IFM能力驗證球壓測試實踐

楊 斌 謝守元 李國建 石珊群

（德豐電創科技股份有限公司 東莞 523160）

引言

球壓試驗是對電工電子產品中聚合材料進行的一種重要的性能測試，它是通過測定材料在一定溫度下負重時的材料變形情況，來評定材料和部件耐非正常熱的能力的一種方法。該方法適用于電工電子設備、組件、部件、及陶瓷以外的固體電氣絕緣材料[1]。

對于國際認可實驗室，IECEE 及IEC/ISO 均要求實驗室根據相關計劃要求參加相應的國際能力驗證測試，而球壓測試就是常做項目之一；

能力驗證的球壓測試，是對國際能力驗證機構提供的標準樣品，按照規定標準和準則，利用實驗室的儀器設備、環境設施、檢測人員、規定方法，所進行的一種與常規操作一致的測試，旨在考核和確保認可實驗室對于日常標準測試的檢測能力和檢測質量。

1 球壓標準方法概要

球壓測試按照國際標準IEC 60695-10-2 進行，對應國家標準為GB/T 5169.21-2017《電工電子產品著火危險試驗 第21 部分：非正常熱 球壓試驗方法》；

能力驗證球壓測試的標準方法[2]，概括來說包括：適當的裝置、規定的樣品、確定的溫度、標準的程序、規范的表述等；

1）適當的裝置

負載：鋼球φ5±0.05 mm，重量（20±0.2）N；

支撐：保水平、有強度、保平滑、夠質量；

烘箱：波動、偏差合規，關門恢復5 min 內 → T±2 ℃，過沖≤5 ℃；

光學測量：光學倍率≥10，網格/測量臺0.1 mm，壓痕照明；

溫度測量：100 ℃內±2 K，100 ℃上±3 %，首選K型或J 型熱電偶。

2）規定的樣品

直徑44 mm，厚3.2 mm，共6 個；

分割后尺寸mm，至少10×10 或φ10。

3）確定的溫度

本次球壓指定測試溫度為160 ℃。

4）標準的程序

預處理：（15～35）℃，（45～75）%RH，24 h；

預處理之后，按照圖1 標準程序進行。

圖1 球壓測試標準程序流程圖

5）規范的表述

結果評估：壓痕直徑≤2.0 mm 則合格；

不確定度按要求表述。

2 球壓相關國際決議

與球壓測試相關的國際決議和準則，如圖2所示，包 括DSH2075-2017[3]、DSH0391D-2015[4]及od5014-2019[5]等相關決議。

圖2 球壓測試相關國際決議和準則

球壓測試DSH2075-2017 決議內容如圖3所示。

圖3 球壓測試DSH2075-2017 決議內容

球壓測試DSH0391D-2015 決議內容如圖4所示。

圖4 球壓測試DSH0391D-2015 決議內容

od5014-2019 是IECEE 關于儀器儀表精度限值規定的操作指引，如圖5所示，與球壓測試相關的各項指標參數對應的儀器儀表精度限值如下。

圖5 od-5014 對應球壓測試儀器精度限值要求

決議內容規定了烘箱可以無需強制對流，非圓壓痕長短差不應超過0.2 mm，熱電偶擺放位置等；對應儀器儀表的精度限值包括了溫度、時間、尺寸、質量、環境溫濕度要求等；

3 球壓測試操作實踐

本試驗的烘箱采用精密高溫箱，在設定溫度穩定之后的開門、放樣、關門、恢復過程中，其溫度控制表現如圖6所示。

圖6 烘箱開門關門溫度變化曲線

圖7 球壓測試壓痕尺寸d 的測量

標準要求：開門、放樣、壓球、關門等操作時間不超過30 s，關門后溫度恢復至T±2 ℃的時間不超過5 min，溫度過沖不超過5 ℃；實際操作中，相關溫度參數如表1。

表1 球壓測試烘箱關鍵時點溫度

取出樣品后，10 s 內將樣品放入（20±5）℃水中，浸沒（6±2）min，去除水跡并在3 min 內測定壓痕直徑。

4 壓痕測量與分析

高溫承重球壓壓痕過程完成之后，需要對樣品壓痕的程度進行測量。球壓壓痕一般包括以下幾種形式，如表2所示。對于壓痕測量，關鍵是要確定壓痕的邊界，而標準里明確給出了幾個要求：

表2 球壓壓痕形態表

1）壓痕邊界是指一端到另一端清晰邊界的最大距離，通常是指鋼球與壓痕的接觸切面；

2）排除任何向上的形變；

3）如果存在爭議，可以通過橫剖面來判斷；

4）可涂對比色以清晰化壓痕邊界；

5）可通過照明光線調整清晰化壓痕邊界。

5 測量不確定度評定

本次能力驗證球壓測試，要求提供測量不確定度評估，詳細過程依據IEC 指南GUIDE 115-2021《電工領域合格評定活動測量不確定度的應用》[6]進行，其主要過程包括：

1）顯著影響因素識別；

2）測量值單位量化轉換；

3）將過程不確定度合并為單一不確定度；

4）確定測量值的概率分布形態；

5）確定不確定度分量的相關性；

6）合并計算各分量不確定度；

7）考慮置信水平并計算擴展不確定度；

8）測量不確定度評定結果報告。

結合本項目實例，球壓測試的測量不確定度分量主要包含以下四點：

1）制樣重復性u1：指球壓樣品測試過程中，由預處理、儀器設備設定和確認、試驗溫度控制、球壓重物施加和保持、到最后取出樣品并入水冷卻的整個過程中，人員、設備和環境因素對樣品制樣重復性所造成的影響；

2）標準精密性u2：指球壓壓球的標準符合性，可通過計量校驗證書的計量結果來進行引用計算；

3）測量重復性u3：指測量人員使用測量儀器設備對標準球壓樣品壓痕進行多次測量的測量重復性；

4）測量儀器精度u4：指所使用的經過校驗的壓痕尺寸測量儀器的相關精度，可從計量證書中取得。

上述測量不確定度分量中，制樣重復性和測量重復性屬于A 類分量，可以通過多次重復測試計算得到；而標準精密性和測量儀器精度對應的不確定度分量，屬于B 類分量，可以通過計量證書取得。

A 類測量不確定度按照若干次測量過程的觀察進行計算，計算過程如下：

其相對測量不確定度ur為：

為便于簡化計算，文中靈敏系數均取1。

上述四種不確定度分量，即制樣重復性、標準精密性、測量重復性、和測量儀器精度，其不確定度分量分別以u1、u2、u3、u4表示，其相對不確定度分量則分別以u1r、u2r、u3r、u4r表示。

則各個相對測量不確定度分量計算如下：

可以看到各測量不確定度分量中，人為因素的兩個分量貢獻比較大，而儀器設備因素的兩個分量則貢獻相對較??；

合并相對標準不確定度ucr為：

取覆蓋因子k=2，置信水平95 %，則相對擴展不確定度為：u=ucr*k=3.33 %。

最后壓痕測量值表達式為：

Y=1.4（1±3.33 %）=1.4±0.05（mm），k=2，置信水平95 %。

6 結語

能力驗證測試是一項非常嚴謹、細致的工作，它體現了一個認可實驗室在相關領域的檢測能力[7]，本項目詳盡闡述了球壓測試能力驗證過程的各個關注重點和要點，整理總結了球壓測試壓痕測量的相關類別和注意事項，提出了對于球壓測量不確定度分量的特定分析和計算方法。

本項目為實際國際能力驗證項目，使用本文所述的系統和方法，經過實踐的檢驗，獲得了良好的實際應用效果，可以對實驗室進行球壓能力驗證實踐起到有效的參考和借鑒作用。