Wie der thermische Kreislauf funktioniert

Zu den häufigsten Tests, die in einer Klimakammer durchgeführt werden können, gehören Temperaturzyklen.

Im folgenden Artikel werden wir die allgemeinen Prinzipien von Temperaturzyklen und Temperaturzykluskammernanhand einiger Beispiele aus internationalen Vorschriften für die Prüfung von Produkten und Materialien erläutern.

Was sind thermische Zyklen?

Ein thermischer Zyklus ist definiert als ein sich wiederholender thermischer Test, bei dem die Temperatur regelmäßig verändert wird und dabei einen hohen Temperaturpeak und einen niedrigen Temperaturpeak erreicht. 

Ein einzelner Temperaturzyklus gilt als abgeschlossen, wenn die Temperatur wieder ihre Ausgangswerte erreicht hat. In den meisten Tests muss das Verfahren jedoch eine Mindestanzahl an Wiederholungen durchlaufen werden, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Wie wir sehen werden, wird diese Mindestanzahl durch die geltenden Vorschriften für die jeweilige Produktkategorie bestimmt

Thermische Zyklen unterscheiden sich von Thermoschocktests durch die Zeit, die für den Übergang von der heißen zur kalten Umgebung benötigt wird. Die sogenannte „Einschwingzeit“ der Probe in einem thermischen Zyklus beträgt mindestens zehn Minuten, und die Grenze der neuen Temperaturzone muss innerhalb von 15 Minuten erreicht sein.

Beim sogenannten Thermoschocktesthingegen genügen wenige Sekunden, um die Probe von einer Umgebung in eine andere zu überführen und so den „Schockfaktor“ zu ermitteln. Der Schock wird tatsächlich durch die sogenannte „Aufheiz- und Abkühlrate“ verursacht,also die Geschwindigkeit des Aufheizens und Abkühlens, die diesen Test von herkömmlichen thermischen Prüfungen unterscheidet.

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Die Thermozykluskammern

Obwohl der Zeitpunkt der Transfers und die Genauigkeit der Temperaturwerte von grundlegender Bedeutung sind, zählt der thermische Zyklus im Allgemeinen zu den einfachsten Tests und kann in jeder Klimakammer durchgeführt werden, die die Veränderung der Temperaturwerte und die Kontrolle der Feuchtigkeitswerte ermöglicht.

Alle Standard-Klimakammern sind daher auch thermische Zykluskammern.

Die meisten Thermozykluskammern können so programmiert werden , dass sie den Zyklus autonom durchführen.

Internationale Verfahren für thermische Zyklen

Es gibt kein einheitliches internationales Verfahren für Temperaturzyklen.

Thermische Zyklenprüfungen in Klimakammern sind ein so gängiges Umweltprüfverfahren , dass sie für viele Produkte und Materialien vorgeschrieben sind. Zu den am weitesten verbreiteten Anwendungsbereichen zählt die Elektronikindustrie , wo der Standard MIL-STD-883E ein Paradebeispiel darstellt. Auch Korrosionsprüfungen an Metallen umfassen thermische Zyklenprüfungen gemäß ISO 13573:2012 .

Diese Verfahren sind sehr spezifisch und schreiben Folgendes vor:

• Temperatur des kalten Endes des Zyklus
• Temperatur des heißen Endes des Zyklus
• maximale Übertragungszeit
• Mindestabsetzzeit
• Mindestanzahl erforderlicher Temperaturzyklen

Für genauere Informationen ist es notwendig, die technische Dokumentation , die sich auf den Sektor und die zu testenden Materialien bezieht.

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FDM-Thermozykluskammern.

FDM-Klimakammern sind die idealen Werkzeuge zur Durchführung eines Großteils der thermischen Zyklen für Materialprüfungen.

Wenn die für den Test erforderlichen Werte extreme Temperaturen, ist die Verwendung einer Klimakammer ratsam.

Sowohl die Klimakammern als auch die FDM-Umweltkammern nutzen modernste Technologien und können dank der innovativen revoFACE.

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Thermischer Zyklus vs. Thermoschock vs. Kfz-Zyklen

Die Begriffe „thermischer Zyklus“, „Thermoschock“ und „thermische Zyklen im Automobilbereich“ sind nicht synonym. Betrachten wir die wichtigsten Unterschiede:

Der Temperaturzyklus ist die allgemeine Kategorie: programmierte Übergänge zwischen hohen und niedrigen Temperaturen mit kontrollierter Temperaturrampe in einer einzigen Kammer. Die Varianten (Schock, Automobil, ICH) spezialisieren Parameter und Normen für spezifische Anwendungen.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Temperaturwechsel

Wie viele Temperaturzyklen sind für einen Standardtest erforderlich?

Das hängt vom jeweiligen Standard ab. IEC 60068-2-14 Nb sieht typischerweise 2–100 Zyklen für Anwendungen in der Unterhaltungselektronik und allgemeinen Elektronik vor. Die Automobilnorm AEC-Q100 fordert 1.000 Zyklen. MIL-STD-810 Methode 501/502 sieht 3–10 Zyklen bei hoher Belastung vor. Für die Qualifizierung in der Luft- und Raumfahrt gemäß RTCA DO-160sind 20–100 Zyklen erforderlich. Diese Zahl sollte stets an das jeweilige Einsatzprofil des Produkts angepasst werden.

Worin besteht der Unterschied zwischen einer „linearen“ und einer „Stoß“-Rampe?

Die lineare Rampe beinhaltet einen kontrollierten Übergang mit konstanter Rate (z. B. 5 °C/min) zwischen den beiden Prüftemperaturen und einer dazwischenliegenden Haltezeit. Das Schockprofil (oder Schnellwechselprofil) beinhaltet Übergänge innerhalb weniger Minuten oder weniger als 30 Sekunden (reiner Schock). Die Wahl hängt von der Norm ab: IEC 60068-2-14 Nb verwendet lineare Rampen, Na verwendet Schocks. Die Rampe beeinflusst die induzierte mechanische Spannung erheblich.

Ist eine kontrollierte Luftfeuchtigkeit während des Temperaturzyklus erforderlich?

Nicht immer. Der „trockene“ Temperaturzyklus beeinflusst lediglich die Temperatur – der typische Anwendungsfall einer Thermostatkammer – und ist für mechanische Ausdehnungsprüfungen ausreichend. Der thermohygrometrische (mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit) ist für Korrosions-, Feuchtigkeitspenetrations- und Delaminierungsprüfungen elektronischer Bauteile erforderlich. Normen wie IEC 60068-2-30 (Feuchtwärmezyklus) und MIL-STD-810 Methode 507 ergänzen das Temperaturprofil um die Feuchtigkeitskontrolle.

Kann ich reale (nicht-sinusförmige) Nutzungsprofile simulieren?

Ja, mit Kammern, die mit einem fortschrittlichen Programmiergerät (wie dem revoFACE FDM) ausgestattet sind, lassen sich benutzerdefinierte Profile aus CSV-Dateien laden, reale Telemetriedaten von Fahrzeugen oder Systemen simulieren und nichtlineare Mehrschrittzyklen nachbilden. Dieser für missionsprofilbasierte Tests ist in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie Energiespeicherindustrie (wo Tests in Batterieprüfkammern) zunehmend gefragt, um Überdimensionierung zu vermeiden und Laborergebnisse besser mit der realen Produktlebensdauer zu korrelieren.

Referenzstandards

• IEC 60068-2-14:2009 — Umweltprüfung – Prüfung N: Temperaturänderung. Betrachten Sie Na (schnell), Nb (linear), Nc (graduell).
• JEDEC JESD22-A104F — Temperaturwechseltest, JEDEC-Standard für die IC-Qualifizierung mit 6 Bedingungen (A-T3) zwischen -65°C und +150°C.
• MIL-STD-810H Methode 501/502 — Hohe/Niedrige Temperaturen für militärische Ausrüstung, mit 8 Verfahren für Lagerung, Betrieb und Zyklen.
• ISO 16750-4:2023 — Straßenfahrzeuge – Klimatische Belastungen, Automobil-Referenz für den thermischen Zyklus an Steuergeräten und elektronischen Modulen.
• AEC-Q100 Grad 0/1/2/3 — Temperaturwechseltest, der für die Qualifizierung von Automobil-ICs erforderlich ist, mit 1000 Zyklen des Grades 1.
• RTCA DO-160G Abschnitt 5 — Temperaturverlauf für Avionik, Profil mit Rampen, die durch die Betriebshöhe definiert sind.
• EN 50155:2017 — Bahnanwendungen – Elektronische Geräte mit thermischen Zyklusklassen T1-T3.

Autoritative Quellen

• IEC – Internationale Elektrotechnische Kommission. Internationale Normungsorganisation für Elektrotechnik, verantwortlich für die Normenreihe IEC 60068 für Umweltprüfungen.
• JEDEC Solid State Technology Association. Amerikanische Organisation, die die JESD22-Referenzstandards für Halbleiter veröffentlicht.
• Der Automotive Electronics Council (AEC)gibt die Norm AEC-Q100 für die Qualifizierung von Automobil-ICs heraus und fordert die Durchführung von Temperaturwechseltests als obligatorische Prüfung.
• RTCA. Amerikanische Organisation, die DO-160 für Avionik herausgibt, die weltweite Referenz für die Umweltqualifizierung in der Luft- und Raumfahrt.

Weitere häufig gestellte Fragen zum Thema Temperaturwechsel

Wie berechnet man die Beschleunigung eines thermischen Zyklus im Vergleich zur Realität?

Das am weitesten verbreitete Modell ist die modifizierte Coffin-Manson- N_{_f,Test} / N_{_f,Feld} = (ΔT_{_Feld} / ΔT_{_Test)ⁿ × (f_{_Feld} / f}Gleichung^m </sup> × exp[E_a/ k × (1/T_max,Feld</sub> – 1/T_{_max,Test})] für thermomechanische Ermüdung:  _Test)<sup>  <sub> . Typische Exponenten für SnAgCu-Schweißnähte sind n ≈ 1,9–2,5 und m ≈ 0,33. Bei einem ΔT- _Test von 165 °C (AEC-Q100 Grad 1) gegenüber einem ΔT- _Feld von 60 °C (Motorraum) ergibt sich ein Beschleunigungsfaktor von 10–20, sodass 1000 AEC-Q100-Zyklen etwa 15 Jahren Fahrzeuglebensdauer entsprechen. Die typische Aktivierungsenergie E _{_a} liegt bei 0,5–0,7 eV für thermische Ermüdungsmechanismen, während sie für Metalldiffusion (kombinierte Elektromigration) 0,9–1,1 eV beträgt. OEMs fordern im Allgemeinen einen Sicherheitsfaktor von 1,5–2x bezogen auf die berechnete Zyklenzahl.

Worin besteht der Unterschied zwischen einem langen und einem kurzen Verweilzeit-Temperaturzyklus?

Die Verweilzeit ( Zeit bei extremer Temperatur) bestimmt den vorherrschenden Ausfallmechanismus. Kurze Verweilzeiten (2–10 min) beschleunigen vorwiegend reversible im Zusammenhang mit elastischer Ausdehnung, die für Ermüdungstests von BGAs und MLCCs relevant sind. Lange Verweilzeiten (30–60 min) ermöglichen Diffusions- und Kriechphänomene, die für Lötmittel, Klebstoffe und intermetallische Verbindungen von Bedeutung sind. JEDEC JESD22-A104 Bedingung G schreibt eine Verweilzeit von 10 min vor (typisch für Unterhaltungselektronik), während für ESCC-ECSS-Tests in der Luft- und Raumfahrt 60–120 min empfohlen werden, um lange Perioden im Schatten im Orbit zu simulieren. Diese Wahl beeinflusst auch die Gesamtlebensdauer: 1.000 Zyklen mit einer Verweilzeit von 10 min und 5-minütigen Übergängen entsprechen etwa 500 Stunden; mit einer Verweilzeit von 30 min erhöht sich diese auf 1.000–1.500 Stunden. Für sehr lange Verweilzeiten ist eine Langzeitstabilität der Kammer von ±0,5°C erforderlich, wobei die Wiederholbarkeit mittels IEC 60068-3-5-Mapping überprüft wird.

Wie lassen sich Temperaturzyklus und Luftfeuchtigkeit in einem THB-Profil kombinieren?

Die Temperatur-Feuchte-Vorspannung (THB) ist ein kombinierter Temperaturwechseltest mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit und Vorspannung, typischerweise gemäß JEDEC JESD22-A101 (85 °C/85 % RH, 1000 Stunden) oder IEC 60068-2-30 Db (25/55 °C-Zyklus mit 95 % RH). Das Testprofil beinhaltet kontrollierte Temperaturrampen zwischen hohen und niedrigen Temperaturen bei gleichzeitig konstanter relativer Luftfeuchtigkeit von ≥ 85 %, was bei niedrigen Temperaturen zu Oberflächenkondensation führt. Kondensation in Verbindung mit angelegter Spannung beschleunigt elektrochemische Korrosion, Ionenmigration und Passivierungsdelamination. THB-Kammern müssen den Taupunkt regulieren, ohne dass die Feuchtigkeitssensoren einfrieren oder überhitzen. Die Befeuchtung erfolgt durch Zufuhr von ultrafiltriertem Dampf, wobei kapazitive HMI-Sensoren an strategischen Punkten angebracht sind, die nicht direkter Kondensation ausgesetzt sind. Die typische Toleranz beträgt ± 2 °C/± 3 % RH. r Für aggressivere Profile wird HAST bei 130°C/85% RH in einem Druckautoklaven eingesetzt

Worin bestehen die Unterschiede zwischen den Profilen ISO 16750-4 Code 01, 02 und 03?

Der ISO-16750-4-Code definiert drei Schweregrade thermischer Belastungen in Kraftfahrzeugen. Code 01 (Fahrgastraum): -40 °C bis +85 °C für Komponenten im Fahrgastraum, 1000 typische Zyklen. Code 02 (Motorraum, nicht direkt am Motor): -40 °C bis +125 °C, 1000 Zyklen, für Steuergeräte im Motorraum ohne direkten Kontakt. Code 03 (am Motor): -40 °C bis +150 °C oder +155 °C für Sensoren und Aktoren am Motorblock, 500–1000 Zyklen. Die Profile beinhalten eine 30-minütige Haltezeit an jedem Extremwert, Aufheizraten von 1–3 °C/min und eine Stabilisierungsphase von mindestens 50 % der für den jeweiligen Temperaturbereich vorgesehenen Kammerzeit. Die Entsprechung zu AEC-Q100 ist: Code 01 ≈ Klasse 3/2, Code 02 ≈ Klasse 1, Code 03 ≈ Klasse 0. Die Prüfungen erfordern Klimakammern mit einem Bereich von -50/+170 °C, um einen Spielraum bei den Sollwerten zu gewährleisten, sowie eine Nachprüfung der elektrischen Parameter an 100 % der Proben.