Comment valider la fiabilité des composants électroniques automobiles à l'aide d'une chambre de choc thermique haute et basse température (ISO 16750-4)

Abstract
Les dispositifs électroniques automobiles fonctionnent dans des environnements climatiques naturels complexes. L'alternance jour/nuit et les changements saisonniers peuvent engendrer des variations de température soudaines et importantes sur les véhicules. Les différences de coefficients de dilatation thermique des matériaux peuvent provoquer des défaillances telles que la fissuration des joints de soudure, la défaillance des joints d'étanchéité et la dérive des performances électriques. Norme internationale importante pour les essais de charge climatique des équipements électriques et électroniques destinés aux véhicules routiers, la norme ISO 16750-4 spécifie clairement les exigences d'essai relatives aux chocs thermiques et aux variations rapides de température afin d'évaluer la fiabilité de fonctionnement des composants électroniques embarqués dans des conditions de variations de température extrêmes et alternées. La chambre de choc thermique haute et basse température est l'équipement de simulation environnementale essentiel pour ces essais. LISUN HLST-500D La chambre de choc thermique haute et basse température (HLST) appartient au modèle à deux zones de la série HLST. Elle permet une commutation thermique instantanée sur une large plage de températures, de -50 °C à 150 °C, et reproduit les variations de température extrêmes et rapides rencontrées en conditions réelles d'utilisation des véhicules grâce à un mécanisme de navette. Conformément aux exigences de la norme ISO 16750-4, cet article décrit le principe de fonctionnement, les performances matérielles et le processus de mise en œuvre des tests de la HLST. Il analyse également son application pratique pour la vérification de la fiabilité des microcontrôleurs automobiles, des écrans embarqués, des blocs optiques, des cartes de circuits imprimés et autres composants. Il fournit des références aux laboratoires de R&D et de contrôle qualité en électronique automobile pour la réalisation de tests de choc thermique normalisés. 

Introduction

Avec les progrès constants de l'intelligence et de l'électrification automobiles, le nombre de composants électroniques embarqués ne cesse d'augmenter. Puces de contrôle MCU, écrans de bord, modules de gestion de batterie, unités de commande des phares et autres composants électroniques sont installés dans différentes zones telles que l'habitacle, le compartiment moteur et le châssis, et sont soumis à des chocs thermiques importants. En hiver, lorsque les véhicules sont stationnés à l'extérieur, la température des composants peut chuter jusqu'à -40 °C, voire moins. Après le démarrage du véhicule, la chaleur du moteur et la lumière directe du soleil peuvent rapidement faire remonter la température des composants au-delà de 85 °C, créant ainsi un écart de température considérable en très peu de temps. Les différences de coefficients de dilatation thermique entre les matériaux entraînent une accumulation de contraintes internes dues aux cycles répétés de dilatation et de contraction, provoquant des défauts latents tels que des microfissures sur les joints de soudure des circuits imprimés, la fissuration des joints du boîtier et la dérive des paramètres des composants. Ces défauts ne sont généralement pas détectés par les tests de cyclage thermique classiques et ne peuvent être mis en évidence que par des tests de choc thermique avec alternance instantanée de températures élevées et basses.

Pour les contraintes climatiques des composants électroniques embarqués, la norme ISO 16750-4 spécifie plusieurs essais, notamment l'essai à température constante, l'essai de variation de température par paliers, l'essai de cyclage thermique et l'essai de choc thermique. Parmi ceux-ci, l'essai de choc thermique évalue principalement la tolérance des échantillons aux variations rapides de température et impose des contraintes strictes sur le temps de commutation, le temps de retour à la température et l'uniformité de la température de la cavité. Les enceintes thermiques classiques, à haute et basse température, présentent des vitesses de chauffage et de refroidissement limitées et ne permettent pas une commutation rapide entre environnements à haute et basse température, ne satisfaisant ainsi pas aux conditions de l'essai de choc thermique spécifiées par la norme. Chambre de choc thermique haute et basse température Ce dispositif a été spécialement conçu pour les conditions de variation instantanée de température et se décline en deux types structurels : le modèle à deux zones (type D) et le modèle à trois zones (type T). Le modèle à deux zones utilise un panier pour déplacer rapidement les échantillons entre la zone haute température et la zone basse température ; le modèle à trois zones maintient les échantillons fixes dans la zone de test et reproduit les effets de choc thermique par alternance de flux d’air chaud et froid. Les deux modèles permettent des changements de température extrêmes en un temps très court et satisfont aux exigences de la norme ISO 16750-4 en matière d’essais de choc thermique. LISUN La chambre de choc thermique haute et basse température de la série HLST est équipée de compresseurs importés, d'un système de commande tactile intelligent et d'un ensemble complet de dispositifs de sécurité. Elle peut être utilisée aussi bien pour le criblage d'échantillons en petites séries dans les laboratoires que pour la vérification de la fiabilité des composants produits en série sur les lignes de production. Elle est largement employée pour les tests de certification de conformité dans les secteurs de l'électronique automobile, de l'aérospatiale, des semi-conducteurs et autres.

HLST-500D-C_Chambre de choc thermique haute et basse température

Exigences relatives aux équipements de la norme ISO 16750-4 pour les chambres de choc thermique haute et basse température

Conformément aux clauses relatives aux essais de choc thermique de la norme ISO 16750-4, les échantillons électroniques automobiles doivent être exposés alternativement à des températures extrêmes, hautes et basses, spécifiées. Le temps de transfert des échantillons d'une température extrême à l'autre doit être strictement contrôlé. Après leur entrée dans l'enceinte thermique, les échantillons doivent atteindre la température d'essai cible dans le délai de récupération spécifié. Un temps de transfert trop long soumet les échantillons à une variation de température trop lente et ne permet pas de simuler les contraintes de choc thermique rencontrées en conditions réelles. Un temps de récupération de température inadéquat ou une mauvaise uniformité de température à l'intérieur de l'enceinte entraînent des contraintes thermiques incohérentes sur différents échantillons d'un même lot, rendant les résultats des essais incomparables.

La norme exige également l'enregistrement complet des courbes de température tout au long de l'essai afin d'assurer la traçabilité des rapports ultérieurs. Par conséquent, la chambre de choc thermique haute et basse température doit être programmable, permettant ainsi de paramétrer librement la durée de maintien à haute et basse température et le nombre de cycles de choc thermique, et prenant en charge le stockage et l'exportation des données de température. Pour les composants embarqués installés dans les compartiments moteur et le châssis, la plage de température de choc couramment utilisée est de -40 °C à 125 °C ; pour les composants situés dans l'habitacle, on utilise généralement une plage de -20 °C à 85 °C pour la vérification de la résistance aux chocs. Pendant l'essai, les échantillons ne doivent pas entrer en contact avec le conduit d'air de la chambre, et leur position doit garantir une circulation d'air suffisante afin d'éviter toute température locale anormale. Les équipements d'essais environnementaux traditionnels peinent à répondre à ces multiples exigences, notamment le transfert de second niveau, la récupération rapide de la température et le fonctionnement cyclique continu à long terme. En revanche, la chambre de choc thermique haute et basse température de la série HLST présente un temps de conversion de température ≤ 10 secondes et un temps de récupération de température ≤ 5 minutes pour les modèles à deux zones, avec une fluctuation de température ≤ ± 0.5 °C et une uniformité de température ≤ 2 °C. Ses caractéristiques techniques répondent aux exigences des essais de choc thermique spécifiés dans la norme ISO 16750-4.

Architecture matérielle et paramètres de performance HLST-500D Chambre de choc thermique haute et basse température

Le HLST-500D Il s'agit d'une chambre de choc thermique à deux zones (type D) pour hautes et basses températures. L'équipement comprend une chambre haute température et une chambre basse température indépendantes, ainsi qu'un panier d'échantillons à déplacement automatique. Pendant le test, les échantillons sont fixés à l'intérieur du panier. Le mécanisme de navette automatique achemine rapidement les échantillons testés vers la chambre haute température préchauffée ou la chambre basse température prérefroidie, les exposant ainsi directement à des environnements de températures extrêmes pour un choc thermique complet. Le système de réfrigération utilise des compresseurs hermétiques en cascade de marque française TECUMSEH ou allemande Bitzer pour garantir le maintien stable d'une température de -50 °C dans la chambre basse température. L'unité de chauffage utilise des résistances électriques indépendantes en nichrome, offrant un rendement de chauffage élevé et une température de sortie stable. L'enveloppe extérieure de l'enceinte est en acier au carbone de haute qualité, traité par pulvérisation électrostatique de phosphate. La cavité intérieure est en tôle d'acier inoxydable SUS304, résistante au vieillissement thermique et facile à nettoyer. La couche d'isolation thermique est composée de mousse de polyuréthane rigide et de coton en fibre de verre fine, ce qui réduit les échanges thermiques entre les chambres chaudes et froides et diminue la consommation d'énergie des équipements.

Le système de contrôle est doté d'un écran tactile couleur à cristaux liquides développé en interne, offrant une résolution d'affichage de la température de 0.1 °C. La durée du test est librement paramétrable entre 0.1 et 999.9 h/min/s. Des capteurs de température à résistance de platine PT100 Ω/MV sont intégrés, garantissant une forte immunité aux interférences électromagnétiques et une grande précision d'acquisition de température. L'appareil intègre de multiples protections contre les fuites de courant, les courts-circuits, la surchauffe du chauffage et du moteur, ainsi que la surpression et la surintensité du compresseur. Il déclenche automatiquement des alarmes en cas de fonctionnement anormal afin de garantir la sécurité de l'équipement et des échantillons lors des tests cycliques de longue durée sans surveillance. Le tableau ci-dessous répertorie les principales caractéristiques des modèles principaux. LISUN Chambre de choc thermique haute et basse température série HLST. HLST-500D possède un grand volume de chambre de travail, adapté aux tests de choc thermique par lots de pièces électroniques automobiles de taille moyenne telles que les modules embarqués, les écrans d'affichage et les ensembles de lampes.

Points d'application de la norme ISO 16750-4 : Essai de choc thermique avec chambre de choc thermique haute et basse température

Avant le test de choc thermique formel pour l'électronique automobile, une vérification préliminaire de la chambre de choc thermique haute et basse température doit être effectuée. L'environnement d'installation de l'équipement doit être contrôlé à une température ambiante de 5 °C à 30 °C, avec une humidité relative inférieure ou égale à 85 % HR, et bénéficier d'une bonne ventilation et d'un espace suffisant pour la dissipation thermique, afin d'éviter toute atténuation des performances de refroidissement et de chauffage due à une mauvaise dissipation de la chaleur. Un test à vide doit être réalisé pour confirmer que les chambres haute et basse température de l'équipement peuvent atteindre les températures extrêmes définies, que les temps de conversion et de récupération de température sont conformes aux normes, et que le bon fonctionnement de l'écran tactile (édition de programmes, enregistrement des données et protection contre les alarmes) est vérifié. Les échantillons de test doivent faire l'objet d'une inspection initiale de leur aspect et de leurs performances électriques, et leurs paramètres fonctionnels initiaux doivent être enregistrés. Les échantillons doivent être placés sur le support prévu à cet effet dans le panier, en ménageant un espace entre eux. Les conduits d'air ne doivent pas être obstrués afin d'éviter toute variation locale de température due à une circulation d'air insuffisante.

Rédigez le programme de test de l'équipement conformément à la norme ISO 16750-4. Définissez la température de choc thermique (haute et basse température), la durée de maintien à ces températures et le nombre total de cycles. La durée de maintien doit garantir que l'échantillon atteigne intégralement la température de consigne, et non pas uniquement la température ambiante de l'enceinte. Le nombre de cycles est déterminé en fonction de la position d'installation du composant et des spécifications complètes du véhicule ; il est généralement compris entre 50 et 300. Lancez le fonctionnement automatique de l'enceinte de choc thermique. L'équipement effectuera automatiquement le préchauffage et le pré-refroidissement des enceintes. Ensuite, le panier effectuera des allers-retours pour soumettre alternativement les échantillons aux chocs thermiques, et les données de température seront enregistrées en continu. Après avoir effectué un certain nombre de cycles, le test peut être suspendu pour prélever des échantillons afin de contrôler la fonction de mise sous tension, observer les défaillances telles que la fissuration du boîtier, les infiltrations d'eau dans le joint, les anomalies de communication et la dérive des paramètres, et porter un jugement complet sur les performances après avoir terminé tous les cycles.

Outre les essais de choc thermique, cette chambre de choc thermique haute et basse température est conforme aux normes nationales et internationales relatives aux chocs thermiques, telles que GJB 150.5A-2009, MIL-STD-883H et IEC 60068-2-14. Elle est utilisée, outre l'électronique automobile, pour la vérification de la fiabilité des composants aérospatiaux, des puces semi-conductrices, des composants optoélectroniques et des matériaux polymères. Pour les objets testés de différentes tailles, des modèles à deux ou trois zones sont disponibles. Les modèles à deux zones sont privilégiés pour les petits échantillons, tandis que les modèles à trois zones conviennent aux grands échantillons fixes, pour lesquels le choc thermique est induit par l'alternance de flux d'air chaud et froid.

Notes sur le fonctionnement et la maintenance à long terme des équipements

Lors des essais de choc thermique cycliques intensifs réalisés dans la chambre de choc thermique haute et basse température, la maintenance de l'équipement influe directement sur la validité des résultats. Il est essentiel d'inspecter régulièrement le système de dissipation thermique du condenseur du compresseur et de nettoyer rapidement la poussière de surface afin de garantir l'efficacité de l'échange thermique du système de réfrigération. Sur les modèles à deux zones, il convient de vérifier régulièrement le mécanisme de transmission du panier pour assurer un transfert fluide et éviter tout blocage lors du transfert d'échantillons, ce qui entraînerait un temps de transfert excessif. Il est également important d'inspecter les joints d'étanchéité des portes afin de s'assurer de leur bon état et de l'absence de fuites d'air, et d'éviter les variations de température entre les chambres chaude et froide. Les fonctions de protection intégrées de l'équipement ne doivent pas être désactivées manuellement. En cas d'alarme de surpression ou de surchauffe du compresseur, les problèmes doivent être identifiés et résolus avant la reprise des essais. Pour les essais de fiabilité à long terme des systèmes électroniques automobiles, il est recommandé d'exporter périodiquement les courbes de fonctionnement en température de l'équipement afin de constituer des documents de traçabilité pour les rapports d'essais.

Conclusion

L'essai de choc thermique spécifié dans la norme ISO 16750-4 est un élément clé pour la vérification de la fiabilité des composants électroniques automobiles. Cet essai permet de simuler efficacement diverses défaillances latentes induites par les contraintes de dilatation et de contraction thermiques, et la fiabilité des résultats dépend fortement des performances globales de la chambre de choc thermique haute et basse température. LISUN HLST-500D Chambre de choc thermique haute et basse température Ce dispositif offre une commutation instantanée dans une large plage de températures, de -50 °C à 150 °C. Basé sur le principe éprouvé de la navette à deux zones, et intégrant des composants essentiels importés, un système de contrôle intelligent et une protection de sécurité complète, il répond aux exigences des tests de choc thermique de la norme ISO 16750-4 et reproduit les variations de température extrêmes et rapides rencontrées en conditions réelles d'utilisation automobile. Il aide ainsi les équipes R&D à identifier rapidement les défauts de conception des microcontrôleurs, lampes, écrans, cartes électroniques et autres composants embarqués. Cette chambre de choc thermique haute et basse température peut être utilisée pour le criblage d'échantillons en phase de R&D, le contrôle qualité à réception des composants et la certification de conformité par des organismes tiers. Lors des tests, il est essentiel de bien comprendre les contraintes de la norme ISO 16750-4, de procéder à l'étalonnage préalable de l'équipement, de disposer les échantillons de manière appropriée, de conserver les données de processus et d'assurer une maintenance régulière afin d'exploiter pleinement les performances de l'équipement, de garantir l'authenticité et la fiabilité des résultats des tests de choc thermique et de fournir un support de test solide pour la conception de produits électroniques automobiles fiables.