成車に搭載される電子部品の数は増加の一途をたどっています。MCU制御チップ、車載ディスプレイ、バッテリー管理モジュール、ランプ駆動ユニットなどの電子部品は、キャビン、エンジンルーム、シャーシなど様々な場所に設置され、過酷な熱衝撃にさらされます。冬季に車両を屋外に駐車すると、部品の温度は-40℃以下にまで低下することもあります。車両始動後、エンジンからの熱と直射日光によって部品の温度は85℃以上に急激に上昇し、短時間で大きな温度差が生じます。様々な材料の熱膨張係数の不一致により、繰り返される熱膨張と収縮によって内部応力が蓄積され、PCBのはんだ接合部の微小亀裂、ハウジングシールの亀裂、部品パラメータのドリフトなどの潜在的な欠陥が発生します。このような欠陥は、従来の高温・低温サイクル試験では検出されない場合があり、瞬間的な高温・低温切り替えを伴う熱衝撃試験によってのみ効果的に検出できます。

搭載電子機器の気候負荷に関して、ISO 16750-4では、定温試験、温度ステップ試験、温度サイクル試験、熱衝撃試験など、複数の試験項目が規定されています。中でも、熱衝撃試験は主に、試料の急速な温度変化に対する耐性を評価するものであり、機器の温度変化時間、温度回復時間、およびチャンバー内の温度均一性に対して厳しい制約を課しています。通常の高温・低温チャンバーは加熱・冷却速度が限られており、高温環境と低温環境間の高速切り替えを実現できないため、規格で規定されている熱衝撃試験条件を満たせません。 高温および低温の熱衝撃チャンバー は瞬間的な温度変化条件向けに特別に開発されており、2ゾーンモデル（タイプD）と3ゾーンモデル（タイプT）の2つの構造タイプに分かれています。2ゾーンモデルはサンプルバスケットを使用してサンプルを高温ゾーンと低温ゾーンの間で迅速に移動させます。3ゾーンモデルはサンプルを試験ゾーンに固定し、温風と冷風を切り替えることで衝撃効果を実現します。どちらの構造も短時間で極端な温度切り替えを実現でき、ISO 16750-4の熱衝撃試験要件を満たしています。 LISUN HLSTシリーズの高温・低温熱衝撃試験装置は、輸入コンプレッサーアセンブリとインテリジェントタッチ制御システムを採用し、安全保護機構を完備しています。研究所における少量サンプルの研究開発スクリーニングと、生産ラインにおける量産部品の信頼性検証の両方に使用でき、自動車エレクトロニクス、航空宇宙、半導体部品などの業界における適合性認証試験に幅広く適用されています。

HLST-500D-C_高温・低温熱衝撃試験室

ISO 16750-4に基づく高温および低温熱衝撃試験室の設備要件

ISO 16750-4の熱衝撃試験に関する条項によれば、車載用電子部品サンプルは、規定された高温と低温の極端な温度に交互に曝される必要がある。サンプルが一方の極端な温度から他方の温度へ移動する際の移動時間は厳密に管理されなければならない。サンプルが目標チャンバーに入った後、規定された回復時間内に目標試験温度に到達しなければならない。移動時間が長すぎると、サンプルの温度変化が緩やかになり、実際の状況における熱衝撃ストレスを適切にシミュレートできなくなる。温度回復時間が不適切であったり、チャンバー内の温度均一性が低いと、同一バッチ内の異なるサンプル間で熱ストレスにばらつきが生じ、試験結果の比較が困難になる。

また、この規格では、後日レポートのトレーサビリティを確保するために、試験全体を通して温度曲線を完全に記録することも要求されています。そのため、高温および低温熱衝撃チャンバーには、高温/低温保持時間と熱衝撃サイクルを自由に設定でき、温度データの保存とエクスポートをサポートするプログラム可能な機能が必要です。エンジンコンパートメントとシャーシに設置される車載コンポーネントの場合、一般的に使用される衝撃温度範囲は-40℃～125℃です。キャビン内のコンポーネントは、一般的に衝撃検証に-20℃～85℃を採用します。試験中、サンプルはチャンバーのエアダクトに接触してはならず、配置位置は局所的な異常温度を避けるために十分な気流循環を確保する必要があります。従来の環境試験装置では、第2レベルの転送、迅速な温度回復、長期連続サイクル運転など、複数の要件を満たすことは困難です。これに対し、HLSTシリーズの高温および低温熱衝撃チャンバーは、2ゾーンモデルの場合、温度変換時間が10秒以下、温度回復時間が5分以下で、温度変動が±0.5℃以下、温度均一性が2℃以下です。そのハードウェアインジケータは、ISO 16750-4で規定されている熱衝撃試験の機器制約を網羅することができる。

ハードウェアアーキテクチャとパフォーマンスパラメータ HLST-500D 高温および低温の熱衝撃チャンバー

その HLST-500D 本装置は、2ゾーン（タイプD）の高温・低温熱衝撃試験室です。装置は、相互に独立した高温室と低温室、および自動移動式サンプルバスケットを備えています。試験中、サンプルはバスケット内に固定されます。自動バスケットシャトル機構により、試験サンプルは予熱された高温室または予冷された低温室に迅速に送られ、サンプルは直接極端な温度環境に曝されて熱衝撃試験が完了します。冷凍システムには、フランスのTECUMSEH社製またはドイツのBitzer社製の密閉型カスケードコンプレッサーを採用し、低温室が-50℃の低温状態を安定して維持できるようにします。加熱ユニットには、加熱効率が高く温度出力が安定した独立型ニクロム電熱器を使用しています。外装は、リン酸静電スプレー処理を施した高品質炭素鋼製です。内部は、耐熱老化性に優れ、清掃が容易なSUS304ステンレス鋼板製です。断熱層は、硬質ポリウレタンフォームと細繊維綿の複合材で、高温室と低温室間の熱交換を低減し、装置のエネルギー消費を削減します。

制御システムは、温度表示分解能0.1℃の自社開発カラー液晶タッチスクリーンを採用しています。試験時間は0.1～999.9時間/分/秒の範囲で自由に設定できます。PT100Ω/MV白金抵抗温度センサーを搭載し、強力な耐電磁干渉性と高精度な温度取得を実現しています。この装置は、漏電、短絡、ヒーター過熱、モーター過熱、コンプレッサー過圧・過電流に対する複数の保護機能を統合しています。異常な動作状態になると自動的にアラームを発し、無人での長時間サイクル試験中の装置とサンプルの安全性を保証します。以下の表は、主要モデルの主な仕様を示しています。 LISUN HLSTシリーズ高温・低温熱衝撃試験室。 HLST-500D 作業室の容積が大きく、車載モジュール、ディスプレイ画面、ランプアセンブリなどの中型自動車用電子部品のバッチ式熱衝撃試験に適しています。

ISO 16750-4 高温および低温熱衝撃チャンバーを用いた熱衝撃試験の実施ポイント

車載電子機器の正式な熱衝撃試験の前に、高温および低温熱衝撃チャンバーの予備検証を完了する必要があります。装置の設置環境は、周囲温度5℃～30℃、相対湿度85%RH以下、良好な換気と放熱スペースを確保し、放熱不良による冷却および加熱性能の低下を回避します。無負荷検証を実施して、装置の高温および低温チャンバーが設定された極限温度に正常に到達できることを確認し、温度変換時間と温度回復時間が標準制限を満たしていることを確認し、タッチスクリーンプログラム編集、データロギング、およびアラーム保護の正常な機能を検証します。試験サンプルは、外観および電気的性能の初期検査を受け、サンプルの初期機能パラメータを記録します。サンプルは、サンプル間に隙間を確保してバスケットのサンプルラックに配置します。空気の流れの循環が妨げられることによる局所的な温度偏差を防ぐため、エアダクトを塞がないでください。

ISO 16750-4 の要求事項に従って装置試験プログラムを作成し、高温衝撃温度、低温衝撃温度、高温および低温保持時間、および総サイクル数を設定します。保持時間は、チャンバー内の空気温度のみを参照するのではなく、サンプル本体が設定温度に完全に達することを保証するものとします。サイクル数は、コンポーネントの取り付け位置と車両全体の仕様要件に応じて決定され、一般的に 50 サイクルから 300 サイクルの範囲です。高温および低温熱衝撃チャンバーの自動運転を開始します。装置は、高温チャンバーと低温チャンバーの予熱と予冷を自動的に完了します。その後、バスケットが往復してサンプルを交互に高温および低温衝撃にさらし、プロセス全体を通してチャンバーの履歴温度データを継続的に記録します。一定数のサイクルが完了したら、試験を中断してサンプルを取り出し、電源投入機能検査を行い、ハウジングの亀裂、シールからの水漏れ、通信異常、パラメータのドリフトなどの故障を観察し、すべてのサイクルが完了した後に完全な性能判定を行うことができます。

この高温・低温熱衝撃試験室は、熱衝撃試験に加え、GJB 150.5A-2009、MIL-STD-883H、IEC 60068-2-14などの国内外の熱衝撃関連規格にも準拠しています。自動車用電子機器以外にも、航空宇宙部品、半導体チップ、光電子部品、高分子材料の信頼性検証に使用できます。試験対象物のサイズに応じて、2ゾーンモデルと3ゾーンモデルを選択できます。小型サンプルには2ゾーンモデルが適していますが、移動に適さない大型サンプルには3ゾーンモデルを採用できます。3ゾーンモデルでは、サンプルを固定し、温風と冷風を切り替えることで熱衝撃を実現します。

機器の操作および長期保守に関する注意事項

高温・低温熱衝撃試験室で大規模な周期衝撃試験を実施する場合、機器のメンテナンスは試験結果の妥当性に直接影響します。コンプレッサーの凝縮器放熱アセンブリを定期的に点検し、表面の埃を適時に清掃して、冷凍システムの熱交換効率を確保してください。バスケット搬送機構（2ゾーンモデル）を定期的に点検し、スムーズな搬送を確保し、サンプル搬送中の詰まりによる搬送時間の過剰を防いでください。ドアのシーリングストリップを点検し、経年劣化や空気漏れがないことを確認し、高温室と低温室間の温度の相互漏れを防いでください。機器に内蔵されている安全保護機能は、手動で無効にしないでください。コンプレッサーの過圧または過熱アラームが発生した場合は、試験を再開する前に、問題を調査して解消してください。自動車用電子機器の長期信頼性試験では、試験報告書のトレーサビリティ資料として、機器の温度動作曲線を定期的にエクスポートすることをお勧めします。

結論

ISO 16750-4で規定されている熱衝撃試験は、自動車用電子部品の信頼性検証における重要な項目です。この試験は、熱膨張・収縮応力によって誘発される様々な潜在的故障を効果的にシミュレートすることができ、試験結果の信頼性は高温・低温熱衝撃試験室の総合的な性能に大きく依存します。 LISUN HLST-500D 高温および低温の熱衝撃チャンバー -50℃～150℃の広い温度範囲で瞬時に切り替えが可能です。成熟した2ゾーンバスケットシャトル原理を採用し、輸入コアコンポーネント、インテリジェント制御システム、完全な安全保護機能を備えているため、ISO 16750-4の熱衝撃試験の機器指標を満たし、実際の車両サービス中の極端な急激な温度差環境を再現できるため、R&D担当者が車載MCU、ランプ、ディスプレイ、PCBアセンブリなどのコンポーネントの設計上の欠陥を迅速に特定できます。この高温および低温熱衝撃チャンバーは、R&D段階でのサンプルスクリーニングテスト、コンポーネントの受入品質検査、第三者試験機関での適合性認証に使用できます。実際のテスト作業では、テスターはISO 16750-4のテスト制約を十分に理解し、テスト前の機器校正、合理的なサンプル配置、プロセスデータの保持、定期的な機器メンテナンスを完了し、機器の性能を最大限に活用し、熱衝撃試験結果の真正性と信頼性を確保し、車載電子製品の信頼性設計に強力なテストサポートを提供する必要があります。