IEC 60068-2-14: Vollständiger Leitfaden für Temperaturänderungsprüfungen

IEC 60068-2-14 definiert die Verfahren zur Prüfung von Bauteilen und Geräten unter schnellen Temperaturänderungen, allgemein bekannt als Temperaturwechseltests. Dieser Test, in der Normenreihe IEC 60068 als Test N , ist unerlässlich, um die Beständigkeit von Lötstellen, Dichtungen, Beschichtungen und elektronischen Baugruppen gegenüber thermischer Ermüdung zu überprüfen.

In diesem Leitfaden analysieren wir die drei in der Norm geforderten Methoden, die Testbedingungen, die Anwendungsbereiche und die FDM-Klimakammern die sich für die Durchführung dieser Tests mit maximaler Zuverlässigkeit eignen.

Was ist IEC 60068-2-14 und wofür wird sie verwendet?

Thermische Wechseltests simulieren die thermischen Belastungen, denen eine Komponente während ihrer Betriebsdauer ausgesetzt ist: Ein- und Ausschalten, Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht sowie Übergänge zwischen Umgebungen mit unterschiedlichen Temperaturen. Ziel ist es, latente Defekte zu erkennen, bevor das Produkt in den Einsatz kommt.

Zu den Fehlermechanismen, die dieser Test aufzeigt, gehören:

• Risse in Lötstellen: verursacht durch unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen Bauteil und Leiterplatte (Fehlanpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten)
• Delamination: Trennung zwischen Schichten von Verbundwerkstoffen oder zwischen einem Chip und einem Substrat
• Drahtbruch an den Bonddrähten: Die dünnen Drähte, die den Chip mit dem Leadframe verbinden.
• Verschleiß von Dichtungen und O-Ringen: Elastizitätsverlust nach wiederholten Zyklen
• Brüche in spröden Materialien: Keramik, Glas, Substrate

Die drei Methoden der IEC 60068-2-14

Na-Methode – Schneller Transfer zwischen zwei Zonen

Die Probe wird physikalisch zwischen zwei Zonen (oder zwei Kammern) mit unterschiedlichen Temperaturen transferiert. Die Transferzeit muss weniger als 20 Sekunden betragen, um einen maximalen Temperaturschock zu gewährleisten.

Anwendungsbereiche: Qualifizierung von BGA/QFP-Lötstellen, JEDEC-Prüfung (JESD22-A104), AEC-Q100-Qualifizierung für die Automobilindustrie. Dies ist die strengste Methode, da der Temperaturgradient an der Probe maximal ist.

Typischer Aufbau: Zwei-Zonen-Kammer mit automatischem Transportkorb oder zwei separate Kammern mit Transfersystem. Typischer Temperaturbereich: -55 °C bis +125 °C oder -40 °C bis +150 °C.

Nb-Methode — Variation mit kontrolliertem Gradienten

Die Probe verbleibt in derselben Kammer, und die Temperatur wird mit einem Gradienten von 1 bis 15 K/min variiert. Im Gegensatz zur Na-Methode ist die thermische Belastung hier gradueller und besser kontrollierbar.

Anwendungsbereich: Qualifizierung von kompletten Baugruppen, Leistungsmodulen und elektronischen Steuergeräten (ECUs). Dies ist die gängigste Methode in Laboren, da sie nur eine programmierbare Kammer benötigt.

Typischer Aufbau: FDM-Klimakammer mit einem Temperaturbereich von -70 °C bis +180 °C und programmierbaren Aufheiz-/Abkühlraten bis zu 15 K/min. Das vollständige Temperaturprofil wird programmiert: niedrige Temperatur, Aufheizen, hohe Temperatur, Haltezeit, Abkühlen, wiederholt für die erforderliche Anzahl von Zyklen.

NC-Methode – Eintauchen in ein Flüssigkeitsbad

Die Probe wird abwechselnd in Bäder mit heißen und kalten Flüssigkeiten (typischerweise inerten Flüssigkeiten wie Fluorinert) eingetaucht. Mit dieser Methode lässt sich der extremste Temperaturgradient erzeugen, da die Wärmeübertragung durch Flüssigkeiten wesentlich effizienter ist als durch Luft.

Anwendungsgebiet: Qualifizierungstests für militärische und Raumfahrtkomponenten, die extremen Bedingungen ausgesetzt sind. Weniger verbreitet in der kommerziellen Elektronik.

Typische Testbedingungen in der Branche

FDM-Kammern für IEC 60068-2-14-Prüfungen

FDM Environment Makers bietet verschiedene Konfigurationen zur Durchführung von Temperaturwechseltests gemäß IEC 60068-2-14 an:

• Klimakammern der C-PRO-Serie: Temperaturbereich -70 °C bis +180 °C mit programmierbaren Temperaturrampen. Ideal für die Nb-Methode mit individuell anpassbaren Mehrstufenprofilen.
• Klimakammern der Serie C-BCXPRO: Mit Feuchtigkeitsregelung für kombinierte Temperatur-Feuchtigkeits-Tests. Schnelle Aufheiz- und Abkühlzeiten bis zu 15 K/min.
• Thermostatische Kammern der T-PRO-Serie: für Kälte- oder Trockenwärmeprüfungen mit erweitertem Bereich.

Alle FDM-Kammern sind mit einer programmierbaren Steuerung ausgestattet, die automatische Zyklusprofile, kontinuierliche Datenaufzeichnung und die Möglichkeit des Einfügens von Durchführungen für Strom- und Signalkabel bietet, was für die Überwachung der Probe während der Zyklen unerlässlich ist.

Häufig gestellte Fragen zu IEC 60068-2-14

Worin besteht der Unterschied zwischen Temperaturwechselbeanspruchung und Temperaturschock?

Der Thermoschock (Na-Methode) beinhaltet einen schnellen Transfer (

Wie viele Zyklen sind nötig, um eine Komponente zu qualifizieren?

Das hängt von der Branche ab: 200 Zyklen für Photovoltaik (IEC 61215), 500–1000 für Halbleiter (JEDEC), bis zu 2000 für die Automobilindustrie (AEC-Q100). IEC 60068-2-14 legt keine feste Zahl fest: Die Anzahl der Zyklen wird durch die Produktspezifikation bestimmt.

Welche Verweilzeit wird empfohlen?

Die Verweilzeit bei der extremen Temperatur hängt von der thermischen Masse der Probe ab. Die Norm schreibt vor, dass die Probe vor Beginn des nächsten Temperaturanstiegs ein thermisches Gleichgewicht erreichen muss. In der Praxis variiert dies von 10 Minuten für kleine Bauteile bis zu über 30 Minuten für komplexe Baugruppen.

Referenzstandards

• IEC 60068-2-14 — Umweltprüfungen – Teil 2-14: Prüfungen – Prüfung N: Temperaturänderung. Referenznorm für Temperaturänderungsprüfungen (Schnellgradientenprüfung Na, kontrollierter Gradientenprüfung Nb).
• IEC 60068-2-1 — Test A: Kalt. Niedrige Temperaturgrenzbedingungen gemäß den Na/Nb-Profilen (typischerweise -40 °C bis -65 °C).
• IEC 60068-2-2 — Test B: Trockene Hitze. Hochtemperatur-Randbedingung gekoppelt an Test N (typischerweise +85 °C bis +155 °C).
• IEC 60068-3-5 — Bestätigung der Leistungsfähigkeit von Temperaturkammern. Anforderungen an die Qualifizierung des nutzbaren Volumens von Temperaturkammern (9-Punkt-Mapping, Sensorunsicherheit).
• MIL-STD-810H Methode 503.7 — Temperaturschock. US-Militärverfahren für Zwei- oder Dreizonen-Temperaturschocks mit Transferzeiten < 10 s.
• JESD22-A104F — Temperaturwechselprüfung. JEDEC-Standard für die Temperaturwechselprüfung von Halbleitern (Zustand B: -55/+125 °C, Zustand G: -40/+125 °C).
• ISO 16750-4 – Straßenfahrzeuge – Umgebungsbedingungen und Prüfungen für elektrische und elektronische Geräte – Teil 4: Klimatische Belastungen. Sie setzt die Profile der IEC 60068-2-14 für Automobilkomponenten um.

Autoritative Quellen

• IEC – Internationale Elektrotechnische Kommission. Internationale Normungsorganisation, die die Normenreihe IEC 60068 für Klima- und Umweltprüfungen herausgibt.
• JEDEC Solid State Technology Association. Veröffentlicht die JESD22-Standards für Zuverlässigkeitstests an Halbleitern, einschließlich Temperaturwechseltests.
• ACCREDIA – Italienische Akkreditierungsstelle. Akkreditiert Labore, die Prüfungen gemäß IEC 60068-2-14 in Übereinstimmung mit ISO/IEC 17025 durchführen.
• ILAC – Internationale Kooperation zur Akkreditierung von Laboratorien. Gewährleistet die gegenseitige internationale Anerkennung von Prüfberichten, die von akkreditierten Laboratorien ausgestellt werden.