冷熱衝撃試験機とは
冷熱衝撃試験機とは、主に電気機器製品において、製品の使用環境の温度変化に、どれほどの耐性を持っているかを評価する冷熱衝撃試験を行うための試験装置のことです。
冷熱衝撃試験は、評価する製品に対して短時間のうちに高温と低温環境を繰り返し交互に作り出し、温度変化が試験体に与える影響を観察し、問題がないかを評価することを指します。主に自動車のオーディオやナビゲーションシステム、ハイブリッド車や電気自動車の駆動モーターの動きを制御する、カーエレクトロニクス製品ではよく行われる試験です。
規格では、JIS C60068-2-14 環境試験方法-電気・電子-第2-14部：温度変化試験方法などによって、試験方法や試験条件が定められています。
冷熱衝撃試験機の使用用途
冷熱衝撃試験機は、主に電子機器製品の信頼性を検証するための評価で用いられます。電子機器部品の中でも、はんだ付け部分や、各種コネクタの樹脂部品の耐環境性能の評価が行われます。
その他、冷熱衝撃試験機では、以下に示すような耐久性評価や不具合再現試験が行われます。
- はんだ付け部のクラック、はんだ割の再現試験
- はんだの材料変更による耐久性の評価確認
- 樹脂製コネクタの温度変化による耐久性確認
- 接合材料のひび割れや剥離、塗膜の剥離に対する耐久性確認
- コネクタなどの樹脂成形部品の熱歪みや割れに対する耐久性確認
- 樹脂に金属を組みわせた異種材料の熱膨張係数差による不具合発生有無の確認
- 電子機器部品の品質確認、スクリーニング試験
冷熱衝撃試験機の原理
冷熱衝撃試験機の構造は、試験室となるテストエリアの上側に高温槽、下側に低温槽が設けられた3層構造が一般的です。テストエリアと高温槽との間、試験室と低温槽との間、さらに試験室と本体外部との間に開閉できるダンパと呼ばれる仕切りがあります。
テストエリア内を高温にする際には、高温槽のダンパを開き、低温槽のダンパを閉じておきます。この状態で高温槽の空気をテストエリアに吹き込むことによって、テストエリア内の急加熱が可能です。一気に冷却する際には、高温槽のダンパを閉じて低温槽のダンパを解放し、低温槽の空気を試験室内に吹き込みます。
テストエリアを常温にする際には、高温槽、低温槽いずれのダンパも閉じ、試験室と外気との間のダンパを解放することによって、テストエリア内を常温にします。また、電子機器部品の試験においては、機器に通電した状態で試験を行うことも可能です。
冷熱衝撃試験機で設定できる温度の範囲は、およそマイナス70度から200度です。近年では、電子機器部品への品質要求も高まっており、300度まで対応する試験機もあります。
冷熱衝撃試験の種類
冷熱衝撃試験には、2ゾーン試験と3ゾーン試験があります。2ゾーン試験は高温条件と低温条件で行う試験です。3ゾーン試験は高温、低温に常温条件が加わえた試験です。
常温条件は、試験室内に試験装置外部の空気を流し込むことによって作り出します。
冷熱衝撃試験機のその他情報
冷熱衝撃試験の必要性
製品に使用される材質は、温度が変化することで膨張や収縮が起こります。異なる材質で作られた部分は、性質の違いから応力が発生します。これが繰り返されることで、内部に疲労が蓄積してひびや破壊が起こり、想定より弱い強度でも壊れてしまったり、接合箇所の分裂やねじのゆるみや表面被膜がはがれてしまったりすることがあります。
そのため、膨張や収縮が起こることで、「どこに負荷がかかって破損につながるのか」を与えた負荷量と併せて時系列で確認することが重要です。冷熱衝撃試験で、製品の性能や信頼性を評価しています。
特にハイブリッド車や電気自動車などのモータ制御に使われるパワー半導体部品には、激しい環境変化の中で、大容量の電気が流れます。これらの電子部品が市場でも不具合を起こさないことを確認するために、冷熱衝撃試験が欠かせません。
参考文献
https://www.espec.co.jp/products/trustee/test/thermalshock.html
https://www.espec.co.jp/products/env-test/tsa/
https://www.jfe-tec.co.jp/tech-consul/hot-cold-shock-testing.html
https://www.oeg.co.jp/Rel/hot.html
http://www.jectec.or.jp/02zairyotokusei/14-heatshock.html