Thử sốc nhiệt là quá trình đưa mẫu qua nhiều mốc nhiệt độ khác nhau theo trình tự đã định trước để xem toàn bộ cấu trúc chịu được đến mức nào. Sản phẩm bị đẩy từ vùng rất lạnh sang vùng rất nóng và ngược lại liên tục trong một khoảng thời gian nhất định.
Dải nhiệt từ âm 40 độ đến 150 độ C được dùng khá rộng rãi cho nhiều nhóm sản phẩm. Tùy vào đặc tính vật liệu và môi trường mà sản phẩm sẽ hoạt động sau này, người làm thử nghiệm sẽ quyết định mức nhiệt và số vòng lặp cần thực hiện.
Vì sao dải -40°C đến +150°C được sử dụng cho nhiều sản phẩm?
Khoảng nhiệt này trải dài từ mức lạnh sâu đến mức nóng mà nhiều linh kiện và vật liệu công nghiệp thường gặp khi vận hành thực tế hoặc khi chạy thử nghiệm tăng tốc tuổi thọ.
Điều đáng chú ý nằm ở việc chuyển đổi qua lại giữa hai vùng nhiệt, không chỉ ở con số đo được. Một linh kiện có thể sống sót ở từng mức nhiệt riêng lẻ, nhưng sau nhiều lần bị đẩy qua đẩy lại thì vẫn hỏng, vì các vật liệu bên trong nó không co giãn cùng một nhịp.
Lấy ví dụ một bo mạch, bên trong có đồng, nhựa epoxy, sợi thủy tinh, vật liệu hàn và linh kiện bán dẫn. Mỗi thứ phản ứng khác nhau khi nhiệt độ thay đổi. Trải qua nhiều chu kỳ như vậy, ứng suất dần tích tụ lại ở mối hàn, ở điểm liên kết, hoặc ở nơi tiếp giáp giữa các lớp vật liệu với nhau.
Linh kiện điện tử và bo mạch
PCB, PCBA, IC, tụ điện, điện trở, cảm biến và các module điện tử là nhóm thường được quan tâm trong thử nghiệm sốc nhiệt.
Một bo mạch nhiều lớp không chỉ có một loại vật liệu. Các lớp đồng, vật liệu nền, lớp cách điện, mối hàn và linh kiện gắn trên bề mặt đều có thể phản ứng khác nhau khi nhiệt độ thay đổi. Sự chênh lệch này có thể tạo ra ứng suất lặp lại sau mỗi chu kỳ.
Sau thử nghiệm, kỹ sư thường quan tâm đến khả năng duy trì:
+ Kết nối của mối hàn
+ Tính liên tục của đường mạch
+ Độ nguyên vẹn của lớp đóng gói
+ Liên kết giữa các lớp PCB
+ Thông số điện của linh kiện
Với những mẫu thử này, dải -40°C đến +150°C có thể đáp ứng nhiều yêu cầu đánh giá khả năng chịu biến động nhiệt của linh kiện và cụm điện tử.
Module điện tử, cảm biến và linh kiện ô tô
Xe chạy ngoài đường phải chịu nhiệt độ lên xuống liên tục theo mùa, theo thời tiết, theo vị trí lắp đặt gần động cơ hay xa động cơ. Một module điều khiển, một cảm biến hay một đầu nối điện có thể trải qua rất nhiều lần nóng lạnh như vậy suốt cả đời sản phẩm.
Thử sốc nhiệt giúp xem các cấu trúc này còn hoạt động ổn không sau nhiều lần bị đẩy qua đẩy lại giữa nóng và lạnh. Mối hàn có thể bị ảnh hưởng. Vật liệu vỏ có thể chịu ứng suất. Những vùng tiếp giáp giữa nhiều loại vật liệu khác nhau cũng dễ xuất hiện dấu hiệu suy yếu theo thời gian.
Nhóm sản phẩm cần thử thường gồm ECU, cảm biến, connector, cụm đèn và nhiều module điện tử khác trên xe. Với xe điện, một số linh kiện và cụm pin cũng cần được xem xét khả năng chịu biến động nhiệt, nhưng mức thử và số vòng lặp còn tùy vào cấu trúc từng sản phẩm và yêu cầu kỹ thuật đặt ra cho nó.
Không nên xem mọi bài kiểm tra pin đều là thử sốc nhiệt. Các bài đánh giá an toàn và hiệu năng pin thường dùng phương pháp và mức nhiệt khác, theo tiêu chuẩn riêng của ngành pin.
Nhựa, cao su và các vật liệu có liên kết nhiều lớp
Sốc nhiệt cũng được sử dụng để đánh giá những sản phẩm không phải linh kiện điện tử.
Một chi tiết nhựa gắn với kim loại, lớp phủ bám trên bề mặt nền hoặc vật liệu cao su liên kết với một cấu trúc khác đều có thể chịu ứng suất do sự chênh lệch giãn nở nhiệt. Sau nhiều chu kỳ, vùng liên kết có thể xuất hiện nứt, bong tách hoặc biến dạng.
Với nhóm vật liệu này, điều cần quan sát không chỉ là sản phẩm có bị phá hủy hay không. Mức độ thay đổi về độ bám dính, hình dạng, độ đàn hồi hoặc khả năng bảo vệ cũng có thể cho thấy ảnh hưởng của chu kỳ nhiệt.
Bài viết liên quan về linh kiện điện tử: Sốc nhiệt gây ra những dạng hư hỏng nào cho linh kiện điện tử?
Lớp phủ, keo và vật liệu bảo vệ
Một lớp phủ có thể bám tốt ở nhiệt độ phòng nhưng lại suy giảm sau nhiều lần chuyển đổi nhiệt độ.
Khi lớp phủ và bề mặt nền có mức giãn nở khác nhau, vùng tiếp xúc giữa hai vật liệu phải chịu ứng suất lặp lại. Tình trạng tương tự cũng có thể xảy ra với keo liên kết hoặc vật liệu tản nhiệt.
Thử nghiệm có thể giúp đánh giá khả năng duy trì liên kết của các vật liệu này, đặc biệt khi sản phẩm phải làm việc trong môi trường có nhiệt độ thay đổi thường xuyên.
Dải -40°C đến +150°C rộng, nhưng ít khi dùng trọn
Dải nhiệt của buồng thử cho biết máy có thể tạo ra mức nhiệt nào, chứ không có nghĩa mọi sản phẩm đều phải thử hết mức đó. Một bài thử có thể chỉ dùng một phần trong dải nhiệt này, tùy vào tiêu chuẩn áp dụng và mục tiêu đánh giá.
Trên thực tế, mỗi loại mẫu sẽ có mức nhiệt cao thấp cần đạt khác nhau, thời gian giữ ở mỗi vùng nhiệt khác nhau, tốc độ chuyển đổi và số chu kỳ thử cũng khác nhau.
Vì vậy chọn buồng thử không nên chỉ nhìn vào việc máy có đạt tới mức nhiệt đó hay không. Các thông số của máy cần được so với điều kiện thử thực tế mà sản phẩm yêu cầu.
Chọn dung tích buồng theo kích thước và số lượng mẫu
Linh kiện điện tử, cảm biến hay các module nhỏ thì không cần buồng thử quá to. Nhưng nếu là cụm linh kiện lớn hoặc nhiều mẫu thử cùng lúc, buồng thử phải có thể tích rộng hơn mới đủ chỗ chứa.
Với những mẫu kích thước vừa, KOMEG KTS-100A là một model đáng xem, hoạt động trong dải -40°C đến +150°C. Còn nếu cần không gian lớn hơn, có thể tìm đến các phiên bản dung tích cao hơn trong cùng dòng sản phẩm này.
Quan trọng nhất vẫn là sự phù hợp giữa dải nhiệt, dung tích buồng, kích thước mẫu và điều kiện thử nghiệm.
Kết luận
Buồng sốc nhiệt -40°C đến +150°C có thể được sử dụng để đánh giá nhiều nhóm sản phẩm chịu ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ, từ PCB, linh kiện điện tử, cảm biến, module ô tô đến nhựa, cao su, lớp phủ và các cấu trúc gồm nhiều vật liệu liên kết.
Giá trị của thử nghiệm không nằm ở việc đưa sản phẩm đến một mức nhiệt cực đoan. Điều cần đánh giá là khả năng duy trì kết cấu, kết nối và đặc tính sau nhiều lần chuyển đổi giữa các vùng nhiệt độ khác nhau.
Bởi vậy, khi lựa chọn buồng sốc nhiệt, dải nhiệt chỉ là một phần của bài toán. Dung tích, điều kiện chuyển đổi, số lượng mẫu và yêu cầu của phương pháp thử cũng cần được xem xét để tìm ra cấu hình phù hợp.
