ヒートサイクル試験とは
ヒートサイクル試験とは、試験したい製品を高温・低温環境下に繰り返してさらし続けることにより、製品が物理的または機械的に、どのように変化するかを確認する試験です。
製品の熱ストレスによる、耐久性評価実験の一つです。一般的にヒートサイクル試験では、実際の製品の使用環境よりも早い時間で温度変化を与えます。
早い時間での温度変化を与えることによって、温度変化に対する製品の劣化速度を早め、製品の耐久性を短期間に実験評価する、加速試験として行われます。
ヒートサイクル試験の使用用途
ヒートサイクル試験は、樹脂製品など熱膨張係数が大きい製品の耐久性評価として行われる場合が多いです。また、単一の材料ではなく、複数の材料が組み合わさったり、接合されたりしている製品に対しても行われます。接合にはフィルムのような、他の部品の表面に貼り付けられた製品も含まれます。
異なった材料であれば熱膨張係数も異なり、温度変化によって両者の接合部分には負荷が発生します。熱膨張差による接合部の負荷が繰り返されると、製品の寸法変化、亀裂の発生、接合されているものであれば剥がれなどの不具合が予想されます。また、ヒートサイクル試験は、電子部品や半導体の品質確認としても必要な試験です。
電子部品や半導体には、さまざまな物質が使われており、それぞれ熱膨張係数は異なります。それぞれが異なった熱膨張を繰り返すことによる品質への影響について確認、評価を行うために、ヒートサイクル試験は実施されます。
その他、製品の開発途中ではなく、市場で発生してしまった不具合の解析のために行われる場合もあります。不具合の原因が温度変化の繰り返しであると想定された場合に、ヒートサイクル試験を行うことによって、原因調査から推定した仮説を検証することが可能です。
ヒートサイクル試験の原理
ヒートサイクル試験は、温度を管理できる恒温層を用いて行います。試験条件として定めた高温側の温度、低温側の温度、それぞれの保持時間、温度変化させる速度 (温度が変化していく時間) 、繰り返しの回数などを恒温層に設定します。
また、試験が正常に行われたことを確認するためにも、温度変化は試験履歴として記録しておくべきです。試験中は、定期的に試験品を確認する場合もあります。
例えば、樹脂製品であれば「亀裂などの異常が発生していないか？」「加飾のために製品表面に貼られたフィルムなどにシワが発生していたり、剥がれが生じていないか？」など、外観の異常の有無を確認することが大切です。
ヒートサイクル試験のその他情報
1. ヒートサイクル試験の規格
ヒートサイクル試験に関する規格としては、JIS C 60068-2-30 温湿度サイクル試験などが挙げられます。この試験は主に高湿度環境下において、温度変化が繰り返された場合の製品への影響について確認する試験です。
高湿度下におけるヒートサイクルによって、製品の熱膨張、熱収縮の繰り返しに加えて、結露の繰り返しの発生による影響も確認することになります。また、JIS C 60068-2-38 温湿度組み合わせ (サイクル) 試験も、ヒートサイクルを含んだ試験です。
こちらの試験はJIS C 60082-2-38よりも、以下の点が厳しくなっています。
- 評価時間における温度の上昇下降の回数が多い
- 温度変化の幅が大きい
- 温度変化の速度が速い
- 温度条件に0度以下の温度も含まれる
比較的サイズが小さく、体積も少ない試験品に対して多く実施される試験です。
2. ヒートサイクル試験に類似した試験
ヒートサイクル試験は、環境に対する加速試験の一つです。ヒートサイクル試験以外にも、温度環境に関する試験があります。それぞれの試験の特徴を理解し、適切な試験を選択することが大切です。
例えば、熱衝撃試験 (ヒートショック試験) はヒートサイクル試験よりも、急激な温度変化による品質への影響を確認する試験です。高温から低温、低温から高温への温度変化を、非常に短時間で与えます。
急激な温度環境の変化で使われる電子部品、熱膨張係数が異なる材料が接合された部品におけるクラックの発生評価、はんだの接合強度の経時変化などを評価します。