Cómo funciona el ciclo térmico

Entre las pruebas más comunes que se pueden realizar en una cámara climática se encuentran los ciclos térmicos.

En el siguiente artículo ilustraremos las generalidades de los ciclos térmicos y las cámaras de ciclos térmicos, con algunos ejemplos tomados de las normativas internacionales que rigen los ensayos de productos y materiales.

¿Qué son los ciclos térmicos?

Un ciclo térmico se define como cualquier prueba térmica recursiva en la que la temperatura se altera regularmente, alcanzando un pico de temperatura alta y un pico de temperatura baja. 

Se considera que un ciclo térmico se ha completado cuando la temperatura vuelve a sus valores iniciales, pero en la mayoría de las pruebas el procedimiento debe repetirse un número mínimo de veces para obtener los resultados deseados. Como veremos, este número mínimo viene determinado por la normativa aplicable a la categoría de producto en cuestión.

El ciclo térmico se diferencia de las pruebas de choque térmico por el tiempo que tarda la muestra en pasar del ambiente caliente al frío. El llamado "tiempo de estabilización" de la muestra en un ciclo térmico es de al menos diez minutos, y el límite de la nueva zona de temperatura debe alcanzarse en 15 minutos.

En cambio, en la denominada prueba de choque térmico, bastan unos segundos para transferir la muestra de un entorno a otro y obtener el factor de choque. Este choque se debe, de hecho, a ,que es lo que la diferencia de las pruebas térmicas estándar.

Las cámaras de ciclo térmico

Si bien la sincronización de las transferencias y la precisión de los valores de temperatura son fundamentales, en general el ciclo térmico se encuentra entre las pruebas más sencillas y puede realizarse en cualquier cámara climática que permita la alteración de los valores de temperatura y el control de los valores de humedad.

todas las cámaras climáticas estándar son también cámaras de ciclado térmico.

La mayoría de los termocicladores se pueden programar para ejecutar el ciclo de forma autónoma.

Procedimientos internacionales para ciclos térmicos

No existe un procedimiento internacional para los ciclos térmicos.

El ciclo térmico en una cámara climática es una prueba ambiental tan común que se exige para muchos tipos de productos y materiales. Entre los sectores más utilizados se encuentra la industria electrónica , donde la norma MIL-STD-883E es un ejemplo destacado . Las pruebas de corrosión en metales también incluyen el ciclo térmico, según la norma ISO 13573:2012 .

Estos procedimientos son muy específicos y prescriben:

• temperatura del extremo frío del ciclo
• temperatura del extremo caliente del ciclo
• duración máxima del tiempo de transferencia
• duración mínima del tiempo de asentamiento
• Número mínimo de ciclos térmicos requeridos

Para obtener información más precisa, es necesario consultar la documentación técnica relativa al sector y a los materiales que necesitamos analizar.

Cámaras de ciclado térmico FDM.

Las cámaras climáticas FDM son las herramientas ideales para realizar gran parte de los ciclos térmicos para ensayos de materiales.

Si los valores requeridos por la prueba alcanzan temperaturas extremas, es recomendable utilizar una cámara climática.

Tanto las cámaras climáticas como las cámaras ambientales FDM implementan las mejores tecnologías y pueden programar los ciclos térmicos de forma autónoma gracias a la innovadora revoFACE.

Para más información no dude en contactarnos.

Ciclo térmico vs. choque térmico vs. ciclos automotrices

Los términos "ciclo térmico", "choque térmico" y "ciclos térmicos automotrices" no son sinónimos. Veamos las principales diferencias:

El ciclo térmico descrito en esta guía corresponde a la categoría genérica: transiciones programadas entre temperaturas altas y bajas con una rampa controlada, en una sola cámara. Las variantes (choque, automoción, ICH) especifican parámetros y estándares para fines concretos.

Preguntas frecuentes sobre el ciclo térmico

¿Cuántos ciclos térmicos se necesitan para una prueba estándar?

Depende de la norma. La norma IEC 60068-2-14 Nb suele requerir de 2 a 100 ciclos para aplicaciones de electrónica de consumo y general. La norma automotriz AEC-Q100 requiere 1000 ciclos. MIL-STD-810 Método 501/502 requiere de 3 a 10 ciclos con alta severidad. Para cualificaciones aeroespaciales según RTCA DO-160, se requieren de 20 a 100 ciclos. Este valor siempre debe ajustarse al perfil de misión del producto.

¿Cuál es la diferencia entre una rampa “lineal” y una rampa “de choque”?

La rampa lineal implica una transición controlada a velocidad constante (p. ej., 5 °C/min) entre las dos temperaturas de prueba, con un periodo de reposo intermedio. El perfil de choque (o cambio rápido) implica transiciones en pocos minutos o menos de 30 segundos (choque puro). La elección depende de la norma: IEC 60068-2-14 Nb utiliza rampas lineales, Na utiliza choques. La rampa influye drásticamente en la tensión mecánica inducida.

¿Es necesario controlar la humedad durante el ciclo térmico?

No siempre. El ciclo térmico "seco" solo afecta la temperatura —el caso de uso típico de una cámara termostática— y es suficiente para pruebas de expansión mecánica. El termohigrométrico (con humedad controlada) es necesario para pruebas de corrosión, penetración de humedad y deslaminación de encapsulados electrónicos. Normas como la IEC 60068-2-30 (ciclos de calor húmedo) y el método 507 de la MIL-STD-810 incorporan el control de la humedad al perfil térmico.

¿Puedo simular perfiles de uso reales (no sinusoidales)?

Sí, con cámaras equipadas con un programador avanzado (como el revoFACE FDM), se pueden cargar perfiles personalizados desde archivos CSV, replicar datos de telemetría reales recopilados en vehículos o sistemas y reproducir ciclos multietapa no lineales. Este de prueba de perfiles de misión tiene cada vez más demanda en las industrias automotriz, aeroespacial y de almacenamiento de energía (donde las pruebas se realizan en cámaras de prueba de baterías) para reducir el sobrediseño y correlacionar mejor los resultados de laboratorio con la vida útil real del producto.

Normas de referencia

• IEC 60068-2-14:2009 — Ensayos ambientales – Ensayo N: Cambio de temperatura. Incluye Na (rápido), Nb (lineal), Nc (rápido, dos baños líquidos).
• JEDEC JESD22-A104F — Ciclo de temperatura, estándar JEDEC para la calificación de circuitos integrados con 6 condiciones (A-T3) entre -65 °C y +150 °C.
• MIL-STD-810H Método 501/502 — Temperatura alta/baja para equipos militares, con 8 procedimientos para almacenamiento, operación y ciclos.
• ISO 16750-4:2023 — Vehículos de carretera – Cargas climáticas, referencia para el sector automotriz sobre el ciclo térmico en unidades de control electrónico y módulos electrónicos.
• AEC-Q100 Grado 0/1/2/3 : Prueba de ciclos de temperatura requerida para la calificación de circuitos integrados automotrices, con 1000 ciclos de Grado 1.
• Sección 5 de la norma RTCA DO-160G : Variación de temperatura para aviónica, perfil con rampas definidas por la altitud de operación.
• EN 50155:2017 — Aplicaciones ferroviarias – Equipos electrónicos, con clases de ciclo térmico T1-T3.

Fuentes autorizadas

• IEC – Comisión Electrotécnica Internacional. Organismo internacional de normalización electrotécnica, responsable de la serie de normas de ensayos ambientales IEC 60068.
• JEDEC Solid State Technology Association. Organización estadounidense que publica las normas de referencia JESD22 para semiconductores.
• El Consejo de Electrónica Automotriz (AEC)emite la norma AEC-Q100 para la calificación de circuitos integrados automotrices y exige que el ciclo térmico sea una prueba obligatoria.
• RTCA. Organización estadounidense que publica la norma DO-160 para aviónica, la referencia mundial en materia de cualificación ambiental aeroespacial.

Otras preguntas frecuentes sobre el ciclo térmico

¿Cómo se calcula la aceleración de un ciclo térmico en comparación con la vida real?

El modelo más utilizado es la ecuación modificada de Coffin-Manson para la fatiga termomecánica: N_f,prueba / N_f,campo = (ΔT_campo / ΔT_prueba)ⁿ × (f_campo / f_prueba)^m × exp[E_a/k × (1/T_max,campo – 1/T_max,prueba)] . Los exponentes típicos para soldaduras SnAgCu son n ≈ 1,9-2,5 y m ≈ 0,33. Para una _prueba ΔT de 165 °C (AEC-Q100 Grado 1) frente a un _campo ΔT de 60 °C (automotriz bajo el capó), se obtiene un factor de aceleración de 10-20x, por lo que 1000 ciclos AEC-Q100 corresponden a aproximadamente 15 años de vida del vehículo. La energía de activación típica E _a es de 0,5 a 0,7 eV para los mecanismos de fatiga térmica, mientras que es de 0,9 a 1,1 eV para la difusión de metales (electromigración combinada). Los fabricantes de equipos originales (OEM) generalmente requieren un factor de seguridad de 1,5 a 2x en el número de ciclos calculado.

¿Cuál es la diferencia entre un ciclo térmico de larga duración y uno de corta duración?

El tiempo de permanencia (tiempo transcurrido a la temperatura extrema) determina qué mecanismo de fallo predomina. Los tiempos de permanencia cortos (2-10 min) aceleran principalmente los mecanismos reversibles relacionados con la expansión elástica, útiles para las pruebas de fatiga de BGA y MLCC. Los tiempos de permanencia largos (30-60 min) permiten fenómenos de difusión y fluencia , relevantes para soldaduras, adhesivos e intermetálicos. La condición G de JEDEC JESD22-A104 prescribe un tiempo de permanencia de 10 min (típico para electrónica de consumo), mientras que para las pruebas aeroespaciales ESCC ECSS, se recomiendan 60-120 min para simular largos periodos en órbita a la sombra. Esta elección también afecta a la vida útil total: 1000 ciclos con un tiempo de permanencia de 10 min y transiciones de 5 min duran aproximadamente 500 horas; con un tiempo de permanencia de 30 min, esto se convierte en 1000-1500 horas. Los periodos de permanencia muy prolongados requieren una estabilidad a largo plazo de la cámara de ±0,5 °C, cuya repetibilidad se verifica mediante el mapeo IEC 60068-3-5.

¿Cómo combinar el ciclo térmico y la humedad en un perfil THB?

THB (Temperature Humidity Bias) es una prueba de calor y humedad con polarización eléctrica, generalmente según JEDEC JESD22-A101 (85 °C/85 % RH, 1000 horas) o IEC 60068-2-30 Db (ciclos de 24 h entre 25 °C con ≥ 95 % RH y 40 o 55 °C con 93 % RH). En la prueba JEDEC THB, la temperatura y la humedad permanecen constantes; en la prueba Db, la temperatura varía y se forma condensación en la muestra durante el aumento, con una humedad ≥ 95 %. La condensación + voltaje aplicado acelera la corrosión electroquímica, la electromigración de iones y la delaminación de la pasivación. Las cámaras THB deben controlar el "punto de rocío" sin congelar ni sobrecalentar los sensores de humedad: la humidificación se logra inyectando vapor ultrafiltrado, con sensores HMI capacitivos en puntos estratégicos no expuestos a la condensación directa. La tolerancia típica es de ± 2 °C/± 3 % RHse utilizaHAST a 130 °C/85 % RH en un autoclave presurizado.

¿Cuáles son las diferencias entre los perfiles de código 01, 02 y 03 de la norma ISO 16750-4?

El código ISO 16750-4 define tres niveles de severidad de carga térmica para automoción. Código 01 (habitáculo): de -40 °C a +85 °C para componentes en el habitáculo, 1000 ciclos típicos. Código 02 (compartimento del motor, no directamente sobre el motor): de -40 °C a +125 °C, 1000 ciclos, para ECU en el compartimento del motor sin contacto directo. Código 03 (sobre el motor): de -40 °C a +150 °C o +155 °C, para sensores y actuadores montados en el bloque del motor, 500-1000 ciclos. Los perfiles incluyen un tiempo de permanencia de 30 minutos en cada extremo, rampas de 1-3 °C/min y estabilización durante al menos el 50 % del tiempo de la cámara dedicado al régimen térmico. La correspondencia con AEC-Q100 es: Código 01 ≈ Grado 3/2, Código 02 ≈ Grado 1, Código 03 ≈ Grado 0. Las pruebas requieren cámaras ambientales con un rango de -50/+170 °C para tener margen en los puntos de ajuste y verificación posterior a la prueba de los parámetros eléctricos en el 100 % de las muestras.