熱衝撃試験機とは
熱衝撃試験機とは、温度の変化が製品などに及ぼす影響を評価する装置です。
熱衝撃試験では、急激な温度変化を加えることで製品や電子部品、素材などが温度変化に対する耐性をどの程度有しているかを評価します。熱衝撃試験機は高温⇔低温環境にて曝露を繰り返す機能が備わっており、任意のサイクルを繰り返すことでこのような熱衝撃試験を行うことが可能です。
ヒートショック試験装置、サーマルショック試験機などと呼ばれる場合もあります。
熱衝撃試験機の使用用途
熱衝撃試験機は、電子部品のように製品に高い信頼性を要求される製品や自動車のように予め使用時における周囲の温度変化が予想される製品などを評価するための用途で使用されます。具体的な製品例は以下の通りです。
- 各種半導体製品 (次世代パワー半導体・フラッシュメモリ・プリント基板・実装基板・積層回路など)
- リチウム二次電池、リチウムキャパシタ
- ソーラーパネル、太陽電池モジュール
- 車載ディスプレイ
- ケーブル・ハーネス類
- ラジエーター
- アクチュエーター
- ECU
- インバーター
- DCDCコンバーター
- モーター・大型モーター
熱衝撃試験で行う評価は以下の通りです。
- はんだ付けによる接合評価 (クラックやひび割れなどによる不良発生)
- プリント基板・実装基板・積層回路の信頼性評価
- 基板の寿命を予測するための加速試験
- 材料変更に伴う信頼性評価
- 異種材料の溶接部の耐久性評価・膨張や収縮率の違いによる状態変化の確認
- 樹脂製品の熱変形 (ゆがみやひび割れ) に対する耐久性評価
- 温度変化に伴う結露の評価
- 市場流通後に発生する不具合の再現試験
熱衝撃試験機の原理
熱衝撃試験機は、テストエリア (試験槽) 内の温度環境に合わせた媒質 (気体や液体) を使うことで低温環境や高温環境を作り出します。設定された温度環境にするには、媒質の温度や量、速度、方向などで調節が必要です。
媒質によりテストエリア内の温度環境を変えることで、試験体の移動が不要になるため、振動や接触による評価結果への影響を抑えられます。従って、温度環境のみが影響する正確な信頼性評価を実施することが可能です。
設定可能な温度の範囲は、一般的に約-80℃から+300℃までと幅があります。目的に応じた温度環境を想定して試験を実施することができます。
熱衝撃試験機の種類
熱衝撃試験機の媒質は、気体と液体の2種類です。中には温度変化だけでなく、結露を同時に評価することが可能な装置もあります。
また、装置によって槽内寸法や耐荷重、最低温度・最高温度、温度変化速度などは異なります。特に、最高温度は、150℃、200℃、300℃など、製品によって大きく異なる仕様です。槽内容量は大型のものでは600Lにも達します。評価したい温度域、製品の大きさ、評価時間などに合わせて適切なものを選択することが大切です。
1. 気槽式
気槽式熱衝撃試験は、試験体を交互に高温風と低温風に晒すことで温度差を作り出す試験の方法です。試験体の格納されている試験槽に隣接して冷温槽と高温槽がある構造が一般的です。気槽式の製品の中には、試料移動型の製品も存在します。
低温風と高温風を交互に試験槽に送り込み、温度の変化を作り出します。風を交互に送り込むという仕組みのため、液槽式に比べると温度の変化が穏やかであることが特徴です。また、通電させ状態で試験を実施できます。
2. 液槽式
液槽式熱衝撃試験は、試験体を高温の液体と低温の液体に交互に浸す試験方法です。液槽式の試験機は、試験体自体を高温槽と低温槽を移動させることで製品に温度の変化を加える仕組みです。高温と低温の移動は10秒以内に完了するなど、移動による影響は極力排除されるように配慮されています。
冷媒には低温でも凍結せず、高温でも沸騰せず、尚且つ電気的に絶縁性のある液体 (ガルデンなど) が用いられます。あらかじめ目的の温度に設定した液体に浸けるため、気槽式よりも急激に温度の変化が起こります。気槽式の装置よりも、試験時間を短くすることが可能です。一方、実際の使用環境では起こり得ない故障が起こる可能性もある点に注意が必要です。
3. 結露サイクル試験
試験機に高温恒湿器が搭載されていて装置内の湿度制御が可能な場合は、温度変化だけでなく結露によって起こりうる腐食や誤作動の可能性についても合わせて評価することが可能です。車載電装品などの試験に特に使用されます。
熱衝撃試験機のその他情報
1. 熱衝撃試験の原理
熱衝撃試験の対象となる試験体に用いられた様々な材料は、温度変化により膨張や収縮が起こります。異なる材料が接する部分では線熱膨張係数 (CTE: 温度変化と体積変化の関係を表す) の差から力が加わります。この力が応力です。
高温と低温からなる温度差のサイクルが繰り返されると、材料の様々な部分で応力が発生、蓄積、疲労していくことで、ヒビや塗膜の剥離、ネジの緩み、破壊現象へとつながります。この現象を試験することで、試験体が温度変化に対してどれくらいの耐性や強度を持っているのか信頼性を評価する環境試験が熱衝撃試験です。
2. 熱衝撃試験機を使用する際の注意点
温度サイクルの範囲と繰り返す回数によりますが、信頼性評価は数ヶ月にわたる場合がほとんどです。特に加速試験を行う際は、試験途中で熱衝撃試験機が止まってしまうと評価そのものに大きく影響します。
そのため、あらかじめバッテリーなどの非常電源設備を検討しておくことが重要です。落雷や地震などの自然現象による停電で電気が止まってしまうと、装置の評価は止まってしまいます。何ヶ月も費やした試験が途中で止まってしまい、また1から始めることがないように、安定した非常電源と組み合わせて使用するのが望ましいです。
