كيفية التحقق من موثوقية الإلكترونيات في السيارات باستخدام غرفة الصدمات الحرارية ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة (ISO 16750-4)

الملخص
تعمل الأجهزة الإلكترونية في السيارات ضمن بيئات مناخية طبيعية معقدة. وقد يؤدي التناوب بين الليل والنهار والتغيرات الموسمية في المركبات إلى تقلبات حادة ومفاجئة في درجات الحرارة. كما أن الاختلافات في معاملات التمدد الحراري للمواد المختلفة قد تتسبب في أعطال مثل تشقق وصلات اللحام، وتلف موانع التسرب، وتدهور الأداء الكهربائي. وباعتبارها معيارًا دوليًا هامًا لاختبار الأحمال المناخية للمعدات الكهربائية والإلكترونية في المركبات، تحدد المواصفة القياسية الدولية ISO 16750-4 بوضوح متطلبات اختبار الصدمات الحرارية والتغيرات السريعة في درجات الحرارة لتقييم موثوقية تشغيل المكونات الإلكترونية الموجودة على متن المركبة في ظل ظروف تباين درجات الحرارة القصوى المتناوبة. وتُعد غرفة الصدمات الحرارية ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة المعدات الأساسية لمحاكاة البيئة في مثل هذه الاختبارات. LISUN HLST-500D تُعدّ غرفة الصدمات الحرارية ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة نموذجًا ثنائي المناطق من سلسلة HLST. تُتيح هذه الغرفة إمكانية التبديل الفوري بين درجات الحرارة ضمن نطاق واسع يتراوح بين -50 درجة مئوية و150 درجة مئوية، كما تُحاكي بيئة التباين السريع والشديد في درجات الحرارة أثناء تشغيل المركبات الحقيقية، وذلك باستخدام آلية نقل السلة. وبالاستناد إلى بنود اختبار معيار ISO 16750-4، تُقدّم هذه الورقة وصفًا لمبدأ عمل الجهاز، وأداء مكوناته المادية، وعملية تنفيذ الاختبار لغرفة الصدمات الحرارية ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة، كما تُحلّل تطبيقها العملي في التحقق من موثوقية وحدات التحكم الدقيقة في السيارات، وشاشات العرض الداخلية، ومجموعات المصابيح، ولوحات الدوائر المطبوعة، وغيرها من المكونات. وتُوفّر هذه الورقة مراجع لمختبرات البحث والتطوير وفحص الجودة في مجال إلكترونيات السيارات لإجراء اختبارات الصدمات الحرارية المعيارية. 

المقدمة

مع التطور المستمر لتقنيات السيارات الذكية والكهربائية، يتزايد عدد المكونات الإلكترونية المُجهزة في المركبات. تُركّب رقائق التحكم الدقيقة (MCU)، وشاشات العرض الداخلية، ووحدات إدارة البطارية، ووحدات تشغيل المصابيح، وغيرها من الأجزاء الإلكترونية في مناطق مختلفة كالمقصورة، وحجرة المحرك، والهيكل، وتتعرض لظروف صدمات حرارية شديدة. عند ركن المركبات في الهواء الطلق شتاءً، قد تنخفض درجة حرارة المكونات إلى -40 درجة مئوية أو أقل. بعد تشغيل المركبة، يمكن لحرارة المحرك وأشعة الشمس المباشرة أن ترفع درجة حرارة المكونات بسرعة إلى ما يزيد عن 85 درجة مئوية، مما يُحدث فرقًا كبيرًا في درجة الحرارة خلال فترة وجيزة. يؤدي اختلاف معاملات التمدد الحراري بين المواد المختلفة إلى تراكم إجهاد داخلي ناتج عن التمدد والانكماش الحراري المتكرر، مما ينتج عنه عيوب كامنة كالتشققات الدقيقة في وصلات لحام لوحات الدوائر المطبوعة، وتشققات في أختام الهيكل، وانحراف في معايير المكونات. قد لا تظهر هذه العيوب في اختبارات دورات درجات الحرارة العالية والمنخفضة التقليدية، ولا يمكن الكشف عنها بفعالية إلا من خلال اختبارات الصدمات الحرارية التي تتضمن تبديلًا فوريًا بين درجات الحرارة العالية والمنخفضة.

بالنسبة للأحمال المناخية للإلكترونيات الموجودة على متن المركبات، تحدد المواصفة القياسية ISO 16750-4 عدة بنود اختبار، تشمل اختبار درجة الحرارة الثابتة، واختبار التغير التدريجي في درجة الحرارة، واختبار دورات درجة الحرارة، واختبار الصدمة الحرارية. ومن بين هذه الاختبارات، يقيس اختبار الصدمة الحرارية بشكل أساسي مدى تحمل العينات للتغيرات السريعة في درجة الحرارة، ويفرض قيودًا صارمة على زمن تغيير درجة حرارة الجهاز، وزمن استعادة درجة الحرارة، وتجانس درجة حرارة التجويف. تتميز غرف درجات الحرارة العالية والمنخفضة العادية بمعدلات تسخين وتبريد محدودة، ولا يمكنها تحقيق التبديل السريع بين بيئات درجات الحرارة العالية والمنخفضة، مما يجعلها غير قادرة على تلبية شروط اختبار الصدمة الحرارية المحددة في المواصفة القياسية. ارتفاع وانخفاض درجة حرارة الغرفة صدمة الحرارية تم تطوير هذا الجهاز خصيصًا لظروف التغير الفوري في درجات الحرارة، وينقسم إلى نوعين هيكليين: نموذج ثنائي المناطق (النوع D) ونموذج ثلاثي المناطق (النوع T). يستخدم النموذج ثنائي المناطق سلة عينات لنقل العينات بسرعة بين منطقة درجات الحرارة العالية ومنطقة درجات الحرارة المنخفضة؛ بينما يُبقي النموذج ثلاثي المناطق العينات ثابتة في منطقة الاختبار ويُحقق تأثيرات الصدمة الحرارية عن طريق تبديل تدفق الهواء الساخن والبارد. يُمكن لكلا النموذجين تحقيق تبديل درجات الحرارة القصوى خلال فترة زمنية قصيرة، ويُلبّيان متطلبات اختبار الصدمة الحرارية وفقًا للمعيار ISO 16750-4. LISUN تعتمد غرفة الصدمات الحرارية عالية ومنخفضة الحرارة من سلسلة HLST على مجموعات ضواغط مستوردة ونظام تحكم ذكي يعمل باللمس، وهي مجهزة بمجموعة كاملة من آليات الحماية. يمكن استخدامها في كل من فحص عينات الإنتاج الصغيرة في المختبرات والتحقق من موثوقية المكونات المنتجة بكميات كبيرة على خطوط الإنتاج، وتُستخدم على نطاق واسع في اختبارات شهادات المطابقة للإلكترونيات الخاصة بالسيارات، والفضاء، ومكونات أشباه الموصلات، وغيرها من الصناعات.

HLST-500D-C غرفة الصدمات الحرارية ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة

متطلبات المعدات وفقًا للمعيار ISO 16750-4 لغرفة الصدمات الحرارية ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة

وفقًا للبنود المتعلقة باختبار الصدمة الحرارية في معيار ISO 16750-4، يجب تعريض عينات الإلكترونيات المستخدمة في السيارات بالتناوب لدرجات حرارة قصوى محددة، مرتفعة ومنخفضة. ويجب التحكم بدقة في زمن انتقال العينات من درجة حرارة قصوى إلى أخرى. فبعد دخول العينات إلى حجرة الاختبار، يجب أن تصل إلى درجة حرارة الاختبار المستهدفة خلال فترة التعافي المحددة. إن طول فترة الانتقال بشكل مفرط سيؤدي إلى بطء تغير درجة الحرارة في العينات، ما يفشل في محاكاة إجهاد الصدمة الحرارية في الظروف الواقعية. كما أن عدم كفاية زمن التعافي الحراري أو عدم تجانس درجة الحرارة داخل الحجرة سيؤدي إلى تفاوت الإجهاد الحراري على العينات المختلفة في نفس الدفعة، ما يجعل نتائج الاختبار غير قابلة للمقارنة.

يتطلب المعيار أيضًا تسجيلًا كاملًا لمنحنيات درجة الحرارة طوال فترة الاختبار لضمان إمكانية تتبع التقارير لاحقًا. لذا، يجب أن تتمتع غرفة الصدمات الحرارية ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة بوظائف قابلة للبرمجة، مما يسمح بضبط مدة التعرض لدرجات الحرارة العالية/المنخفضة وعدد دورات الصدمات الحرارية، بالإضافة إلى دعم تخزين بيانات درجة الحرارة وتصديرها. بالنسبة للمكونات المثبتة على متن المركبة في حجرات المحرك والهيكل، يتراوح نطاق درجة حرارة الصدمة المستخدم عادةً بين -40 درجة مئوية و125 درجة مئوية؛ أما المكونات داخل المقصورة فتعتمد عمومًا نطاقًا يتراوح بين -20 درجة مئوية و85 درجة مئوية للتحقق من الصدمات. أثناء الاختبار، يجب ألا تلامس العينات قناة تهوية الغرفة، ويجب أن يضمن موضعها دورانًا كافيًا للهواء لتجنب أي خلل في درجة الحرارة الموضعية. من الصعب على معدات الاختبار البيئي التقليدية تلبية متطلبات متعددة، بما في ذلك النقل من المستوى الثاني، والتعافي السريع لدرجة الحرارة، والتشغيل الدوري المستمر طويل الأمد. في المقابل، تتميز غرفة الصدمات الحرارية عالية ومنخفضة الحرارة من سلسلة HLST بزمن تحويل حراري لا يتجاوز 10 ثوانٍ وزمن استعادة حرارية لا يتجاوز 5 دقائق للطرازات ثنائية المنطقة، مع تذبذب حراري لا يتجاوز ±0.5 درجة مئوية وتجانس حراري لا يتجاوز 2 درجة مئوية. وتغطي مؤشراتها المادية متطلبات معدات اختبارات الصدمات الحرارية المحددة في معيار ISO 16750-4.

بنية الأجهزة ومعايير الأداء لـ HLST-500D ارتفاع وانخفاض درجة حرارة الغرفة صدمة الحرارية

استخدم HLST-500D هي غرفة صدمة حرارية ثنائية المنطقة (النوع D) ذات درجات حرارة عالية ومنخفضة. يُجهز الجهاز بغرفة مستقلة ذات درجة حرارة عالية وأخرى ذات درجة حرارة منخفضة، بالإضافة إلى سلة عينات متحركة تلقائيًا. أثناء الاختبار، تُثبت العينات داخل السلة. تقوم آلية نقل السلة الأوتوماتيكية بنقل العينات المختبرة بسرعة إلى غرفة الحرارة العالية المُسخنة مسبقًا أو غرفة الحرارة المنخفضة المُبردة مسبقًا، مما يُعرض العينات مباشرةً لبيئات درجات حرارة قصوى لإتمام الصدمة الحرارية. يستخدم نظام التبريد ضواغط متتالية محكمة الإغلاق من شركة TECUMSEH الفرنسية أو شركة Bitzer الألمانية لضمان الحفاظ على درجة حرارة منخفضة ثابتة تبلغ -50 درجة مئوية في غرفة الحرارة المنخفضة. تستخدم وحدة التسخين سخانات كهربائية مستقلة من النيكروم ذات كفاءة تسخين عالية ودرجة حرارة ثابتة. صُنع الغلاف الخارجي للخزانة من فولاذ كربوني عالي الجودة مُعالج بالرش الكهروستاتيكي للفوسفات. أما التجويف الداخلي فهو مصنوع من صفيحة فولاذية مقاومة للصدأ من نوع SUS304، مقاومة للتقادم الحراري وسهلة التنظيف. تتكون طبقة العزل الحراري من مزيج من رغوة البولي يوريثان الصلبة وقطن الألياف الزجاجية الدقيقة، مما يقلل من التبادل الحراري بين الحجرات الساخنة والباردة ويقلل من استهلاك الطاقة للمعدات.

يعتمد نظام التحكم على شاشة لمس بلورية سائلة ملونة مطورة ذاتيًا، بدقة عرض درجة حرارة تبلغ 0.1 درجة مئوية. يمكن ضبط مدة الاختبار بحرية ضمن نطاق 0.1 إلى 999.9 ساعة/دقيقة/ثانية. وهو مزود بمستشعرات درجة حرارة مقاومة من البلاتين PT100Ω/MV، تتميز بمقاومة عالية للتداخل الكهرومغناطيسي ودقة عالية في قياس درجة الحرارة. يحتوي الجهاز على أنظمة حماية متعددة ضد التسرب، والدارة القصيرة، وارتفاع درجة حرارة السخان، وارتفاع درجة حرارة المحرك، وزيادة ضغط الضاغط والتيار. ويقوم الجهاز تلقائيًا بتفعيل الإنذارات في ظروف التشغيل غير الطبيعية لضمان سلامة المعدات والعينات أثناء الاختبارات الدورية طويلة الأمد التي تُجرى دون مراقبة. يوضح الجدول أدناه المواصفات الرئيسية للنماذج الأساسية من الجهاز. LISUN غرفة الصدمات الحرارية ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة من سلسلة HLST. HLST-500D يحتوي على حجم غرفة عمل كبير، وهو مناسب لاختبارات الصدمات الحرارية الدفعية للأجزاء الإلكترونية متوسطة الحجم للسيارات مثل الوحدات الموجودة على متن السيارة وشاشات العرض ومجموعات المصابيح.

نقاط تطبيق اختبار الصدمة الحرارية وفقًا للمعيار ISO 16750-4 باستخدام غرفة الصدمة الحرارية ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة

قبل إجراء اختبار الصدمة الحرارية الرسمي للإلكترونيات الخاصة بالسيارات، يجب إتمام التحقق الأولي من حجرة اختبار الصدمة الحرارية ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة. يجب ضبط بيئة تركيب الجهاز عند درجة حرارة محيطة تتراوح بين 5 و30 درجة مئوية، ورطوبة نسبية لا تتجاوز 85%، مع توفير تهوية جيدة للموقع ومساحة كافية لتبديد الحرارة، وذلك لتجنب تراجع أداء التبريد والتدفئة الناتج عن ضعف تبديد الحرارة. يجب إجراء اختبار بدون حمل للتأكد من قدرة حجرتي الاختبار، ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة، على الوصول إلى درجات الحرارة القصوى المحددة بشكل طبيعي، والتحقق من أن زمن تحويل درجة الحرارة وزمن استعادة درجة الحرارة يلبيان الحدود القياسية، والتحقق من سلامة وظائف شاشة اللمس، بما في ذلك تحرير البرامج، وتسجيل البيانات، والحماية من الإنذارات. تخضع عينات الاختبار لفحص أولي من حيث المظهر والأداء الكهربائي، ويتم تسجيل معاييرها الوظيفية الأولية. توضع العينات على حامل العينات في السلة مع ترك مسافات بينها. يجب عدم سد قنوات التهوية لمنع أي انحراف موضعي في درجة الحرارة ناتج عن انسداد تدفق الهواء.

اكتب برنامج اختبار الجهاز وفقًا لمتطلبات معيار ISO 16750-4، وحدد درجة حرارة الصدمة الحرارية العالية، ودرجة حرارة الصدمة الحرارية المنخفضة، ومدة بقاء العينة عند درجات الحرارة العالية والمنخفضة، والعدد الإجمالي للدورات. يجب أن تضمن مدة البقاء وصول جسم العينة بالكامل إلى درجة الحرارة المحددة، بدلاً من الاعتماد فقط على درجة حرارة الهواء داخل الحجرة. يُحدد عدد الدورات بناءً على موضع تركيب المكون ومتطلبات مواصفات المركبة الكاملة، ويتراوح عادةً بين 50 و300 دورة. ابدأ التشغيل التلقائي لحجرة الصدمة الحرارية ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة. سيُكمل الجهاز تلقائيًا التسخين والتبريد المسبقين لحجرتي درجات الحرارة العالية والمنخفضة. بعد ذلك، تتحرك السلة ذهابًا وإيابًا لتعريض العينات بالتناوب للصدمات الحرارية ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة، مع تسجيل بيانات درجة الحرارة التاريخية للحجرة باستمرار طوال العملية. بعد إكمال عدد معين من الدورات، يمكن تعليق الاختبار لأخذ عينات لفحص وظيفة التشغيل، ومراقبة الأعطال مثل تشقق الهيكل، وتسرب مياه الختم، واضطراب الاتصال، وانحراف المعلمات، وإجراء حكم كامل على الأداء بعد الانتهاء من جميع الدورات.

إضافةً إلى اختبارات الصدمات الحرارية، تتوافق غرفة الصدمات الحرارية هذه، ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة، مع المعايير المحلية والدولية المتعلقة بالصدمات الحرارية، مثل GJB 150.5A-2009 وMIL-STD-883H وIEC 60068-2-14. وبصرف النظر عن إلكترونيات السيارات، يمكن استخدامها للتحقق من موثوقية مكونات الفضاء، ورقائق أشباه الموصلات، والمكونات الكهروضوئية، والمواد البوليمرية. ويمكن اختيار نماذج ثنائية أو ثلاثية المناطق حسب الحاجة لاختبار عينات بأحجام مختلفة. يُفضل استخدام النماذج ثنائية المناطق للعينات الصغيرة، بينما يمكن اعتماد النماذج ثلاثية المناطق لبعض العينات الكبيرة التي يصعب نقلها، حيث تبقى العينات ثابتة ويتم إحداث الصدمة الحرارية عن طريق تبديل تدفق الهواء الساخن والبارد.

ملاحظات حول تشغيل المعدات والصيانة طويلة الأجل

عند إجراء اختبارات الصدمات الدورية المكثفة في غرفة الصدمات الحرارية ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة، تؤثر صيانة المعدات بشكل مباشر على صحة نتائج الاختبار. لذا، يُنصح بفحص مجموعة تبديد حرارة المكثف في الضاغط بانتظام وتنظيف الغبار السطحي في الوقت المناسب لضمان كفاءة التبادل الحراري لنظام التبريد. كما يُنصح بفحص آلية نقل السلة (في الطرازات ثنائية المنطقة) بانتظام لضمان سلاسة النقل ومنع حدوث أي تعطل أثناء نقل العينات، مما قد يؤدي إلى زيادة وقت النقل. يجب فحص شرائط إحكام إغلاق الأبواب للتأكد من عدم وجود أي تلف أو تسرب للهواء، وتجنب انتقال الحرارة بين الغرف الساخنة والباردة. يجب عدم تعطيل وظائف الحماية المدمجة في المعدات يدويًا. في حالة إنذار زيادة ضغط الضاغط أو ارتفاع درجة حرارته، يجب التحقق من الأعطال وإصلاحها قبل استئناف الاختبارات. بالنسبة لاختبارات موثوقية الإلكترونيات في السيارات على المدى الطويل، يُوصى بتصدير منحنيات تشغيل درجة حرارة المعدات بشكل دوري كمواد داعمة لتتبع نتائج الاختبار.

خاتمة

يُعد اختبار الصدمة الحرارية المحدد في معيار ISO 16750-4 عنصراً أساسياً للتحقق من موثوقية المكونات الإلكترونية للسيارات. يُمكن لهذا الاختبار محاكاة مختلف الأعطال الكامنة الناتجة عن إجهاد التمدد والانكماش الحراري، وتعتمد موثوقية نتائج الاختبار بشكل كبير على الأداء الشامل لغرفة الصدمة الحرارية ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة. LISUN HLST-500D ارتفاع وانخفاض درجة حرارة الغرفة صدمة الحرارية يتميز هذا الجهاز بالتبديل الفوري ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة يتراوح بين -50 درجة مئوية و150 درجة مئوية. وبفضل اعتماده على مبدأ النقل المكوكية ثنائي المنطقة، بالإضافة إلى مكونات أساسية مستوردة، ونظام تحكم ذكي، وحماية أمان شاملة، فإنه يفي بمؤشرات اختبارات الصدمات الحرارية وفقًا لمعيار ISO 16750-4، ويحاكي بيئة التباين السريع في درجات الحرارة أثناء خدمة المركبات الحقيقية، مما يساعد فريق البحث والتطوير على تحديد عيوب التصميم في وحدات التحكم الدقيقة، والمصابيح، والشاشات، ومجموعات لوحات الدوائر المطبوعة، وغيرها من المكونات بسرعة. ويمكن استخدام غرفة الصدمات الحرارية هذه، ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة، لاختبارات فحص العينات في مرحلة البحث والتطوير، وفحص جودة المكونات الواردة، والحصول على شهادات المطابقة من جهات اختبار خارجية. وفي الاختبارات العملية، يحتاج الفاحصون إلى فهم كامل لقيود اختبار ISO 16750-4، وإجراء معايرة كاملة للمعدات قبل الاختبار، وترتيب العينات بشكل مناسب، والاحتفاظ ببيانات العملية، والصيانة الدورية للمعدات، والاستفادة القصوى من أداء المعدات، وضمان صحة ومصداقية نتائج اختبار الصدمات الحرارية، وتوفير دعم قوي للاختبار من أجل تصميم موثوقية المنتجات الإلكترونية للسيارات.