沈援海，周 興，盧 冬

（中移（杭州）信息技術(shù)有限公司，杭州 311121）

環(huán)境試驗(yàn)是驗(yàn)證電工電子產(chǎn)品可靠性質(zhì)量的不可缺失的一個(gè)環(huán)節(jié)，是覆蓋范圍最廣的一項(xiàng)基礎(chǔ)性測(cè)試。低溫試驗(yàn)是環(huán)境試驗(yàn)中最常用的一種測(cè)試方法，其主要目的是用來(lái)確定元器件、設(shè)備或者其他產(chǎn)品在低溫環(huán)境下使用、運(yùn)輸或貯存的能力。環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果具有重要的影響，而如何確認(rèn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)具有相應(yīng)的環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰Τ蔀樽铌P(guān)鍵的問題。目前按照中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)（CANS）程序文件CNAS-RL02：2018《能力驗(yàn)證規(guī)則》中對(duì)環(huán)境測(cè)試領(lǐng)域的要求，認(rèn)可實(shí)驗(yàn)室至少每2 年進(jìn)行一次能力驗(yàn)證試驗(yàn)，用于確認(rèn)認(rèn)可實(shí)驗(yàn)室相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)芰?，其測(cè)試方法滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，其檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文以近期筆者參與的廣州賽寶實(shí)驗(yàn)室組織的低溫試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證計(jì)劃為例，介紹了低溫試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證的基本要求，并對(duì)實(shí)驗(yàn)室的能力驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了根本原因分析，以期為業(yè)界同類認(rèn)可實(shí)驗(yàn)室提供一定的參考。

1 低溫試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證的基本要求

1.1 試驗(yàn)的依據(jù)和目的

低溫試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證計(jì)劃的依據(jù)是GB/T 2423.1—2008/IEC 60068-2-1：2007《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2 部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)A：低溫》，其主要目的是驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)行低溫試驗(yàn)的能力，考察實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備、環(huán)境設(shè)施、試驗(yàn)防護(hù)和試驗(yàn)人員操作等是否滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

按照上述標(biāo)準(zhǔn)的要求，低溫試驗(yàn)可細(xì)分為非散熱樣品低溫試驗(yàn)Ab、散熱樣品低溫試驗(yàn)Ad 和散熱樣品低溫試驗(yàn)Ae，3 種試驗(yàn)方法所使用的設(shè)備要求不同。

1.2 試驗(yàn)的樣品

本次能力驗(yàn)證計(jì)劃的樣品是測(cè)試盒1 個(gè)（含電源線1 條，測(cè)試線1 對(duì)）。該測(cè)試盒還可用于高溫試驗(yàn)的能力驗(yàn)證。本次低溫試驗(yàn)，樣品是通電非散熱試驗(yàn)樣品，供電電源的電壓為220 V±3%，頻率為50 Hz±2%，如圖1 所示。試驗(yàn)的樣品按照0.3σ（西格瑪）準(zhǔn)則的要求完成了均勻性校驗(yàn)和穩(wěn)定性校準(zhǔn)。

圖1 能力驗(yàn)證樣品實(shí)物圖

1.3 試驗(yàn)的設(shè)備

低溫試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證的試驗(yàn)箱的制造和性能確認(rèn)需滿足GB/T 2424.5—2021/IEC 60068-3-5：2018《環(huán)境試驗(yàn) 第3 部分：支持文件及導(dǎo)則溫度試驗(yàn)箱性能確認(rèn)》和GB/T 2424.7—2006/IEC 60068-3-7：2001《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 試驗(yàn)A 和B（帶負(fù)載）用溫度試驗(yàn)箱的測(cè)量》的規(guī)定要求。目前，實(shí)驗(yàn)室使用較普遍的是可程式恒溫恒濕箱，其由觸摸式控制器、溫濕度監(jiān)測(cè)傳感器、壓縮機(jī)、箱體、自動(dòng)補(bǔ)水裝置及保護(hù)裝置等模塊組成，其實(shí)物示意圖如圖2 所示。

圖2 可程式恒溫恒濕箱實(shí)物圖

根據(jù)低溫試驗(yàn)工作空間的氣流速度，試驗(yàn)箱可分為低氣流速度溫箱和高氣流速度溫箱。低氣流速度溫箱指低溫試驗(yàn)時(shí)試件上任意點(diǎn)的溫度不會(huì)因?yàn)榭諝庋h(huán)的影響降低到5 K 以上，該試驗(yàn)溫箱適用于試驗(yàn)Ad和試驗(yàn)Ae。高氣流速度溫箱指低溫試驗(yàn)時(shí)試件上任意點(diǎn)的溫度因?yàn)榭諝庋h(huán)的影響降低到5 K 以上，可以防止由于溫度改變對(duì)試驗(yàn)樣品產(chǎn)生有害作用，也可以減少達(dá)到溫度文檔所需要的試卷，該試驗(yàn)溫箱適用于試驗(yàn)Ab。

本實(shí)驗(yàn)中心使用MHX-1000NKM 恒溫恒濕箱參與低溫試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證活動(dòng)，并按期每年對(duì)其溫濕度、風(fēng)速和溫度變化速率等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，確保試驗(yàn)設(shè)備的系統(tǒng)誤差滿足低溫試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，近期低溫試驗(yàn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)結(jié)果詳見表1。

表1 恒溫恒濕箱溫濕度校準(zhǔn)結(jié)果表

1.4 試驗(yàn)的程序

根據(jù)低溫試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證提供者提供的作業(yè)指導(dǎo)書，本次試驗(yàn)依據(jù)GB/T 2423.1—2008/IEC 60068-2-1：2007《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2 部分：試驗(yàn)方法試驗(yàn)A：低溫》標(biāo)準(zhǔn)全過程進(jìn)行，溫度嚴(yán)酷等級(jí)為-20 ℃，持續(xù)時(shí)間嚴(yán)酷等級(jí)為120±5 min，樣品通電且非散熱試驗(yàn)樣品，采用試驗(yàn)Ab 方法進(jìn)行，使用高氣流速度循環(huán)。試驗(yàn)開始前，將試驗(yàn)樣品在“測(cè)量和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣條件”的穩(wěn)定環(huán)境下放置2 h 以上；然后，將試驗(yàn)樣品放入低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，連接供電電源線和測(cè)試端口連接線，并在開始計(jì)算持續(xù)時(shí)間時(shí)，通過測(cè)試端口測(cè)試樣品的電阻值。按照試驗(yàn)Ab 方法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)箱和通電非散熱樣品的溫度變化曲線示意圖如圖3 所示。

圖3 通電非散熱樣品低溫試驗(yàn)溫度變化示意圖

1.5 低溫試驗(yàn)的應(yīng)用

本試驗(yàn)應(yīng)用于設(shè)備周圍可能會(huì)發(fā)生低溫環(huán)境下的情況。用來(lái)評(píng)價(jià)低溫環(huán)境下對(duì)設(shè)備內(nèi)部的器件、結(jié)構(gòu)及外觀等造成的影響。典型的應(yīng)用情況如下。

（1）設(shè)備在低溫環(huán)境下貯存。

（2）設(shè)備在高空的低溫環(huán)境下運(yùn)輸。

（3）設(shè)備在冬季寒冷天氣室外無(wú)防護(hù)情況下使用。

1.6 低溫試驗(yàn)的重要因素

1.6.1 試驗(yàn)方式的選擇

按照試驗(yàn)樣品是否散熱、溫度變化速率及試驗(yàn)期間是否通電等情況，低溫試驗(yàn)的方法可以細(xì)分為以下幾種。

（1）試驗(yàn)Ab：非散熱試驗(yàn)樣品，溫度漸變。

（2）試驗(yàn)Ad：散熱試驗(yàn)樣品，溫度漸變。

（3）試驗(yàn)Ae：散熱試驗(yàn)樣品，溫度漸變，試驗(yàn)樣品在低溫試驗(yàn)全過程中通電。

因此，在進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)需要首先根據(jù)試驗(yàn)樣品的實(shí)際情況選擇合適的試驗(yàn)方法。

1.6.2 低溫持續(xù)時(shí)間

低溫試驗(yàn)的目的是快速確定元件、設(shè)備或其他產(chǎn)品處于低溫環(huán)境下電氣性能和外觀結(jié)構(gòu)的變化影響程度，因此，試驗(yàn)樣品暴露于極限低溫的持續(xù)時(shí)間應(yīng)為設(shè)備的實(shí)際工作時(shí)間或設(shè)備溫度的溫度時(shí)間，可以結(jié)合產(chǎn)品耐久性和可靠性要求進(jìn)行選擇，一般推薦使用2 h、16 h、72 h 和96 h。

1.6.3 低溫溫度

可以根據(jù)元件、設(shè)備或其他產(chǎn)品在使用、運(yùn)輸或貯存等實(shí)際應(yīng)用過程中的低溫環(huán)境確定試驗(yàn)溫度，也可以根據(jù)試件的最極端的非工作溫度要求確定低溫試驗(yàn)溫度。GB/T 2423.1—2008/IEC 60068-2-1：2007《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2 部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)A：低溫》中規(guī)定了低溫溫度嚴(yán)酷值，分別為最低溫度為-65 ℃，最高溫度為＋5 ℃，則試驗(yàn)時(shí)建議使用能夠體現(xiàn)設(shè)備實(shí)際使用環(huán)境情況的溫度值進(jìn)行相關(guān)的檢驗(yàn)。

1.6.4 溫度變化速率

GB/T 2423.1—2008/IEC 60068-2-1：2007《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2 部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)A：低溫》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，對(duì)應(yīng)低溫試驗(yàn)Ab、試驗(yàn)Ad 和試驗(yàn)Ae，試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度變化速率均不能超過1 K/min，即不超過5 min 時(shí)間的平均值。當(dāng)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間結(jié)束時(shí)，試驗(yàn)樣品應(yīng)繼續(xù)放置在試驗(yàn)箱內(nèi)，然后以不超過1 K/min 的溫度變化速率將溫度升至常溫，恢復(fù)1 h 后取出進(jìn)行最終的檢測(cè)。

1.6.5 相對(duì)濕度

試驗(yàn)箱內(nèi)的相對(duì)濕度在大部分的環(huán)境試驗(yàn)過程中都需要進(jìn)行監(jiān)控。在低溫試驗(yàn)的溫升恢復(fù)階段，如果試件的熱容量較大，試件表面的溫度變化速率明顯低于試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣溫度的變化速率，存在較大的溫差情況。同時(shí)此時(shí)若溫度箱內(nèi)空氣濕度較大，則試件的表面就會(huì)出現(xiàn)凝露。反之，在低溫試驗(yàn)開始時(shí)，溫度降低過程中，若空氣中含有的水汽過飽和，則試件表面容易產(chǎn)生結(jié)霜。因此，試驗(yàn)過程中應(yīng)采取合適的步驟按要求進(jìn)行相對(duì)濕度的控制，并保證不損害試件。

2 能力驗(yàn)證結(jié)果及分析

2.1 結(jié)果評(píng)價(jià)原則

本實(shí)驗(yàn)室的低溫試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證計(jì)劃為通電非散熱樣品，采用定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)價(jià)相結(jié)果的原則對(duì)參加的實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)定。

2.1.1 定性評(píng)價(jià)

定性參數(shù)評(píng)價(jià)指定值由組織、實(shí)施機(jī)構(gòu)組織專家組確定，如開機(jī)試驗(yàn)前試驗(yàn)箱溫度、試驗(yàn)結(jié)束開箱取出樣品前試驗(yàn)箱的溫度、穩(wěn)定時(shí)間1（通電時(shí)間到試驗(yàn)箱開始到達(dá)溫度嚴(yán)酷等級(jí)的時(shí)間）、穩(wěn)定時(shí)間2（讀取樣品測(cè)試端口電阻值的時(shí)間到通電時(shí)間）、斷電時(shí)間與持續(xù)時(shí)間結(jié)束時(shí)的差和持續(xù)時(shí)間（試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間結(jié)束的時(shí)間到讀取樣品測(cè)試端口電阻值的時(shí)間）等8 項(xiàng)定性參數(shù)指定值。組織、實(shí)施機(jī)構(gòu)根據(jù)能力驗(yàn)證計(jì)劃參加者返回的過程結(jié)果，對(duì)定性參數(shù)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。如定性參數(shù)全部符合要求，則定性評(píng)價(jià)為滿意；如定性參數(shù)存在1~2 項(xiàng)不符合項(xiàng)，則定性評(píng)價(jià)為可疑；如定性參數(shù)存在3 項(xiàng)及以上不符合項(xiàng)，則定性評(píng)價(jià)為不滿意。

2.1.2 定量評(píng)價(jià)

根據(jù)低溫試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證計(jì)劃作業(yè)指導(dǎo)書，將試驗(yàn)樣品的溫度傳感器探頭放入低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，在到達(dá)規(guī)定的試驗(yàn)溫度穩(wěn)定一段時(shí)間后，試驗(yàn)樣品測(cè)試端口兩端的電阻值是能力驗(yàn)證的定量驗(yàn)證評(píng)價(jià)參數(shù)值。同時(shí)根據(jù)CNAS-GL002：2018《能力驗(yàn)證結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理和能力評(píng)價(jià)指南》的要求評(píng)價(jià)，采用所有能力驗(yàn)證計(jì)劃參加者的數(shù)據(jù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差作為評(píng)價(jià)指定值和能力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)差。其依據(jù)的計(jì)算公式為

式中：x 為參加者測(cè)試結(jié)果；X 為指定值；δ 為能力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)差。

實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證定量評(píng)價(jià)原則：

①若|Z|≤2，則評(píng)價(jià)結(jié)果為滿意；②若2<|Z|<3，則評(píng)價(jià)結(jié)果為有疑問；③若|Z|≥3，則評(píng)價(jià)結(jié)果為不滿意。

|Z|值越小則說明測(cè)量結(jié)果越精確。

2.1.3 綜合評(píng)定

本次低溫試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證計(jì)劃對(duì)參加實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量過程和測(cè)量數(shù)據(jù)采用定量與定性雙維度的評(píng)估方案。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室的定性、定量結(jié)果均為滿意則綜合評(píng)定為滿意，定性結(jié)果或定量結(jié)果有可疑的則綜合評(píng)價(jià)為可疑，定性結(jié)果或定量結(jié)果有不滿意的則綜合評(píng)價(jià)為離群。

2.2 結(jié)果評(píng)價(jià)

以某年本實(shí)驗(yàn)中心參與實(shí)施的低溫試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證計(jì)劃，其低溫能力驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的定性和定量評(píng)價(jià)為例，詳見表2。

表2 低溫試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證評(píng)價(jià)細(xì)表

由表2 可知，本次實(shí)驗(yàn)室的低溫試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)室Z 比分?jǐn)?shù)絕對(duì)值小于2，評(píng)價(jià)結(jié)果為滿意，但其定性項(xiàng)目有3 處不符合評(píng)價(jià)結(jié)果，因此定性評(píng)價(jià)為不滿意。所以，最終綜合評(píng)定結(jié)果為離群。

2.3 結(jié)果評(píng)價(jià)的分析和建議

本次低溫試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證結(jié)果不滿意的原因：檢測(cè)人員對(duì)低溫試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)全過程試驗(yàn)理解不到位，未嚴(yán)格驗(yàn)證能力驗(yàn)證作業(yè)指導(dǎo)書要求進(jìn)行操作。在試驗(yàn)過程中，未考慮到通電對(duì)試驗(yàn)樣品穩(wěn)定性造成的影響，導(dǎo)致其操作環(huán)節(jié)與其他實(shí)驗(yàn)室有所不同，最終引起結(jié)果的偏離。

因此，為了提高實(shí)驗(yàn)室低溫試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證活動(dòng)所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和能力驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果的滿意度，本文總結(jié)了低溫試驗(yàn)過程中的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：①試驗(yàn)要采用溫度漸變方式改變樣品的溫度，不能采用突變方式改變樣品溫度。樣品放置在符合“測(cè)量和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣條件”的實(shí)驗(yàn)室溫度的試驗(yàn)箱內(nèi)，以不超過1 K/min（不超過5 min 時(shí)間的平均值）的速率漸變降溫；②對(duì)通電樣品，應(yīng)在試驗(yàn)樣品溫度達(dá)到穩(wěn)定后通電。也就是說，試驗(yàn)箱穩(wěn)定達(dá)到規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)后，還需要等到樣品溫度穩(wěn)定后才能給樣品通電；③樣品通電后，樣品溫度會(huì)上升，還需等到樣品溫度穩(wěn)定后，在該低溫條件下暴露相關(guān)規(guī)定的持續(xù)時(shí)間；④樣品通電并溫度穩(wěn)定后，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間應(yīng)滿足能力驗(yàn)證計(jì)劃要求；⑤持續(xù)時(shí)間結(jié)束后，樣品應(yīng)在溫度上升前斷電，即樣品斷電時(shí)間與試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間結(jié)束的時(shí)間差為0，不應(yīng)超過5 min；⑥試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間完成后，也是以不超過1 K/min（不超過5 min 時(shí)間的平均值）的速率漸變升溫，使試驗(yàn)箱的溫度升至符合測(cè)量和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣條件的實(shí)驗(yàn)室溫度時(shí)才能從試驗(yàn)箱里取出樣品，避免樣品溫度的突變。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)電工電子產(chǎn)品的低溫試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證的基本要求進(jìn)行了闡述，同時(shí)以實(shí)驗(yàn)中心參與的試驗(yàn)方案為例對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了定性和定量的分析，明確了低溫試驗(yàn)的全過程把控因素，提高了實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)水平，使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，增加了客戶對(duì)實(shí)驗(yàn)室的信任，對(duì)后續(xù)其他實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行類似能力驗(yàn)證提供一些借鑒和參考。