การทดสอบแรงดันต่ำสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์: ขั้นตอนและความล้มเหลวทั่วไป

การใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่ได้รับการทดสอบในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีแรงดันจะทำให้เกิดความเสี่ยงทางการเงินและความปลอดภัยอย่างรุนแรง การใช้งานเชิงพาณิชย์ด้านการบินและอวกาศ การป้องกันประเทศ และการบินบนที่สูงต้องอาศัยชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เฉพาะทางเชิงพาณิชย์ที่มีจำหน่ายทั่วไปเป็นหลัก เมื่อความดันบรรยากาศลดลงอย่างมาก ส่วนประกอบเหล่านี้ต้องเผชิญกับพฤติกรรมทางความร้อนที่คาดเดาไม่ได้ การสลายอิเล็กทริก และการเสียรูปทางกล การทำงานในอากาศบริสุทธิ์จะเปลี่ยนวิธีการทำงานของฮาร์ดแวร์โดยพื้นฐาน ทำให้การทดสอบระดับน้ำทะเลมาตรฐานไม่เพียงพอโดยสิ้นเชิง การทดสอบแรงดันต่ำที่เข้มงวดเป็นวิธีเดียวที่ตรวจสอบได้สำหรับการลดความเสี่ยง คุณต้องให้ส่วนประกอบต่างๆ สัมผัสกับสภาวะจำลองในพื้นที่สูงเพื่อระบุข้อบกพร่องด้านการออกแบบก่อนใช้งาน การดำเนินการตามขั้นตอนการทดสอบที่ได้มาตรฐานเหล่านี้จำเป็นต้องมีการสอบเทียบอย่างแม่นยำ ห้องทดสอบแรงดัน ต่ำ อุปกรณ์นี้ช่วยให้วิศวกรจำลองการทำงานสุดขั้วในโลกแห่งความเป็นจริงได้อย่างปลอดภัย ด้วยการควบคุมอัตราการลดแรงดันและรักษาสุญญากาศในสภาวะคงตัว ทีมทดสอบจึงสามารถรวบรวมข้อมูลความล้มเหลวที่ดำเนินการได้

• ความสามารถในการคาดการณ์ความล้มเหลว: สภาพแวดล้อมที่มีแรงดันต่ำจะเปลี่ยนการกระจายความร้อนและความเป็นฉนวนโดยพื้นฐาน ทำให้การทดสอบระดับน้ำทะเลมาตรฐานไม่เพียงพอสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในระดับความสูง

• การปฏิบัติตามข้อกำหนดไม่สามารถต่อรองได้: การยึดมั่นในมาตรฐาน เช่น MIL-STD-810 และ RTCA DO-160 จำเป็นต้องมีการควบคุมอัตราการลดแรงดันและการคงตัวในสถานะที่แม่นยำอย่างแม่นยำ

• สภาพแวดล้อมที่รวมกันมีความสำคัญ: ข้อมูลความล้มเหลวที่แม่นยำที่สุดมาจากการทดสอบแรงดันและอุณหภูมิพร้อมกัน โดยกำหนดการกำหนดค่าห้องเพาะเลี้ยงเฉพาะ

• การเลือกห้องทดสอบช่วยขับเคลื่อนความสมบูรณ์ของการทดสอบ: การประเมินห้องทดสอบแรงดันต่ำจำเป็นต้องพิจารณาอัตราการลงปั๊มอย่างละเอียด ประเภทของปั๊มสุญญากาศ กลไกด้านความปลอดภัย และความสามารถในการป้อนผ่านโหลดแบบเรียลไทม์ เพื่อให้มั่นใจว่าข้อมูลที่ถูกต้องและทำซ้ำได้

ความกดอากาศต่ำส่งผลต่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อย่างไร

ความท้าทายในการกระจายความร้อนในอากาศที่หายาก

ความหนาแน่นของอากาศจะลดลงเมื่อระดับความสูงเพิ่มขึ้น การลดลงนี้ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนแบบพาความร้อนของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ที่ระดับน้ำทะเล โมเลกุลอากาศหนาแน่นจะดูดซับและพาความร้อนออกไปจากวงจรที่ทำงานอยู่ ในสภาพแวดล้อมที่มีความดันต่ำ จะมีโมเลกุลของอากาศน้อยลงเพื่อช่วยให้การถ่ายเทความร้อนนี้ง่ายขึ้น ส่วนประกอบที่ทำงานอย่างปลอดภัยภายในขีดจำกัดความร้อนบนพื้นดินอาจประสบกับความร้อนที่เคลื่อนตัวอย่างรวดเร็วที่ระดับความสูง ไมโครโปรเซสเซอร์ ทรานซิสเตอร์กำลัง และอุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะสร้างความร้อนคงที่ หากไม่มีการพาความร้อนเพียงพอ ความร้อนนี้จะสะสมภายในบรรจุภัณฑ์ส่วนประกอบ

คุณต้องทำการทดสอบโหลดปัจจุบันเพื่อวัดอุณหภูมิการทำงานจริงในสุญญากาศ การเปิดเครื่องในระหว่างการทดสอบเผยให้เห็นว่าเกินขีดจำกัดความร้อนได้เร็วแค่ไหน วิศวกรมักค้นพบว่าเส้นทางระบายความร้อนด้วยการนำไฟฟ้าที่ออกแบบมาสำหรับการทำงานในระดับน้ำทะเลล้มเหลวภายใต้สภาวะระดับความสูงสูง ตัวอย่างเช่น ตัวแปลง DC-DC มาตรฐานที่มีพิกัด 50 วัตต์ที่ระดับน้ำทะเลอาจกระจายกระแสไฟได้อย่างปลอดภัยเพียง 20 วัตต์ที่ความสูง 40,000 ฟุตเท่านั้น เพื่อบรรเทาปัญหานี้ วิศวกรปฏิบัติตามขั้นตอนการลดพิกัดความร้อนเฉพาะ:

1. คำนวณการกระจายพลังงานสูงสุดของส่วนประกอบภายใต้โหลดเต็ม

2. กำหนดความต้านทานความร้อนของแพ็คเกจส่วนประกอบต่อสภาพแวดล้อมโดยรอบ

3. ใช้เส้นโค้งการลดพิกัดตามระดับความสูงเป้าหมายและอุณหภูมิแวดล้อมที่คาดหวัง

4. ออกแบบแผงระบายความร้อนหรือแผ่นทำความเย็นแบบนำไฟฟ้าเพื่อทดแทนความสามารถในการทำความเย็นแบบพาความร้อนที่สูญเสียไป

การพังทลายของอิเล็กทริกและการคายประจุโคโรนา (กฎของ Paschen)

กฎของปาสเชน กำหนดแรงดันพังทลายของก๊าซระหว่างแผ่นขนานโดยพิจารณาจากแรงดันและระยะห่างของช่องว่าง ความกดอากาศที่ต่ำลงจะช่วยลดคุณสมบัติการเป็นฉนวนของอากาศโดยรอบ เมื่อความดันบรรยากาศลดลง แรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นในการทำให้เกิดอาร์กไฟฟ้าจะลดลงอย่างมาก ปรากฏการณ์นี้ส่งผลโดยตรงต่อระยะห่างการติดตามแผงวงจรพิมพ์และส่วนประกอบไฟฟ้าแรงสูง

เมื่อความแรงของไดอิเล็กทริกของอากาศอ่อนลง จะเกิดอาร์คและการปล่อยโคโรนา การปล่อยโคโรนาจะปรากฏเป็นพลาสมาเรืองแสงรอบๆ ตัวนำ ทำให้เกิดไอออนในก๊าซที่อยู่รอบๆ ไอออนไนซ์นี้จะสร้างเส้นทางนำไฟฟ้าโดยที่ไม่ควรมีสิ่งใดอยู่ เหตุไฟฟ้าลัดวงจรร้ายแรงตามมาอย่างรวดเร็ว อุปกรณ์จ่ายไฟ เครื่องส่ง RF และหม้อแปลงไฟฟ้าแรงสูงต้องเผชิญกับความเสี่ยงสูงสุด การออกแบบสำหรับระดับความสูงจำเป็นต้องเพิ่มระยะห่างทางกายภาพระหว่างตัวนำ หรือใช้การเคลือบแบบพิเศษเพื่อป้องกันการเกิดประกายไฟ

ความเครียดทางกลและการประนีประนอมของซีลสุญญากาศ

ความดันบรรยากาศต่ำทำให้เกิดความแตกต่างของแรงดันระหว่างชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ปิดผนึกกับสภาพแวดล้อม ซึ่งอาจทำให้เกิดการเสียรูปของเคส ซีลเสียหาย หรือการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ แบตเตอรี่ ตัวเก็บประจุ และอุปกรณ์ MEMS อาจมีความไวเป็นพิเศษ การทดสอบระดับความสูงและการบีบอัดช่วยประเมินความสมบูรณ์ของโครงสร้างและความน่าเชื่อถือของส่วนประกอบภายใต้สภาวะแรงดันที่เปลี่ยนแปลง

ขั้นตอนการทดสอบแรงดันต่ำที่ได้มาตรฐาน

การปฏิบัติตาม MIL-STD-810 (วิธี 500.6)

MIL-STD-810 Method 500.6 ประเมินประสิทธิภาพของอุปกรณ์ภายใต้สภาวะแรงดันต่ำที่เกี่ยวข้องกับการจัดเก็บ การขนส่ง และการใช้งานในพื้นที่สูง ประกอบด้วยขั้นตอนการทดสอบสี่ขั้นตอน:

• ขั้นตอนที่ 1: การจัดเก็บด้วยแรงดันต่ำ

• ขั้นตอนที่ 2: การทำงานด้วยแรงดันต่ำ

• ขั้นตอนที่ 3: การบีบอัดอย่างรวดเร็ว

• ขั้นตอนที่ 4: การบีบอัดด้วยการระเบิด

การทดสอบเหล่านี้ช่วยประเมินการทำงานของอุปกรณ์ ความแข็งแรงของโครงสร้าง และความต้านทานแรงดันภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด

RTCA DO-160 (ส่วนที่ 4) สำหรับอุปกรณ์ทางอากาศ

RTCA DO-160 ส่วนที่ 4 กำหนดข้อกำหนดการทดสอบอุณหภูมิและระดับความสูงสำหรับอุปกรณ์ทางอากาศ เงื่อนไขการทดสอบจะแตกต่างกันไปตามสถานที่ติดตั้งเครื่องบินและสภาพแวดล้อมการปฏิบัติงาน การทดสอบระดับความสูงและการเปลี่ยนแปลงความดันในสภาวะคงที่ช่วยตรวจสอบได้ว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระบบการบินและอิเล็กทรอนิกส์จะรักษาประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ระหว่างการบิน

การบีบอัดอย่างรวดเร็วเทียบกับการทดสอบระดับความสูงในสภาวะคงที่

วิธีการทดสอบจะแตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับสถานการณ์จำลอง การทดสอบการบีบอัดอย่างรวดเร็วจะจำลองความล้มเหลวร้ายแรงของตัวเรือที่มีแรงดันของเครื่องบิน ความดันลดลงจากระดับความสูงมาตรฐานของห้องโดยสารไปจนถึงระดับความสูงภายนอกที่เกิดขึ้นจริงในหน่วยวินาที การทดสอบนี้ประเมินความสมบูรณ์ทางกลและความเสี่ยงจากการแตกร้าวจากการระเบิดเป็นหลัก การทดสอบระดับความสูงในสภาวะคงที่จะจำลองการสัมผัสกับสภาพแวดล้อมในระดับความสูงเป็นเวลานาน สิ่งนี้มุ่งเน้นไปที่การกระจายความร้อนและการสลายอิเล็กทริกเมื่อเวลาผ่านไป

การดำเนินการทดสอบการบีบอัดอย่างรวดเร็วอย่างแม่นยำต้องใช้ผู้เชี่ยวชาญเฉพาะทาง ห้องทดสอบแรงดัน ต่ำ ระบบจะต้องมีปั๊มสุญญากาศความจุสูงและวาล์วนิวแมติกที่ทำงานเร็ว อัตราการปั๊มลงจะต้องสอดคล้องกับกราฟเวลาที่แม่นยำซึ่งกำหนดโดยมาตรฐานการปฏิบัติตามข้อกำหนดอย่างเคร่งครัด ห้องระดับความสูงมาตรฐานที่ออกแบบมาสำหรับการทดสอบในสภาวะคงตัวเท่านั้นจะไม่เป็นไปตามอัตราแรงดันตกคร่อมที่รุนแรงซึ่งจำเป็นสำหรับโปรไฟล์การบีบอัดระเบิด

ข้อผิดพลาดทางอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปที่พบในการทดสอบแรงดันต่ำ

การปล่อยก๊าซของสารประกอบการเติมและพลาสติก

การปล่อยก๊าซเกิดขึ้นเมื่อกาว สารเคลือบ และพลาสติกปล่อยก๊าซที่ติดอยู่ภายใต้แรงดันต่ำ ไอระเหยเหล่านี้อาจปนเปื้อนพื้นผิวแสงหรือหน้าสัมผัสทางไฟฟ้า ซึ่งส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ การเลือกวัสดุที่มีก๊าซออกต่ำและอ้างอิงเกณฑ์ ASTM E595 เช่น TML ต่ำกว่า 1.0% และ CVCM ต่ำกว่า 0.1% ช่วยลดความเสี่ยงในการปนเปื้อน

การรั่วไหลและการแตกของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า

ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าอาจเกิดการเสียรูปของซีล การรั่วของอิเล็กโทรไลต์ หรือประสิทธิภาพการทำงานลดลงภายใต้ความดันบรรยากาศที่ลดลง สัญญาณเตือนทั่วไป ได้แก่ การนูน ความต้านทานอนุกรมสมมูล (ESR) เพิ่มขึ้น และความจุไฟฟ้าลดลง การใช้ตัวเก็บประจุโซลิดสเตตที่เหมาะสมหรือส่วนประกอบที่มีพิกัดความสูงสามารถปรับปรุงความน่าเชื่อถือในสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันต่ำได้

การแยกชั้นของ PCB และความล้าของข้อต่อประสาน

การแยกชั้นของ PCB อาจเกิดขึ้นเมื่อความชื้นหรือก๊าซที่กักขังขยายตัวภายใต้แรงดันต่ำ ซึ่งอาจสร้างความเสียหายให้กับชั้นภายในและการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิร่วมกันอาจเพิ่มความเมื่อยล้าของข้อต่อประสาน การควบคุมความชื้น การเลือกใช้วัสดุ และการจัดการความร้อนอย่างเหมาะสมจะช่วยป้องกันความเสียหายของโครงสร้างและรักษาประสิทธิภาพของวงจรที่เชื่อถือได้ในระหว่างการทดสอบระดับความสูง

วิธีการเลือกห้องทดสอบแรงดันต่ำ

ห้องความสูงกับอุณหภูมิ-ความสูง (สภาพแวดล้อมแบบรวม)

ห้องระดับความสูงจะจำลองความดันบรรยากาศที่ลดลง ในขณะที่ห้องระดับความสูงตามอุณหภูมิจะควบคุมทั้งความดันและอุณหภูมิ ระบบรวมสามารถจำลองสภาวะสุดขั้ว รวมถึงอุณหภูมิต่ำถึง −70°C ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของอุปกรณ์ เหมาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และชิ้นส่วนการบินและอวกาศที่ต้องการการทดสอบแรงดันต่ำและอุณหภูมิต่ำพร้อมกัน

ระบบปั๊มสุญญากาศ: ปั๊มใบพัดโรตารีกับปั๊มสโครลแห้ง

การเลือกปั๊มสุญญากาศส่งผลต่อประสิทธิภาพของห้องเพาะเลี้ยง การบำรุงรักษา และความเสี่ยงในการปนเปื้อน ปั๊มใบพัดโรตารีให้ประสิทธิภาพสุญญากาศที่เชื่อถือได้แต่ต้องมีการบำรุงรักษาน้ำมัน ในขณะที่ปั๊มแบบสโครลแห้งให้การทำงานแบบไร้น้ำมันและลดความเสี่ยงในการปนเปื้อน

การกำหนดขนาด การป้อนผ่าน และความสามารถในการทดสอบการโหลดแบบสด

ขนาดห้องขึ้นอยู่กับขนาดของอุปกรณ์ที่ทดสอบ (DUT) ระยะห่างที่จำเป็น และสภาพแวดล้อม การทดสอบโหลดปัจจุบันต้องมีการป้อนผ่านที่ปิดผนึกอย่างแน่นหนาสำหรับกำลัง เซ็นเซอร์อุณหภูมิ และการเชื่อมต่อข้อมูล ความจุห้องเพาะเลี้ยงที่เหมาะสมและการเลือกฟีดทรูช่วยรักษาความเสถียรของสุญญากาศและการวัดที่แม่นยำ

ระบบควบคุม การบันทึกข้อมูล และการรวม LIMS

ระบบควบคุมอัตโนมัติจัดการโปรไฟล์แรงดันและอุณหภูมิที่ตั้งโปรแกรมไว้ขณะบันทึกข้อมูลการทดสอบ ตัวควบคุมดิจิทัล การบันทึกข้อมูลที่ปลอดภัย และการบูรณาการระบบการจัดการข้อมูลห้องปฏิบัติการ (LIMS) รองรับบันทึกการทดสอบที่ตรวจสอบย้อนกลับได้ การตรวจสอบระยะไกล และการรายงานการปฏิบัติตามข้อกำหนดที่มีประสิทธิภาพ

กลไกความปลอดภัยและการบรรเทาอันตราย

ความปลอดภัยของห้องทดสอบแรงดันต่ำต้องมีการป้องกันแรงดันที่เหมาะสม การควบคุมการปิดเครื่องฉุกเฉิน และการป้องกันเฉพาะการใช้งาน การทดสอบแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรืออุปกรณ์อันตรายอื่นๆ อาจต้องมีการกักเก็บเสริม การระบายอากาศที่มีการควบคุม การตรวจสอบก๊าซ และการป้องกันอัคคีภัยที่เหมาะสม อินเตอร์ล็อคด้านความปลอดภัยที่เหมาะสมและการฝึกอบรมผู้ปฏิบัติงานช่วยลดความเสี่ยงของอุปกรณ์และบุคลากร

บทสรุป

• ตรวจสอบความสามารถในการทดสอบในปัจจุบันของคุณเพื่อระบุช่องว่างในกระบวนการตรวจสอบระดับความสูงของคุณ และรับรองว่าสอดคล้องกับ MIL-STD-810 หรือ DO-160

• ตรวจสอบข้อมูลความล้มเหลวของส่วนประกอบในอดีตเพื่อพิจารณาว่าสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันต่ำมีส่วนทำให้เกิดการส่งคืนของสนามหรือเหตุการณ์หนีความร้อนหรือไม่

• คำนวณปริมาตรภายในที่ต้องการและข้อกำหนดฟีดทรูตามขนาดทางกายภาพและข้อกำหนดด้านกำลังของผู้ทดสอบรายใหญ่ที่สุดของคุณ

• ปรึกษากับผู้ผลิตห้องเพาะเลี้ยงเพื่อระบุความจุของปั๊ม ข้อกำหนดด้านการทำความเย็นแบบคาสเคด และกลไกด้านความปลอดภัยที่ปรับแต่งให้เหมาะกับโปรไฟล์การทดสอบของคุณ

คำถามที่พบบ่อย

ถาม: ห้องทดสอบแรงดันต่ำคืออะไร

ตอบ: เป็นตู้พิเศษที่เชื่อมต่อกับระบบปั๊มสุญญากาศ วิศวกรใช้เพื่อจำลองสภาพแวดล้อมบนที่สูงหรือในอวกาศโดยการเอาอากาศออกและลดความดันบรรยากาศภายใน หลายรุ่นยังรวมถึงการควบคุมอุณหภูมิสำหรับการทดสอบด้านสิ่งแวดล้อมแบบผสมผสาน ช่วยให้ทีมสามารถจำลองความกดอากาศเย็นจัดและแรงดันต่ำที่พบในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ได้

ถาม: ความกดอากาศต่ำส่งผลต่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อย่างไร

ตอบ: แรงดันต่ำช่วยลดการพาความเย็น ส่งผลให้เกิดความร้อนสูงเกินไปอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ยังลดความเป็นฉนวนของอากาศ ทำให้เกิดอาร์คไฟฟ้าและการลัดวงจรข้ามร่องรอยของแผงวงจร สุดท้ายจะสร้างความเค้นเชิงกลอย่างรุนแรงบนส่วนประกอบที่ปิดผนึก เช่น ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ทำให้เกิดความล้าของซีล การรั่วไหลของของไหล หรือการแตกร้าวจากการระเบิด

ถาม: อะไรคือความแตกต่างระหว่างห้องระดับความสูงและห้องสุญญากาศ?

ตอบ: ห้องระดับความสูงจำลองสภาพแวดล้อมได้สูงถึง 200,000 ฟุต และมักจะมีการควบคุมอุณหภูมิและความชื้นสำหรับการทดสอบด้านการบินและอวกาศ ห้องสุญญากาศสูงเข้าถึงระดับสุญญากาศได้ลึกกว่ามากและใช้สำหรับการจำลองอวกาศ การปล่อยก๊าซออกของวัสดุ หรือการวิจัยทางฟิสิกส์เป็นหลัก ห้องระดับความสูงมุ่งเน้นไปที่การเปลี่ยนแปลงแรงดันอย่างรวดเร็ว ในขณะที่ห้องสุญญากาศมุ่งเน้นไปที่ความลึกสูงสุด

ถาม: เหตุใดการทดสอบโหลดจริงจึงมีความสำคัญในห้องทดสอบแรงดันต่ำ

ตอบ: การเปิดเครื่องอุปกรณ์ในระหว่างการทดสอบเป็นวิธีเดียวที่จะสังเกตการหนีความร้อนและการคายประจุโคโรนา ความล้มเหลวเหล่านี้เกิดขึ้นเมื่อวงจรทำงานและสร้างความร้อนหรือแรงดันไฟฟ้าเท่านั้น การทดสอบการจัดเก็บแบบไม่มีกำลังไฟไม่สามารถระบุข้อบกพร่องในการปฏิบัติงานที่เกิดจากอากาศบริสุทธิ์ได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการทดสอบโหลดจริงเพื่อคุณสมบัติที่แม่นยำ

ถาม: คุณจะป้องกันความร้อนสูงเกินไปในระหว่างการทดสอบแรงดันต่ำได้อย่างไร

ตอบ: เนื่องจากการระบายความร้อนแบบพาความร้อนล้มเหลวในสุญญากาศ คุณจึงต้องอาศัยการนำไฟฟ้า วิศวกรติดตั้งอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานบนแผ่นเย็นที่ระบายความร้อนด้วยของเหลวหรืออุปกรณ์ระบายความร้อนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าภายในห้องเพาะเลี้ยง การตั้งค่านี้จะจำลองแผงระบายความร้อนในโลกแห่งความเป็นจริงที่ใช้ในเครื่องบินจริงอย่างแม่นยำ ป้องกันความล้มเหลวที่ผิดพลาดที่เกิดจากสภาพแวดล้อมสุญญากาศเทียม