温度冲击试验：给产品戴上“热胀冷缩”的紧箍咒

温度冲击试验，也称冷热冲击试验，是通过将样品在极短时间内在高温与低温环境之间快速切换，考核其在热胀冷缩交变应力下的结构完整性、材料匹配性和电气可靠性的一种加速试验。广泛应用于电子元器件、航空航天设备、汽车零部件、军工装备、消费电子产品等领域。

试验目的

1. 发现设计与工艺缺陷：在产品工程研制阶段，通过模拟极端温度变化，暴露结构设计、材料选择或工艺过程中的潜在问题（如热胀冷缩不一致导致的应力、密封失效等）。

2. 验证环境适应性：在产品定型、设计鉴定或批产阶段，验证其在实际使用中可能遇到的温度冲击环境下的可靠性，为验收决策提供依据。

3. 环境应力筛选（ESS）：通过严苛的温度冲击剔除产品早期故障，提高批次产品的整体质量。

试验原理与定义
如何制造一场“热冲击”？

当不同材料（如硅芯片、铜引线、PCB基板、塑封料）的热膨胀系数存在差异时，急剧的温度变化会导致界面处产生巨大的机械应力。反复作用即可引发：

- 焊点疲劳开裂：BGA、SMT焊点在反复拉伸/压缩中萌生裂纹

- 封装分层：塑封料与芯片界面剥离

- 金属引线断裂：因反复弯曲而疲劳断裂

- PCB微裂纹：导致信号完整性下降

- 密封失效：密封件在热应力下丧失气密性

这就是温度冲击试验能够快速暴露产品潜在缺陷的根本原理。

→ 温度变化速率：通常定义为温度变化率大于10℃/min（如MIL-STD-810F、GJB150.5A），部分标准（如GB/T2423.22）允许更快速率（如2~3min内完成转换），甚至可达到20~50℃/min以上，以模拟更严酷的实际环境。

介质类型

- 气态介质：使用空气作为传热介质（如三箱式、两箱式气态冲击），适用于大多数电子电器、设备类产品。

- 液态介质：使用液体（如硅油、水）作为介质（如两箱式液态冲击），转换速率更快，环境更严酷，适用于对温度敏感或需模拟浸入环境的产品。

试验条件01温度范围

- 高温通常为200℃~30℃（10级），低温为-65℃~5℃（7级），具体根据产品实际使用环境确定（如MIL-STD-810F要求按部署场景剪裁，GB/T 2423提供标准温度等级供选择）。

02保持时间

- 通常为10min~3h，根据产品热容量确定（如小型元器件可10min，大型设备需1~3h），部分标准要求以产品达到温度稳定的时间为准。

03循环次数

- 一般为5次循环（高温→低温→高温为1次循环），或根据产品要求增加（如10次、20次），用于模拟长期温度冲击影响。

04转换时间

- 气态冲击通常要求≤2~3min，液态冲击可缩短至≤1min，确保温度变化的“急剧性”。

试验类型

根据介质和方法不同，分为三类：

试验Na‌：规定转换时间的快速温度变化（空气介质）

试验Nb‌：规定变化速率的温度变化（空气介质）

试验Nc‌：两液槽法快速温度变化（液体介质）

试验设备

称为‌温度冲击试验机‌或冷热冲击试验箱，主要分为：

两箱式（提篮式）‌：样品在高温箱与低温箱之间移动，转换快。

三箱式（静置式）‌：样品不动，通过风门切换气流实现冲击，避免振动影响。

液体冲击式‌：样品浸入高低温液体中，传热更快，冲击更剧烈。

温度冲击试验所需设备

一

核心设备

01
温度冲击试验箱

这是试验的主体设备，根据结构分为两类：

（1）

两箱式温度冲击试验箱（主流）

组成

•高温：独立加热区（+60℃ ~ +180℃）

•低温：独立制冷区（-40℃ ~ -70℃，复叠制冷可达 -80℃）

•提篮：承载试件，在两箱间快速移动

•气动/伺服驱动机构：实现 ≤5–10 秒的转移时间

关键指标

•温度范围、转换时间、温度均匀性（±2℃）、热负载能力

（2）

三箱式温度冲击试验箱（较少用）

•增加一个常温过渡区，减少对设备冲击，适用于超大或高价值试件

选型建议：优先选择两箱式，因其更贴近标准（如 GJB 150.5A、IEC 60068-2-14）对“快速转移”的要求。

二

辅助与配套设备

02
制冷与加热系统（集成在试验箱内，但需外部支持）

•复叠式制冷机组：用于实现 -65℃ 以下低温（含 R23/R508B 等低温冷媒）

•电加热器 + PID 控制：确保高温稳定

•外部冷却塔或冷水机（如需要）：为压缩机散热（尤其在高温高湿地区）

03
试件供电与信号监测系统

•高温/低温电缆：耐受 -70℃ ~ +200℃ 的硅胶或 PTFE 绝缘线

•真空/高温电馈通：穿过箱壁引入电源/信号（部分高端箱体标配）

•滑环或无线传输（可选）：用于旋转或移动试件

04
数据采集系统（DAQ）多通道温度记录仪

•连接试件内部热电偶（T 型/K 型），监测实际温度响应

•验证是否“热透”（达到驻留时间要求）

功能监测设备

•万用表、示波器、CAN 分析仪等，实时记录电气性能

•可通过软件自动判读“功能失效”时刻

05
视频监控系统（可选但推荐）

•耐高低温摄像头：安装在箱内或通过观察窗拍摄

•用途：记录试件在冲击过程中是否出现冒烟、变形、起火等异常

三

安全与保障设备

06
安全联锁与报警系统

•门未关紧 → 禁止启动

•超温/超压 → 自动断电

•制冷剂泄漏 → 报警停机（尤其使用 R23 时）

07
干燥空气或氮气吹扫系统

•目的：防止低温箱内结霜/结冰，影响温度均匀性

•方式：在转移前向提篮吹入干燥空气（露点 ≤ -40℃）

08
校准与维护工具

•标准温度传感器（如铂电阻）：定期校准箱内温度场

•风速仪：检查气流循环是否正常

•检漏仪：检测制冷系统密封性

四

试验前后支持设备

09
预处理与恢复环境

•标准实验室环境（25±3℃, 50±10% RH）：用于试验前后状态恢复与检测

•绝缘电阻测试仪、耐压测试仪：评估电气安全性变化

10
外观与结构检测工具

•放大镜、显微镜：检查焊点裂纹、涂层剥落

•三坐标测量仪（CMM）或光学扫描仪：测量形变（高精度需求）

五

设备选型关键考量因素

•试件尺寸与重量：提篮内腔 ≥ 试件体积 1.5 倍，承重足够

•是否带电试验：确认箱体有足够电馈通接口和屏蔽

•转换时间要求：明确标准要求（通常 ≤10 s），实测验证

•维护成本：复叠制冷剂（如 R23）价格高，需考虑长期运维

•扩展性：是否支持未来增加湿度、振动复合试验

温度冲击试验的具体操作步骤



一

试验前准备
01明确试验条件

根据产品规范或标准确定以下参数：

•高温（TH）：如 +125℃

•低温（TC）：如 -55℃

•高温驻留时间：如 30 分钟

•低温驻留时间：如 30 分钟

•转换时间（两箱间转移）：≤10 秒（通常要求 ≤5 s）

•循环次数：如 10 次

•试验状态：不通电（贮存类）或 通电工作（功能类）

示例剖面

-55℃（30 min） +125℃（30 min），转换 ≤10 s，共 10 个循环

02试件准备

•清洁试件表面，去除油污、灰尘

•安装必要的传感器（如热电偶）监测关键部位温度

记录初始状态

•外观（拍照）

•功能（开机自检、通信、输出信号等）

•电气参数（绝缘电阻、电压、电流等）

03设备检查

•温度冲击试验箱校准有效（温度均匀性、转换时间验证）

•提篮无变形，驱动机构正常

•供电/信号线缆耐高低温，连接可靠

•安全联锁功能正常（门开关、超温保护）

二

试验执行步骤
步骤1初始稳定（可选）

•将试件置于标准实验室环境（25±3℃, 50% RH）至少 2 小时，使其达到热平衡。

步骤2放入试验箱

•将试件固定在提篮中，避免遮挡气流。

•若需带电测试，连接外部电源与监测设备（通过电馈通）。

步骤3启动试验程序

按预设程序自动运行（以两箱法为例）：

1. 高温暴露：提篮进入高温箱，保持TH，tH（如 30 min）；

2. 快速转移：提篮迅速移至低温箱，时间≤10 s（标准要求）；

3. 低温暴露：在低温箱保持TC，tC（如 30 min）；

4. 快速返回：提篮移回高温箱，时间≤10 s；

5. 循环重复：重复上述过程，共 N 次（如 10 次）。

注意

•第一个循环通常从常温→高温→低温开始，但部分标准允许从任意温区起始。

•驻留时间应确保试件“热透”（内部温度达到设定值 ±2℃ 以内）。

步骤4实时监控（如带电试验）

•记录功能是否中断、参数是否漂移

•视频监控是否有冒烟、变形、起火等异常

三

试验后处理
步骤5恢复

•试验结束后，将试件从箱中取出

•置于标准大气条件下（25±3℃, 50±10% RH）恢复至少 2 小时

•目的：消除暂时性温漂，反映真实损伤

步骤6最终检测01
外观检查

•裂纹、变形、涂层剥落、密封失效、漏液等

02
功能测试

•开机自检是否通过

•通信、控制、传感等功能是否正常

•输出信号精度是否在允许范围内

03
电气安全测试

•绝缘电阻 ≥ 规定值（如 10 MΩ）

•介电强度（耐压）无击穿

•接地连续性良好

04
性能参数比对

•与初始数据对比，判断是否超出规格限

四

结果判定

•功能：试验中及试验后均能正常工作（若为功能试验）

•结构：无开裂、分层、永久变形、密封失效

•电气：绝缘、耐压、信号精度符合产品规范

•标准符合性：满足 GJB 150.5A、客户技术协议等要求

通过：所有项目合格

失败：任一关键项不合格（如功能丧失、结构破裂）

五

典型注意事项
01避免冷凝

•从低温转高温时，若试件表面结露，可能引起短路。

•对策：在转移前用干燥空气吹扫，或采用“先升温再通电”策略。

02热电偶布置

•应贴在热容量大或关键部位（如芯片、焊点），而非外壳表面。

03试件热负载

•大功率设备需延长驻留时间，确保内部达到设定温度。

04非金属材料慎用

•某些塑料、橡胶在 -55℃ 下会脆化，需提前评估材料适用性。

典型效应与应用

- 物理效应：玻璃碎裂、部件卡紧/松弛、涂层开裂、密封泄漏等（如光学仪器、精密机械）。

- 化学效应：材料分层、化学试剂失效（如电池、涂料）。

- 电效应：电子元件失效、冷凝水导致短路（如PCB板、传感器）。

应用场景：电子电器（手机、芯片）、汽车零部件、航空航天设备、军工产品等，尤其适用于可能经历快速温度变化的场景（如户外设备、运输中的产品、机载设备）。

常见失效模式

材料开裂或变形

焊点断裂

涂层脱落

密封失效

电气性能下降

核心标准依据

•军用/航天：GJB 150.5A-2009《军用装备实验室环境试验方法 第5部分：温度冲击试验》

•电工电子：GB/T 2423.22-2012 / IEC 60068-2-14 规定试验程序、严酷等级

•汽车：ISO 16750-4、SAE J1211 车载电子温度冲击要求

•航空：RTCA DO-160 Section 5 机载设备温度变化试验

注意事项

- 介质选择：根据产品实际使用环境选择气态或液态介质，液态冲击更严酷但成本更高。

- 温度恢复时间：试验箱需在样品放入后快速恢复至设定温度（如GB/T 2423要求≤试验时间的10%，MIL-STD-810F要求≤5min），确保冲击有效性。

- 数据记录：全程记录温度曲线、样品状态及性能数据，便于分析故障原因。

温度冲击试验是暴露产品热机械薄弱环节的“加速压力测试”。其核心在于利用材料热胀冷缩的不一致性，在短时间内诱发潜在缺陷。设计阶段应充分考虑材料匹配、结构冗余、工艺控制，并通过该试验验证产品在真实世界“冷热突变”场景下的生存能力。