Como validar a confiabilidade da eletrônica automotiva usando uma câmara de choque térmico de alta e baixa temperatura (ISO 16750-4)

Sumário
Os dispositivos eletrônicos automotivos operam em ambientes climáticos naturais complexos. A alternância entre dia e noite e as mudanças sazonais nos veículos podem causar variações drásticas e repentinas de temperatura. As diferenças nos coeficientes de expansão térmica de diferentes materiais podem desencadear falhas como rachaduras em juntas de solda, falhas de vedação e desvios no desempenho elétrico. Como uma importante norma internacional para testes de carga climática de equipamentos elétricos e eletrônicos para veículos rodoviários, a ISO 16750-4 especifica claramente os requisitos de teste para choque térmico e mudanças rápidas de temperatura para avaliar a confiabilidade operacional de componentes eletrônicos embarcados sob condições de diferenças extremas de temperatura alternadas. A Câmara de Choque Térmico de Alta e Baixa Temperatura é o principal equipamento de simulação ambiental para tais testes. LISUN HLST-500D A Câmara de Choque Térmico de Alta e Baixa Temperatura pertence ao modelo de duas zonas da série HLST. Ela permite a comutação instantânea de temperatura em uma ampla faixa de -50 °C a 150 °C e replica o ambiente de variação extrema e rápida de temperatura encontrado em veículos em operação, por meio de um mecanismo de vaivém. Este artigo, em conformidade com as cláusulas de teste da norma ISO 16750-4, descreve o princípio de funcionamento, o desempenho do hardware e o processo de implementação dos testes da Câmara de Choque Térmico de Alta e Baixa Temperatura, além de analisar sua aplicação prática na verificação da confiabilidade de microcontroladores automotivos, displays de bordo, conjuntos de lâmpadas, placas de circuito impresso e outros componentes. Ele fornece subsídios para laboratórios de P&D e inspeção de qualidade de eletrônica automotiva na realização de testes de choque térmico padronizados. 

Introdução

Com o avanço contínuo da inteligência automotiva e da eletrificação, o número de componentes eletrônicos presentes em veículos completos continua aumentando. Chips de controle de microcontroladores (MCUs), displays de bordo, módulos de gerenciamento de bateria, unidades de acionamento de lâmpadas e outras peças eletrônicas são instalados em diferentes áreas, como cabine, compartimento do motor e chassi, e submetidos a severas condições de choque térmico. Quando os veículos são estacionados ao ar livre no inverno, a temperatura dos componentes pode cair para -40 °C ou até menos. Após a partida do veículo, o calor do motor e a luz solar direta podem elevar rapidamente a temperatura dos componentes acima de 85 °C, criando uma enorme diferença de temperatura em um curto período. A incompatibilidade dos coeficientes de expansão térmica entre os diversos materiais leva ao acúmulo de tensão interna devido à expansão e contração térmica repetidas, resultando em defeitos latentes, incluindo microfissuras nas juntas de solda das placas de circuito impresso (PCBs), rachaduras nas vedações das carcaças e deriva dos parâmetros dos componentes. Tais defeitos podem não ser detectados em testes convencionais de ciclos de alta e baixa temperatura e só podem ser efetivamente estimulados por testes de choque térmico com alternância instantânea entre altas e baixas temperaturas.

Para cargas climáticas de componentes eletrônicos embarcados, a norma ISO 16750-4 especifica diversos itens de teste, incluindo teste de temperatura constante, teste de variação de temperatura, teste de ciclo térmico e teste de choque térmico. Dentre eles, o teste de choque térmico avalia principalmente a tolerância das amostras a rápidas mudanças de temperatura e impõe restrições rigorosas ao tempo de comutação da temperatura do equipamento, ao tempo de recuperação da temperatura e à uniformidade da temperatura na cavidade. Câmaras comuns de alta e baixa temperatura possuem taxas de aquecimento e resfriamento limitadas e não conseguem realizar comutação em alta velocidade entre ambientes de alta e baixa temperatura, não atendendo às condições de teste de choque térmico especificadas na norma. Câmara de choque térmico de alta e baixa temperatura Foi especialmente desenvolvido para condições de variação instantânea de temperatura e está dividido em dois tipos estruturais: modelo de duas zonas (Tipo D) e modelo de três zonas (Tipo T). O modelo de duas zonas utiliza uma cesta de amostras para movimentar rapidamente as amostras entre a zona de alta temperatura e a zona de baixa temperatura; o modelo de três zonas mantém as amostras fixas na zona de teste e obtém efeitos de choque térmico através da alternância do fluxo de ar quente e frio. Ambas as estruturas permitem a alternância extrema de temperatura em um curto período de tempo e atendem aos requisitos de teste de choque térmico da norma ISO 16750-4. LISUN A câmara de choque térmico de alta e baixa temperatura da série HLST adota conjuntos de compressores importados e um sistema de controle por toque inteligente, equipada com um conjunto completo de mecanismos de proteção de segurança. Pode ser usada tanto para triagem de amostras em pequenos lotes em laboratórios, em pesquisa e desenvolvimento, quanto para verificação da confiabilidade de componentes produzidos em massa em linhas de produção, sendo amplamente aplicada em testes de certificação de conformidade para eletrônica automotiva, aeroespacial, componentes semicondutores e outras indústrias.

HLST-500D-C_Câmara de Choque Térmico para Altas e Baixas Temperaturas

Requisitos de equipamento da norma ISO 16750-4 para câmara de choque térmico de alta e baixa temperatura

De acordo com as cláusulas relativas ao teste de choque térmico na norma ISO 16750-4, as amostras de componentes eletrônicos automotivos devem ser expostas alternadamente a temperaturas extremas, altas e baixas, conforme especificado. O tempo de transferência das amostras de uma temperatura extrema para a outra deve ser rigorosamente controlado. Após entrarem na câmara de teste, as amostras devem atingir a temperatura alvo dentro do tempo de recuperação especificado. Um tempo de transferência excessivamente longo submeterá as amostras a uma variação lenta de temperatura e não simulará adequadamente o estresse de choque térmico em cenários reais. Um tempo de recuperação de temperatura inadequado ou uma uniformidade de temperatura deficiente dentro da câmara resultarão em estresse térmico inconsistente em diferentes amostras do mesmo lote, tornando os resultados dos testes incomparáveis.

A norma também exige o registro completo das curvas de temperatura durante todo o teste para rastreabilidade posterior do relatório. Portanto, a Câmara de Choque Térmico de Alta e Baixa Temperatura deve possuir funções programáveis, permitindo o ajuste livre do tempo de permanência em alta/baixa temperatura e dos ciclos de choque térmico, além de suportar o armazenamento e a exportação de dados de temperatura. Para componentes embarcados instalados em compartimentos de motor e chassis, a faixa de temperatura de choque comumente utilizada é de -40 °C a 125 °C; componentes dentro da cabine geralmente adotam -20 °C a 85 °C para verificação de choque. Durante o teste, as amostras não devem entrar em contato com o duto de ar da câmara, e a posição de colocação deve garantir circulação de ar suficiente para evitar temperaturas locais anormais. Os equipamentos tradicionais de teste ambiental dificilmente atendem a múltiplos requisitos, incluindo transferência de segundo nível, recuperação rápida de temperatura e operação cíclica contínua de longo prazo. Em contraste, a câmara de choque térmico de alta e baixa temperatura da série HLST apresenta um tempo de conversão de temperatura ≤10 segundos e um tempo de recuperação de temperatura ≤5 minutos para os modelos de duas zonas, com flutuação de temperatura ≤±0.5℃ e uniformidade de temperatura ≤2℃. Seus indicadores de hardware atendem às restrições de equipamentos para testes de choque térmico especificadas na norma ISO 16750-4.

Arquitetura de hardware e parâmetros de desempenho de HLST-500D Câmara de choque térmico de alta e baixa temperatura

O HLST-500D Trata-se de uma câmara de choque térmico de duas zonas (Tipo D) para altas e baixas temperaturas. O equipamento possui câmaras independentes para altas e baixas temperaturas, além de um cesto de amostras com movimentação automática. Durante o teste, as amostras são fixadas dentro do cesto. O mecanismo automático de transporte do cesto envia rapidamente as amostras para a câmara de alta temperatura pré-aquecida ou para a câmara de baixa temperatura pré-resfriada, expondo-as diretamente a ambientes de temperatura extrema para completar o choque térmico. O sistema de refrigeração utiliza compressores herméticos em cascata da TECUMSEH (França) ou da Bitzer (Alemanha) para garantir que a câmara de baixa temperatura mantenha de forma estável a temperatura de -50 °C. A unidade de aquecimento utiliza resistências elétricas de nicromo independentes com alta eficiência de aquecimento e temperatura estável. A estrutura externa é feita de aço carbono de alta qualidade com tratamento de fosfatização por aspersão eletrostática. A cavidade interna é feita de chapa de aço inoxidável SUS304, resistente ao envelhecimento térmico e de fácil limpeza. A camada de isolamento térmico é composta por espuma rígida de poliuretano e algodão de fibra de vidro fina, o que reduz a troca de calor entre as câmaras quentes e frias e diminui o consumo de energia do equipamento.

O sistema de controle adota uma tela sensível ao toque de cristal líquido colorida, desenvolvida internamente, com resolução de exibição de temperatura de 0.1 °C. A duração do teste pode ser definida livremente entre 0.1 e 999.9 h/min/s. Sensores de temperatura de resistência de platina PT100Ω/MV são equipados, apresentando forte resistência a interferências eletromagnéticas e alta precisão na aquisição de temperatura. O dispositivo integra múltiplas proteções contra vazamento, curto-circuito, superaquecimento do aquecedor, superaquecimento do motor e sobrepressão e sobrecorrente do compressor. Ele dispara alarmes automaticamente em condições anormais de operação para garantir a segurança do equipamento e da amostra durante testes cíclicos de longa duração sem supervisão. A tabela abaixo lista as principais especificações dos modelos principais do equipamento. LISUN Câmara de choque térmico de alta e baixa temperatura da série HLST. HLST-500D Possui um grande volume de câmara de trabalho, adequado para testes de choque térmico em lote de componentes eletrônicos automotivos de médio porte, como módulos integrados, telas de exibição e conjuntos de lâmpadas.

Pontos de implementação do teste de choque térmico ISO 16750-4 com câmara de choque térmico de alta e baixa temperatura

Antes do teste formal de choque térmico para eletrônica automotiva, deve-se concluir a verificação preliminar da câmara de choque térmico de alta e baixa temperatura. O ambiente de instalação do equipamento deve ser controlado a uma temperatura ambiente de 5 °C a 30 °C, umidade relativa não superior a 85% UR, com boa ventilação e espaço reservado para dissipação de calor, a fim de evitar a atenuação do desempenho de resfriamento e aquecimento causada por má dissipação de calor. Realize uma verificação sem carga para confirmar se as câmaras de alta e baixa temperatura do equipamento podem atingir normalmente as temperaturas extremas definidas, verifique se o tempo de conversão e o tempo de recuperação da temperatura atendem aos limites padrão e verifique o funcionamento normal da edição de programas na tela sensível ao toque, registro de dados e proteção contra alarmes. As amostras de teste devem passar por uma inspeção inicial de aparência e desempenho elétrico, e os parâmetros funcionais iniciais das amostras devem ser registrados. As amostras devem ser colocadas no suporte de amostras com espaços reservados entre elas. Os dutos de ar não devem ser bloqueados para evitar desvios de temperatura local causados ​​pela obstrução da circulação do fluxo de ar.

Elabore o programa de teste do equipamento de acordo com os requisitos da norma ISO 16750-4, definindo a temperatura de choque térmico de alta e baixa temperatura, o tempo de permanência em cada temperatura e o número total de ciclos. O tempo de permanência deve garantir que a amostra atinja completamente a temperatura definida, e não apenas considerar a temperatura do ar dentro da câmara. O número de ciclos é determinado de acordo com a posição de instalação dos componentes e os requisitos de especificação do veículo, geralmente variando de 50 a 300 ciclos. Inicie a operação automática da Câmara de Choque Térmico de Alta e Baixa Temperatura. O equipamento realizará automaticamente o pré-aquecimento e o pré-resfriamento das câmaras de alta e baixa temperatura. Em seguida, a cesta se deslocará para frente e para trás, submetendo as amostras alternadamente a choques térmicos de alta e baixa temperatura, e registrando continuamente os dados históricos de temperatura da câmara durante todo o processo. Após completar um determinado número de ciclos, o teste pode ser suspenso para retirar amostras para inspeção da função de inicialização, observar falhas como rachaduras na carcaça, infiltração de água na vedação, anormalidades de comunicação e deriva de parâmetros, e fazer uma avaliação completa do desempenho após a conclusão de todos os ciclos.

Além de testes de choque térmico, esta câmara de choque térmico para altas e baixas temperaturas também atende a normas nacionais e internacionais relacionadas a choque térmico, como GJB 150.5A-2009, MIL-STD-883H e IEC 60068-2-14. Além de eletrônica automotiva, ela pode ser usada para verificação de confiabilidade de componentes aeroespaciais, chips semicondutores, componentes optoeletrônicos e materiais poliméricos. Para objetos testados de diferentes tamanhos, podem ser selecionados modelos de duas ou três zonas, conforme necessário. Os modelos de duas zonas são preferíveis para amostras pequenas, enquanto os modelos de três zonas podem ser adotados para algumas amostras grandes que não podem ser movimentadas, onde as amostras permanecem fixas e o choque térmico é realizado pela alternância do fluxo de ar quente e frio.

Notas sobre operação e manutenção de longo prazo dos equipamentos

Quando a Câmara de Choque Térmico de Alta e Baixa Temperatura realiza testes de choque cíclico massivos, a manutenção do equipamento afetará diretamente a validade dos resultados. Inspecione regularmente o conjunto de dissipação de calor do condensador do compressor e limpe a poeira da superfície em tempo hábil para garantir a eficiência da troca de calor do sistema de refrigeração. Verifique regularmente o mecanismo de transmissão da cesta (modelos de duas zonas) para garantir uma transmissão suave e evitar travamentos durante a transferência da amostra, que causam tempo de transferência excessivo. Inspecione as tiras de vedação da porta para confirmar que não há sinais de envelhecimento ou vazamento de ar e evitar a troca de temperatura entre as câmaras quente e fria. As funções de proteção de segurança integradas ao equipamento não devem ser desativadas manualmente. Em caso de alarmes de sobrepressão ou superaquecimento do compressor, os problemas devem ser investigados e resolvidos antes de retomar os testes. Para testes de confiabilidade de longo prazo em eletrônica automotiva, recomenda-se exportar periodicamente as curvas de operação da temperatura do equipamento como material de rastreabilidade para os relatórios de teste.

Conclusão

O teste de choque térmico especificado na norma ISO 16750-4 é um item fundamental para a verificação da confiabilidade de componentes eletrônicos automotivos. Este teste pode simular com eficácia diversas falhas latentes induzidas por tensões de expansão e contração térmica, e a confiabilidade dos resultados depende fortemente do desempenho geral da câmara de choque térmico de alta e baixa temperatura. LISUN HLST-500D Câmara de choque térmico de alta e baixa temperatura A câmara de choque térmico de alta e baixa temperatura oferece comutação instantânea em uma ampla faixa de temperatura, de -50 °C a 150 °C. Adotando o princípio consagrado de transporte por cestos de duas zonas, juntamente com componentes principais importados, sistema de controle inteligente e proteção de segurança completa, ela atende aos indicadores de equipamentos para testes de choque térmico da norma ISO 16750-4 e replica o ambiente de variação extrema e rápida de temperatura durante o uso real de veículos. Isso auxilia a equipe de P&D na rápida identificação de defeitos de projeto em microcontroladores, lâmpadas, displays, placas de circuito impresso e outros componentes embarcados. Esta câmara de choque térmico de alta e baixa temperatura pode ser utilizada para testes de triagem de amostras na fase de P&D, inspeção de qualidade de componentes recebidos e certificação de conformidade em instituições de teste terceirizadas. Em testes práticos, os técnicos precisam compreender plenamente as restrições de teste da norma ISO 16750-4, realizar a calibração completa do equipamento antes do teste, o arranjo adequado das amostras, o armazenamento de dados do processo e a manutenção regular do equipamento, explorando ao máximo o desempenho do equipamento, garantindo a autenticidade e a credibilidade dos resultados dos testes de choque térmico e fornecendo um forte suporte para o projeto de confiabilidade de produtos eletrônicos automotivos.