Nhiều tủ kiểm tra nhiệt độ độ ẩm hiện nay còn tích hợp camera bên trong để quan sát bề mặt, cảm biến đo điện trở cách điện, bộ ghi dữ liệu dòng rò hoặc thiết bị theo dõi biến đổi điện áp theo thời gian thực. Mục tiêu không còn đơn thuần là kiểm tra xem mẫu có hỏng hay không, mà là xác định vật liệu bắt đầu xuống cấp từ thời điểm nào và xuống cấp theo cách gì. Nhiệt độ cao kết hợp với độ ẩm lớn sẽ đẩy nhanh quá trình lão hóa, giúp kỹ sư quan sát các cơ chế hư hỏng vốn rất khó xuất hiện trong điều kiện thông thường.
Độ ẩm phá hủy linh kiện theo cách âm thầm hơn nhiệt độ
Nhiệt độ cao thường để lại dấu hiệu khá rõ. Nhựa có thể đổi màu, lớp keo mềm dần, màn hình cong nhẹ hoặc vỏ nhựa xuất hiện co rút sau nhiều giờ gia nhiệt.
Phần lớn hư hỏng do độ ẩm diễn ra chậm và gần như vô hình ở giai đoạn đầu. Trong các bo mạch điện tử hiện đại, hơi ẩm có thể thẩm thấu qua lớp phủ bảo vệ, len vào khe quanh chân IC hoặc ngấm dần vào lớp sợi thủy tinh bên trong PCB. Ban đầu, thiết bị vẫn hoạt động bình thường. Điện áp ổn định, không có dấu hiệu bất thường rõ rệt. Nhưng sau nhiều chu kỳ nhiệt ẩm, vùng quanh chân linh kiện bắt đầu xuất hiện các vệt xỉn màu rất nhẹ. Tấm đồng mất dần độ bóng kim loại ban đầu, chuyển sang vàng sẫm hoặc nâu đục. Ở một số mạch công suất cao, lớp oxy hóa trắng mỏng có thể xuất hiện quanh chân kết nối hoặc mép mối hàn.
Khi tình trạng nghiêm trọng hơn, hơi ẩm kết hợp với điện áp sẽ tạo ra hiện tượng ăn mòn điện hóa. Dưới kính hiển vi, giữa hai chân IC có thể hình thành các sợi dendrite kim loại cực nhỏ giống mạng nhện li ti. Chúng phát triển dần theo thời gian cho đến khi tạo thành đường dẫn điện gây rò dòng hoặc chập chờn tín hiệu.
Nhiều lỗi không xuất hiện ngay trong lúc kiểm tra. Có những mẫu vẫn hoạt động ổn định ở điều kiện 85°C và 85%RH, nhưng chỉ vài giờ sau khi đưa ra môi trường phòng mới bắt đầu xuất hiện lỗi reset ngẫu nhiên, dòng dự phòng tăng bất thường hoặc tín hiệu RF mất ổn định. Đây thường là thời điểm hơi ẩm ngưng tụ tại các vùng chênh lệch nhiệt độ và kích hoạt những điểm suy yếu đã hình thành trước đó.
Vì vậy, nhiều phòng thử nghiệm hiện nay không chỉ theo dõi thời gian giữ nhiệt mà còn giám sát cả giai đoạn hồi nhiệt sau kiểm tra.
Tủ vi khí hậu đã ổn định nhưng vật liệu bên trong vẫn đang ngấm ẩm
Với các vật liệu nhiều lớp như PCB phủ bề mặt, module pin lithium, nhựa epoxy đúc kín hoặc nhựa kỹ thuật, hơi ẩm cần thêm rất nhiều thời gian để khuếch tán sâu vào bên trong cấu trúc vật liệu. Ví dụ với bo mạch phủ acrylic, vài giờ đầu tiên độ ẩm chủ yếu tồn tại trên bề mặt. Sau thời gian dài hơn, lớp phủ bắt đầu hấp thụ hơi nước, chuyển từ trạng thái cứng sang hơi mềm và giảm dần độ bám quanh mép linh kiện. Dưới kính phóng đại có thể quan sát thấy bề mặt phủ từ trong suốt chuyển sang hơi đục, xuất hiện các vệt loang mờ quanh chân IC hoặc mép lớp phủ phồng nhẹ như lớp sơn bị hút ẩm. Ở một số vị trí, bong bóng khí siêu nhỏ bắt đầu hình thành bên dưới lớp phủ.
Với module pin lithium hoặc pin xe điện, độ ẩm kéo dài còn khiến lớp keo quanh pin mất dần độ đàn hồi. Ban đầu chỉ là mép seal đổi màu nhẹ, sau đó xuất hiện các vết nứt nhỏ dạng chân chim tại những góc chịu ứng suất nhiệt.
Nếu bài kiểm tra kết thúc quá sớm, nhiều cơ chế lão hóa này còn chưa kịp biểu hiện rõ rệt. Đó cũng là lý do cùng một profile nhiệt ẩm trên tủ thử nhiệt ẩm nhưng chỉ cần thay đổi thời gian giữ nhiệt, kết quả suy giảm độ bền có thể khác nhau rất lớn.
Luồng gió trong tủ có thể tạo ra hai mẫu lão hóa khác nhau
Khi đánh giá Tủ thử nhiệt độ độ ẩm, người dùng thường chú ý tới dải nhiệt độ hoặc độ đồng đều nhiệt. Tuy nhiên trong các bài thử lão hóa kéo dài, cách luồng khí lưu thông bên trong buồng thử lại ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ xuống cấp của vật liệu. Những mẫu đặt gần cửa gió thường chịu tốc độ trao đổi nhiệt và độ ẩm mạnh hơn. Bề mặt nóng lên nhanh hơn, hơi nước ngưng tụ rồi bay hơi liên tục nhiều hơn so với các vị trí khác. Hiện tượng này đặc biệt dễ thấy với bo công suất lớn, module LED, pin lithium hoặc thiết bị có tản nhiệt kim loại.
Khi kiểm tra module LED công suất cao, hai mẫu đặt khác vị trí trong cùng tủ đôi khi cho mức lão hóa khác nhau rõ rệt. Mẫu gần cửa gió có thể ngả vàng chóa phản quang nhanh hơn, silicon bảo vệ LED chuyển đục hoặc lớp keo quang học xuất hiện các vết nứt mảnh quanh mép lens. Trong khi đó mẫu ở vị trí trung tâm vẫn giữ ngoại quan gần như bình thường.
Đó là lý do nhiều phòng thí nghiệm hiện nay đánh giá độ đồng đều trong điều kiện có tải thực tế thay vì chỉ kiểm tra tủ chạy rỗng.
Nhiều lỗi hình thành trong giai đoạn chuyển nhiệt
Khi tủ vi khí hậu tăng nhiệt nhanh trong môi trường độ ẩm cao, nhiệt độ bề mặt linh kiện đôi khi chưa kịp cân bằng với không khí xung quanh. Điều này tạo ra lớp ngưng tụ cực mỏng trên bề mặt kim loại. Lớp ẩm này thường rất khó nhìn thấy bằng mắt thường. Tuy nhiên dưới ánh sáng xiên hoặc camera macro, có thể thấy bề mặt PCB xuất hiện lớp bóng mờ như hơi sương, mép kết nối có các điểm phản sáng li ti hoặc mặt kính cảm biến hình thành lớp hơi nước cực mỏng rồi biến mất nhanh chóng. Chỉ một lượng ẩm rất nhỏ như vậy cũng đủ tạo ra dòng rò ở các mạch điện áp cao hoặc thúc đẩy ăn mòn tại chân linh kiện.
Với các thiết bị RF, cảm biến hoặc bo điều khiển mật độ cao, lỗi đôi khi không xuất hiện dưới dạng hỏng hoàn toàn mà chỉ là tín hiệu nhiễu tăng dần, sai số đo dao động bất thường hoặc thiết bị hoạt động chập chờn theo chu kỳ nhiệt.
