电子产品低温试验能力验证不满意原因分析

沈援海，周 兴，卢 冬

（中移（杭州）信息技术有限公司，杭州 311121）

环境试验是验证电工电子产品可靠性质量的不可缺失的一个环节，是覆盖范围最广的一项基础性测试。低温试验是环境试验中最常用的一种测试方法，其主要目的是用来确定元器件、设备或者其他产品在低温环境下使用、运输或贮存的能力。环境试验数据的准确性和一致性对试验结果具有重要的影响，而如何确认检测机构具有相应的环境试验能力成为最关键的问题。目前按照中国合格评定国家认可委员会（CANS）程序文件CNAS-RL02：2018《能力验证规则》中对环境测试领域的要求，认可实验室至少每2 年进行一次能力验证试验，用于确认认可实验室相应的试验能力，其测试方法满足相关标准要求，其检测结果的准确性。

本文以近期笔者参与的广州赛宝实验室组织的低温试验能力验证计划为例，介绍了低温试验能力验证的基本要求，并对实验室的能力验证评价结果进行了根本原因分析，以期为业界同类认可实验室提供一定的参考。

1 低温试验能力验证的基本要求

1.1 试验的依据和目的

低温试验能力验证计划的依据是GB/T 2423.1—2008/IEC 60068-2-1：2007《电工电子产品环境试验第2 部分：试验方法 试验A：低温》，其主要目的是验证试验进行低温试验的能力，考察实验室仪器设备、环境设施、试验防护和试验人员操作等是否满足标准的要求。

按照上述标准的要求，低温试验可细分为非散热样品低温试验Ab、散热样品低温试验Ad 和散热样品低温试验Ae，3 种试验方法所使用的设备要求不同。

1.2 试验的样品

本次能力验证计划的样品是测试盒1 个（含电源线1 条，测试线1 对）。该测试盒还可用于高温试验的能力验证。本次低温试验，样品是通电非散热试验样品，供电电源的电压为220 V±3%，频率为50 Hz±2%，如图1 所示。试验的样品按照0.3σ（西格玛）准则的要求完成了均匀性校验和稳定性校准。

图1 能力验证样品实物图

1.3 试验的设备

低温试验能力验证的试验箱的制造和性能确认需满足GB/T 2424.5—2021/IEC 60068-3-5：2018《环境试验 第3 部分：支持文件及导则温度试验箱性能确认》和GB/T 2424.7—2006/IEC 60068-3-7：2001《电工电子产品环境试验 试验A 和B（带负载）用温度试验箱的测量》的规定要求。目前，实验室使用较普遍的是可程式恒温恒湿箱，其由触摸式控制器、温湿度监测传感器、压缩机、箱体、自动补水装置及保护装置等模块组成，其实物示意图如图2 所示。

图2 可程式恒温恒湿箱实物图

根据低温试验工作空间的气流速度，试验箱可分为低气流速度温箱和高气流速度温箱。低气流速度温箱指低温试验时试件上任意点的温度不会因为空气循环的影响降低到5 K 以上，该试验温箱适用于试验Ad和试验Ae。高气流速度温箱指低温试验时试件上任意点的温度因为空气循环的影响降低到5 K 以上，可以防止由于温度改变对试验样品产生有害作用，也可以减少达到温度文档所需要的试卷，该试验温箱适用于试验Ab。

本实验中心使用MHX-1000NKM 恒温恒湿箱参与低温试验能力验证活动，并按期每年对其温湿度、风速和温度变化速率等参数进行校准，确保试验设备的系统误差满足低温试验标准要求，近期低温试验系统的校准结果详见表1。

表1 恒温恒湿箱温湿度校准结果表

1.4 试验的程序

根据低温试验能力验证提供者提供的作业指导书，本次试验依据GB/T 2423.1—2008/IEC 60068-2-1：2007《电工电子产品环境试验 第2 部分：试验方法试验A：低温》标准全过程进行，温度严酷等级为-20 ℃，持续时间严酷等级为120±5 min，样品通电且非散热试验样品，采用试验Ab 方法进行，使用高气流速度循环。试验开始前，将试验样品在“测量和试验用标准大气条件”的稳定环境下放置2 h 以上；然后，将试验样品放入低温试验箱内，连接供电电源线和测试端口连接线，并在开始计算持续时间时，通过测试端口测试样品的电阻值。按照试验Ab 方法进行试验时，试验箱和通电非散热样品的温度变化曲线示意图如图3 所示。

图3 通电非散热样品低温试验温度变化示意图

1.5 低温试验的应用

本试验应用于设备周围可能会发生低温环境下的情况。用来评价低温环境下对设备内部的器件、结构及外观等造成的影响。典型的应用情况如下。

（1）设备在低温环境下贮存。

（2）设备在高空的低温环境下运输。

（3）设备在冬季寒冷天气室外无防护情况下使用。

1.6 低温试验的重要因素

1.6.1 试验方式的选择

按照试验样品是否散热、温度变化速率及试验期间是否通电等情况，低温试验的方法可以细分为以下几种。

（1）试验Ab：非散热试验样品，温度渐变。

（2）试验Ad：散热试验样品，温度渐变。

（3）试验Ae：散热试验样品，温度渐变，试验样品在低温试验全过程中通电。

因此，在进行低温试验时需要首先根据试验样品的实际情况选择合适的试验方法。

1.6.2 低温持续时间

低温试验的目的是快速确定元件、设备或其他产品处于低温环境下电气性能和外观结构的变化影响程度，因此，试验样品暴露于极限低温的持续时间应为设备的实际工作时间或设备温度的温度时间，可以结合产品耐久性和可靠性要求进行选择，一般推荐使用2 h、16 h、72 h 和96 h。

1.6.3 低温温度

可以根据元件、设备或其他产品在使用、运输或贮存等实际应用过程中的低温环境确定试验温度，也可以根据试件的最极端的非工作温度要求确定低温试验温度。GB/T 2423.1—2008/IEC 60068-2-1：2007《电工电子产品环境试验 第2 部分：试验方法 试验A：低温》中规定了低温温度严酷值，分别为最低温度为-65 ℃，最高温度为＋5 ℃，则试验时建议使用能够体现设备实际使用环境情况的温度值进行相关的检验。

1.6.4 温度变化速率

GB/T 2423.1—2008/IEC 60068-2-1：2007《电工电子产品环境试验 第2 部分：试验方法 试验A：低温》标准中规定，对应低温试验Ab、试验Ad 和试验Ae，试验时试验箱内的温度变化速率均不能超过1 K/min，即不超过5 min 时间的平均值。当试验持续时间结束时，试验样品应继续放置在试验箱内，然后以不超过1 K/min 的温度变化速率将温度升至常温，恢复1 h 后取出进行最终的检测。

1.6.5 相对湿度

试验箱内的相对湿度在大部分的环境试验过程中都需要进行监控。在低温试验的温升恢复阶段，如果试件的热容量较大，试件表面的温度变化速率明显低于试验箱内的空气温度的变化速率，存在较大的温差情况。同时此时若温度箱内空气湿度较大，则试件的表面就会出现凝露。反之，在低温试验开始时，温度降低过程中，若空气中含有的水汽过饱和，则试件表面容易产生结霜。因此，试验过程中应采取合适的步骤按要求进行相对湿度的控制，并保证不损害试件。

2 能力验证结果及分析

2.1 结果评价原则

本实验室的低温试验能力验证计划为通电非散热样品，采用定性评价与定量评价相结果的原则对参加的实验室的测试结果进行综合评定。

2.1.1 定性评价

定性参数评价指定值由组织、实施机构组织专家组确定，如开机试验前试验箱温度、试验结束开箱取出样品前试验箱的温度、稳定时间1（通电时间到试验箱开始到达温度严酷等级的时间）、稳定时间2（读取样品测试端口电阻值的时间到通电时间）、断电时间与持续时间结束时的差和持续时间（试验持续时间结束的时间到读取样品测试端口电阻值的时间）等8 项定性参数指定值。组织、实施机构根据能力验证计划参加者返回的过程结果，对定性参数值进行评价。如定性参数全部符合要求，则定性评价为满意；如定性参数存在1~2 项不符合项，则定性评价为可疑；如定性参数存在3 项及以上不符合项，则定性评价为不满意。

2.1.2 定量评价

根据低温试验能力验证计划作业指导书，将试验样品的温度传感器探头放入低温试验箱内，在到达规定的试验温度稳定一段时间后，试验样品测试端口两端的电阻值是能力验证的定量验证评价参数值。同时根据CNAS-GL002：2018《能力验证结果的统计处理和能力评价指南》的要求评价，采用所有能力验证计划参加者的数据平均值和标准偏差作为评价指定值和能力评定标准差。其依据的计算公式为

式中：x 为参加者测试结果；X 为指定值；δ 为能力评定标准差。

实验室能力验证定量评价原则：

①若|Z|≤2，则评价结果为满意；②若2<|Z|<3，则评价结果为有疑问；③若|Z|≥3，则评价结果为不满意。

|Z|值越小则说明测量结果越精确。

2.1.3 综合评定

本次低温试验能力验证计划对参加实验室的测量过程和测量数据采用定量与定性双维度的评估方案。当实验室的定性、定量结果均为满意则综合评定为满意，定性结果或定量结果有可疑的则综合评价为可疑，定性结果或定量结果有不满意的则综合评价为离群。

2.2 结果评价

以某年本实验中心参与实施的低温试验能力验证计划，其低温能力验证测量结果的定性和定量评价为例，详见表2。

表2 低温试验能力验证评价细表

由表2 可知，本次实验室的低温试验能力验证计划的实验室Z 比分数绝对值小于2，评价结果为满意，但其定性项目有3 处不符合评价结果，因此定性评价为不满意。所以，最终综合评定结果为离群。

2.3 结果评价的分析和建议

本次低温试验能力验证结果不满意的原因：检测人员对低温试验标准全过程试验理解不到位，未严格验证能力验证作业指导书要求进行操作。在试验过程中，未考虑到通电对试验样品稳定性造成的影响，导致其操作环节与其他实验室有所不同，最终引起结果的偏离。

因此，为了提高实验室低温试验能力验证活动所测数据的准确性和能力验证评价结果的满意度，本文总结了低温试验过程中的几点注意事项：①试验要采用温度渐变方式改变样品的温度，不能采用突变方式改变样品温度。样品放置在符合“测量和试验用标准大气条件”的实验室温度的试验箱内，以不超过1 K/min（不超过5 min 时间的平均值）的速率渐变降温；②对通电样品，应在试验样品温度达到稳定后通电。也就是说，试验箱稳定达到规定的严酷等级后，还需要等到样品温度稳定后才能给样品通电；③样品通电后，样品温度会上升，还需等到样品温度稳定后，在该低温条件下暴露相关规定的持续时间；④样品通电并温度稳定后，试验持续时间应满足能力验证计划要求；⑤持续时间结束后，样品应在温度上升前断电，即样品断电时间与试验持续时间结束的时间差为0，不应超过5 min；⑥试验的持续时间完成后，也是以不超过1 K/min（不超过5 min 时间的平均值）的速率渐变升温，使试验箱的温度升至符合测量和试验用标准大气条件的实验室温度时才能从试验箱里取出样品，避免样品温度的突变。

3 结束语

本文对电工电子产品的低温试验能力验证的基本要求进行了阐述，同时以实验中心参与的试验方案为例对评价结果进行了定性和定量的分析，明确了低温试验的全过程把控因素，提高了实验室的检测水平，使试验结果更加准确，增加了客户对实验室的信任，对后续其他实验室进行类似能力验证提供一些借鉴和参考。