Thermoschocktest: Wie er funktioniert und wofür er verwendet wird

Zusammenfassend lässt sich sagen: Beim Thermoschocktest wird ein Bauteil schnellen Temperaturwechseln zwischen extremen Temperaturen (z. B. -40 °C ↔ +125 °C) innerhalb von weniger als 30 Sekunden ausgesetzt, um die Auswirkungen abrupter Umgebungsänderungen zu simulieren. Er zählt zu den anspruchsvollsten Umwelttests und wird zur Qualifizierung von Elektronik-, Automobil-, Luft- sowie Batteriekomponenten. Die Referenznormen sind IEC 60068-2-14, MIL-STD-810 Methode 503, JEDEC JESD22-A104 und ISO 16750-4. Er erfordert eine Zweikammerkammer (Zwei- oder Dreizonen-System) oder ein System zur schnellen Probenhandhabung.

Was ist ein Thermoschock?

Thermischer Schock ist ein physikalisches Phänomen, bei dem ein Material, das einer sehr schnellen Temperaturänderung ausgesetzt ist, aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten seiner Komponenten innere mechanische Spannungen erfährt. Diese Spannungen können zu Rissen, Delaminationen, Schweißnahtbrüchen, Materialablösungen und dem Versagen abgedichteter Verbindungen führen.

Thermoschocktests im Labor simulieren diese extremen Temperaturwechsel beschleunigt, um die Beständigkeit eines Produkts zu prüfen. Der entscheidende Unterschied zu einem einfachen Temperaturzyklus liegt in der Übergangsgeschwindigkeit : Bei herkömmlichen Temperaturzyklen werden kontrollierte Temperaturrampen (1–15 °C/min) in einer einzigen Kammer verwendet, während beim Thermoschocktest der Übergang von heiß zu kalt in weniger als 30 Sekunden erfolgt , typischerweise durch zwei separate Kammern und die Bewegung der Probe.

Thermischer Schock vs. thermische Zyklen: Der entscheidende Unterschied

Arten von Thermoschock

Die Normen unterscheiden im Wesentlichen drei Testkonfigurationen:

• Luft-Luft (A/A) – die Probe wird zwischen zwei Luftkammern mit unterschiedlichen Temperaturen hin- und herbewegt. Dies ist die gängigste Konfiguration für elektronische Bauteile und Automobilmodule. Die typische Transferzeit beträgt 10–30 Sekunden.
• Flüssig-Flüssig (L/L) – die Probe wird abwechselnd in zwei Flüssigkeitsbäder (typischerweise Galden- oder Inertflüssigkeiten) mit entgegengesetzten Temperaturen eingetaucht. Übergangszeit < 10 s. Anspruchsvollere Verfahren, angewendet bei Halbleitern, BGA-Löten und Keramik.
• Drei-Zonen -System – Drei-Zonen-System (warm/Raum/kalt) zur sequenziellen Ausführung komplexer Profile mit differenzierter Verweilzeit.

Werkstoffe und Bauteile, die einem Temperaturschock ausgesetzt sind

• Elektronische Bauteile: BGA-Lötstellen, mehrlagige Keramikkondensatoren (MLCCs), Kunststoffgehäuse (Risse in der Vergussmasse), Flip-Chip-Verbindungen
• Automobilmodule: Steuergeräte, Sensoren, Steckverbinder – die Temperaturschwankungen zwischen der Motorhaube (+85/+125°C) und der äußeren Umgebung (-40°C) ausgesetzt sind
• Lithiumbatterien: Separatoren, Elektrolyte, Dichtungen – geprüft nach UN 38.3 T2 (thermischer Test)
• Komponenten für die Luft- und Raumfahrt: atmosphärische Übergänge beim Start/bei der Landung, Schatten-/Sonnenübergänge im Orbit
• Keramik und Verbundwerkstoffe: Risse aufgrund innerer Spannungen, verursacht durch unterschiedliche Ausdehnung
• Technisches Glas: Verbundglas, LCD-/OLED-Bildschirme

Typische Parameter für Thermoschocktests

Thermoschock-Referenzstandards

• IEC 60068-2-14 Na — Umweltprüfung: Temperaturänderung (schnelle Änderungsrate)
• MIL-STD-810 Methode 503 – Temperaturschock, US-Militärstandard
• JEDEC JESD22-A104 — Temperaturwechselprüfung (Halbleiterindustrie)
• JEDEC JESD22-A106 — Thermoschock (Schneller Übergang für Halbleiter)
• ISO 16750-4 — Klimatische Belastungen für elektrische/elektronische Bauteile in der Automobilindustrie
• RTCA DO-160 Abschnitt 5 — Temperaturvariation für Avionik
• AEC-Q100 Stufe 0/1/2/3 — Qualifizierung von integrierten Schaltungen für die Automobilindustrie
• UN 38.3 Test T2 – Thermischer Test für Lithiumbatterien für den Transport

Funktionsweise einer Thermoschockkammer

Eine Thermoschockkammer besteht typischerweise aus zwei übereinanderliegenden Kammern: einer heißen und einer kalten Kammer, die konstant auf ihren jeweiligen Prüftemperaturen gehalten werden. Die Probe wird in einen beweglichen Korb , der sich mittels eines pneumatischen Kolbens oder Elektromotors innerhalb weniger Sekunden zwischen den beiden Kammern bewegt.

Die Kammern halten die Zieltemperatur auch während des Transfers aufrecht (die Erholungszeiten sind nahezu null), im Gegensatz zu einer Einkammerkammer, die den gesamten Hohlraum kühlen oder heizen muss. Daher benötigt eine Schockkammer ein größeres Kühlsystem als eine vergleichbare Klimakammer, mit kaskadierten Kompressoren (typischerweise R507 + R23), um unter hoher thermischer Belastung -70 °C zu erreichen.

Bei Flüssigkeitskonfigurationen (L/L) werden zwei Tanks mit thermostatisierter Flüssigkeit verwendet. Diese Konfigurationen sind aufwändiger, aber weniger verbreitet, da die Flüssigkeitssicherheit und die Probenverwaltung im Vordergrund stehen.

Anwendungsbereiche

• Automobilindustrie: Qualifizierung von Steuergeräten, Sensoren und LED-Scheinwerfern gemäß ISO 16750-4 und AEC-Q100
• Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung: RTCA DO-160- und MIL-STD-810-Tests für Avionik
• Unterhaltungselektronik: Leiterplattenqualifizierung, Steckverbinder und Displays für Außengeräte
• Batterien: UN 38.3 T2-Test für die Transportzertifizierung von Lithiumbatterien
• Halbleiter: JEDEC JESD22-A104/A106 für integrierte Schaltungen und Gehäuse
• Eisenbahn: Komponentenqualifizierung gemäß EN 50155 Klasse T3

Die FDM-Thermoschockkammer

FDM Environment Makers entwickelt Zwei- und Dreikammer- Thermoschockkammern mit einem erweiterten Temperaturbereich von -80 °C bis +220 °C und Transferzeiten von unter 15 Sekunden. Die Modelle integrieren:

• Pneumatisch betriebener Korb mit einer Tragfähigkeit von bis zu 500 kg
• revoFACE Programmiergerät mit mehrstufigen Zyklen und 21 CFR Part 11-konformer Aufzeichnung
• Unabhängige Steuerung der beiden Kompartimente mit einer Genauigkeit von ±1 °C
• Sicherheitssystem wird bei unbefugtem Öffnen aktiviert

Für kundenspezifische Anforderungen (Fächer mit einem Volumen > 1.000 L, L/L-Stoßdämpfung, Drei-Zonen-Konfigurationen) fertigt FDM maßgeschneiderte Kammern.

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Für die Sicherheitsprüfung von Lithiumbatterien gemäß UN 38.3 baut FDM Batterieprüfkammern, die speziell für Temperaturwechsel- und Missbrauchstests entwickelt wurden.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Thermoschock

Worin besteht der Unterschied zwischen Thermoschock und Temperaturwechselbeanspruchung?

Der Unterschied liegt in der Übergangsgeschwindigkeit. Beim Thermischen Zyklieren wird eine einzelne Kammer mit kontrollierten Temperaturrampen (typischerweise 1–15 °C/min) verwendet. Beim Thermoschock erfolgt der Übergang in weniger als 30 Sekunden über zwei separate Kammern. Thermoschock erzeugt aufgrund der plötzlichen unterschiedlichen Ausdehnung von Materialien mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten deutlich höhere mechanische Spannungen.

Wie viele Thermoschockzyklen sind erforderlich, um ein Bauteil zu qualifizieren?

Es hängt vom Standard und dem geforderten Härtegrad ab. IEC 60068-2-14 Na sieht typischerweise 5–100 Zyklen für Standardtests und bis zu 1000 für erweiterte Qualifizierungen vor. AEC-Q100 Grad 1 (Automobil -40/+125 °C) erfordert 500–1000 Zyklen. MIL-STD-810 Methode 503 definiert drei Profile mit 3–100 Belastungszyklen. Für UN 38.3 T2- sind 10 Zyklen ausreichend.

Thermischer Schock zwischen Luft und Luft oder zwischen Flüssigkeiten: Welcher ist der richtige?

Luft-Luft-Temperaturprüfung ist der Standard für elektronische Bauteile, Automobilmodule, Batterien und Avionik – und wird von den meisten Normen (IEC, MIL, ISO) referenziert. Flüssig-Flüssig-Temperaturprüfung ist strenger (Übergangszeit < 10 s, sofortiger Temperaturschock) und wird für ungeschützte Halbleiter, Keramik und kritische Bauteile zur Fehleranalyse verwendet. Die JEDEC-Norm JESD22-A106 akzeptiert beide Prüfverfahren mit jeweils eigenen Parametern.

Kann eine normale Klimakammer einen Thermoschock auslösen?

Nein, das stimmt nicht. Eine Einkammerkammer benötigt selbst bei schnellen Temperaturrampen (15 °C/min) mehrere Minuten um von +125 °C auf -40 °C zu gelangen – sie erzeugt also keine thermische Schockbelastung. Für die Tests nach IEC 60068-2-14 (Na) werden üblicherweise Zwei- oder Dreikammerkammern verwendet: Bei zwei Kammern muss der Temperaturtransfer innerhalb von 3 Minuten abgeschlossen sein. Einige High-End-Kammern bieten Temperaturrampen von 20–30 °C/min mit der Option auf „nahezu schockartige“ Profile, sind aber kein Ersatz für eine echte Schockkammer zur Erfüllung strenger Anforderungen.

Autoritative Quellen

• IEC – Internationale Elektrotechnische Kommission. Internationale Normungsorganisation für Elektrotechnik, verantwortlich für die Normenreihe IEC 60068 für Umweltprüfungen.
• Die JEDEC Solid State Technology Associationveröffentlicht JESD22-A104 und A106, den globalen Maßstab für thermische Halbleitertests.
• DoD (MIL-STD-810), verfügbar auf EverySpec. US-Militärstandard für Umweltqualifikationen von Ausrüstung für die Verteidigungs- und Luftfahrtindustrie.
• Der Automotive Electronics Council (AEC)gibt die Norm AEC-Q100 heraus, die einen Thermoschocktest als obligatorischen Qualifizierungstest für integrierte Schaltungen in der Automobilindustrie vorschreibt.
• RTCA, die amerikanische Normungsorganisation für Avionik, veröffentlicht DO-160 Abschnitt 5 über Temperaturschwankungen bei Flugzeugausrüstung.

Weitere häufig gestellte Fragen zum Thema Thermoschock

Wie ist die „Übertragungszeit“ gemäß IEC 60068-2-14 definiert?

IEC 60068-2-14 definiert die Transferzeit t₂ als das Intervall, das die Entnahme der Probe aus der ersten Kammer, die Verweilzeit an der Luft und das Einbringen in die zweite Kammer umfasst (Zweikammer-Na-Verfahren). In der aktuellen Fassung (2023) muss t₂ bei zwei Kammern innerhalb von 3 Minuten; einige Industriestandards, wie z. B. ISO 16750-4 in der Automobilindustrie, legen kürzere Zeiten fest. Die Verweilzeit t₁ (Verweilzeit in jeder Kammer) muss es dem Kern der Probe ermöglichen, ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen: typischerweise 15–30 Minuten für diskrete elektronische Bauteile, 1–3 Stunden für große Module oder solche mit hoher thermischer Masse. Die Überprüfung erfolgt mit in die Referenzprobe eingeführten Thermoelementen, und der Zyklus wird nur dann validiert, wenn die im Kern gemessene Temperatur innerhalb von ± 3 °C des Sollwerts liegt. Die Schockkammer muss eine Erholungszeit von < 5 Minuten nach dem Transfer gewährleisten, um eine Verlängerung des Zyklus zu vermeiden.

Welche Ausfallmechanismen werden durch Thermoschock beschleunigt?

Thermischer Schock verstärkt hauptsächlich die durch unterschiedliche Wärmeausdehnung bedingten Ausfallmechanismen: Rissbildung an BGA- und CSP-Lötstellen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Gehäuse (17 ppm/°C) und Leiterplatte (18 ppm/°C FR4 in der Ebene, 65 ppm/°C senkrecht zur Ebene); Ablösung der Vergussmasse vom Siliziumchip; Bonddrahtbrüche in Kunststoffgehäusen; Brüche in Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCC) aufgrund mechanischer Spannungen im dielektrischen Körper. In Keramik und technischen Gläsern führt thermischer Schock zu thermischer Rissbildung durch Überschreiten der Bruchzähigkeit (K_{_IC}). Bei Lithiumbatterien beschleunigt thermischer Schock den Abbau von SEIs und Polymerseparatoren. Das Coffin-Manson-Modell (N_{_f} ∝ Δε_{_p}^-c) quantifiziert die Ermüdungslebensdauer, wobei der Exponent c typischerweise 1,9–2,5 für SnAgCu-Lötstellen beträgt. Der typische Beschleunigungsfaktor zwischen Schock und Temperaturwechselbeanspruchung liegt bei 5–15 für dasselbe ΔT.

Worin bestehen die Unterschiede zwischen IEC 60068-2-14 Na und Nb?

Das Verfahren Na nach IEC 60068-2-14 ist ein Schnelltemperaturwechseltest mit zwei Kammern und Bewegung der Probe (oder einer gleichwertigen Maßnahme) mit Transferzeiten innerhalb von 3 Minuten. Es wird zur Qualifizierung von Elektronik-, Automobil- (AEC-Q100) und Luft- und Raumfahrtkomponenten (RTCA DO-160) eingesetzt. Das Verfahren Nb ist ein Temperaturzyklus mit kontrollierter Rampe in einer einzelnen Kammer mit einer Änderungsrate von 1, 3, 5 oder 10 °C/min (typischerweise 3–5 °C/min). Es eignet sich für allgemeine Alterungstests, bei denen realistische Übergänge und nicht Schocks simuliert werden sollen. Die Wahl zwischen Na und Nb hängt von den zu erwartenden Betriebsbedingungen ab: Für Automobilkomponenten, die plötzlichen Änderungen ausgesetzt sind (Motorhaube), ist Na erforderlich; für Konsum- oder Bürogeräte ist Nb ausreichend. Das weniger gebräuchliche Verfahren Nc (Schnellwechseltest mit zwei Flüssigkeitsbädern) erzeugt einen stärkeren Schock und eignet sich auch für Glas-Metall-Verbindungen.

Wie wird eine Thermoschockkammer gemäß IEC 60068-3-5 qualifiziert?

Die messtechnische Qualifizierung einer Stoßkammer erfordert im Vergleich zu einer Standard-Thermokammer einige Erweiterungen. Die Messung nach IEC 60068-3-5 erfolgt separat an beiden Kammern (warm und kalt) unter stationären Bedingungen mit neun Messpunkten für Volumina < 2 m³. Zusätzlich wird das Transferprofil mit einem Referenzthermoelement am Korb oder der Probe gemessen: Die Zeit, die die Probentemperatur benötigt, um den Toleranzbereich der Ausgangskammer zu verlassen und in den der Zielkammer zurückzukehren, wird erfasst. Typische Akzeptanzparameter sind: Transferzeit < 30 s (schwerwiegendere Fälle ≤ 10 s), Erholungszeit < 5 min, Temperaturgradient zwischen Zentrum und Peripherie < 3 °C. Die jährliche Kalibrierung umfasst Kammerfühler, eine elektronische Stoppuhr für das Handhabungssystem und ein pneumatisches Manometer, falls der Korb pneumatisch betrieben wird. Die Zertifikate müssen auf ACCREDIA rückführbar sein.