在产品可靠性验证中，单一应力测试难以模拟真实使用场景——设备可能在高低温交替中遭遇运输颠簸、跌落等机械冲击。综合应力试验中，机械冲击与温度循环的联合测试通过复现多应力叠加环境，能更精准暴露产品潜在失效模式，是航空航天、汽车电子等领域的核心验证手段。本文围绕该联合测试的关键环节，梳理科学可行的实施方案。

测试目标与标准体系的前置确认

联合测试的第一步是明确核心目标：需评估产品在温度循环与机械冲击叠加下的哪些性能？是电子元器件的 solder joint 可靠性、结构件的疲劳寿命，还是连接器的接触稳定性？目标不同，后续试验参数与评估指标会有本质差异——例如针对汽车 ECU，目标可能是“-40℃~125℃温度循环下，承受1000g半正弦冲击后的电路通断性”；针对航空传感器，目标可能是“温度循环100次后，冲击导致的输出误差变化率”。

例如某航天继电器的联合测试目标，需评估“在-55℃~125℃温度循环100次后，承受2000g冲击的触点接触电阻变化”，这一目标直接决定了后续温度循环的次数（100次）、冲击的加速度（2000g），以及评估指标（接触电阻变化率≤10%）。若目标不明确，可能出现“循环次数过多导致试验周期过长”或“冲击加速度不足无法暴露失效”的问题。

同时，需锚定行业标准体系：军工领域参考GJB 150《军用设备环境试验方法》中“温度循环”（GJB 150.3）与“机械冲击”（GJB 150.18）的联合要求；消费电子可依据IPC-9701《表面安装器件的温度循环测试方法》结合IEC 60068-2-27《机械冲击试验》；汽车行业则需符合ISO 16750《道路车辆 电气及电子设备的环境条件和试验》中的多应力叠加条款。标准是试验的“法律依据”，需避免参数设计偏离行业共识。

试验设备的选型与兼容性验证

联合测试对设备的核心要求是“多应力同步施加”，需确保温度循环与机械冲击的设备能无缝联动。首先是温度循环设备：需选择带“冲击台接口”的高低温箱，其内部容积需容纳冲击台的台面（或试样夹具），且温度均匀性≤±2℃（符合GJB 150要求），升温/降温速率需满足试验剖面（如5℃/min或10℃/min）。例如某型号高低温箱，内部尺寸1000mm×800mm×600mm，可兼容500kg负载的冲击台台面，能实现-70℃~150℃的温度范围。

其次是机械冲击设备：需选择“桌面式”或“落地式”冲击台，其台面需能伸入温度箱内部，且冲击方向（如Z轴垂直冲击或X/Y轴水平冲击）需与试样的真实受力方向一致。冲击台的最大加速度、脉冲 duration、负载能力需匹配试验要求——例如针对小型电子模块，选择最大加速度2000g、脉冲宽度0.5ms的电磁式冲击台；针对大型结构件，选择液压式冲击台（最大负载1000kg）。

最后是设备兼容性验证：需测试“温度循环中施加冲击”时的系统稳定性——例如在-40℃环境下施加1000g冲击，需确认温度箱的门密封未因冲击变形导致温度泄漏，冲击台的控制系统未因低温出现信号延迟。可通过“空载试运行”验证：先运行温度循环至目标温度（如-40℃），再触发冲击台完成10次冲击，监测温度箱内的温度波动（需≤±3℃）与冲击台的脉冲波形（需符合半正弦/梯形波要求）。

温度-冲击协同的应力剖面设计

应力剖面是联合测试的“核心脚本”，需模拟产品的真实使用场景。首先确定温度循环参数：依据产品寿命周期中的温度环境，例如汽车电子在东北冬季的启动温度（-30℃）与夏季暴晒温度（85℃），可设计温度范围为-30℃~85℃，循环次数50次，升降温速率5℃/min，高温停留时间30min，低温停留时间30min。

然后确定机械冲击参数：依据产品的运输/使用中的冲击场景，例如快递运输中的跌落冲击（约500g，0.8ms脉冲），或汽车过减速带的冲击（约100g，2ms脉冲）。需明确冲击的施加时机：是在“温度极值点”（如-30℃低温停留30min后）还是“升降温过程中”（如从25℃降至-30℃的中途，温度为-10℃时）？——研究表明，在温度极值点施加冲击，更易暴露材料的热应力与机械应力叠加失效（如塑料外壳的脆裂、 solder joint 的开裂）；而在升降温过程中施加冲击，更易暴露动态热变形与机械冲击的耦合失效（如连接器的插拔力变化）。

需注意应力剖面的“累加效应”——例如温度循环100次后，材料的疲劳损伤已经积累，此时施加冲击更易导致失效。因此，冲击的施加次数需随着循环次数增加而减少，或加速度随着循环次数增加而降低，模拟产品“老化后对冲击的抵抗能力下降”的真实情况。

最后是剖面的协同：例如某汽车ECU的联合剖面设计为：① 温度从25℃升至85℃（5℃/min），停留30min；② 施加Z轴方向100g、1ms梯形波冲击，共5次；③ 温度从85℃降至-30℃（5℃/min），停留30min；④ 施加Z轴方向500g、0.8ms半正弦冲击，共3次；⑤ 重复①-④至50次循环。需注意：冲击的施加需在温度稳定后（如停留30min后），避免升降温过程中的温度波动影响冲击效果的重复性。

试样的标准化准备与安装

试样准备需满足“统计有效性”与“状态一致性”：首先是试样数量，依据可靠性统计要求，需至少准备5个试样（若采用 Weibull 分布分析，需≥10个），确保试验结果的置信度（如90%置信水平）。其次是试样状态：需保持“出厂原始状态”（未经过其他应力测试），或依据产品规范进行预处理（如焊接后的回流焊处理）——例如测试PCB的 solder joint 可靠性，试样需经过260℃回流焊（符合IPC-J-STD-001），并在室温下放置24h后再进行试验。

对于有防水要求的产品（如户外传感器），需在安装时保持密封状态（如安装防水胶圈），避免温度循环中的水汽进入试样内部，影响试验结果。可通过“防水测试”验证：将试样浸入水中1h，压力0.1MPa，确保无渗水后再进行试验。

试样安装需确保“受力一致性”：首先是夹具设计，需采用与产品真实安装方式一致的夹具（如汽车ECU的金属支架、航空传感器的螺纹固定），避免因夹具不当引入额外应力（如夹具过紧导致PCB变形）。其次是安装位置：需将试样固定在冲击台的“台面中心”（冲击加速度均匀区），避免边缘位置的加速度衰减（如台面边缘的加速度可能比中心低20%）。最后是导线/电缆的处理：需使用“柔性导线”（如硅胶线）连接试样与测试设备（如热电偶、电压测试仪），避免导线因冲击或温度变化拉扯试样，影响试验结果。

可通过“安装验证”确认：将试样安装后，施加一次小加速度冲击（如50g），用高速摄像机拍摄试样的位移（需≤0.1mm），或用应变片监测试样的应变（需≤设计许用应变的10%），确保安装牢固且无额外应力。

分层执行的测试流程规划

联合测试的流程需“分层递进”，确保每一步的结果可追溯。第一步是试样预处理：将试样置于室温（25℃±5℃）、湿度（45%±10%RH）环境下放置24h，消除运输或存储带来的环境应力。第二步是初始性能检测：测试试样的 baseline 参数——例如电子模块需测输入输出电压（±0.1V以内）、电阻值（±1%以内）；结构件需测尺寸公差（±0.05mm以内）、硬度（±2HRC以内）。需记录每个试样的初始值，作为后续对比的基准。

第三步是应力施加：按照设计的应力剖面执行温度循环与冲击——例如运行温度循环至第10次循环的低温极值点（-30℃），触发冲击台施加5次1000g冲击；运行至第20次循环的高温极值点（85℃），施加3次500g冲击。需实时监测试样的状态：用热电偶监测试样的表面温度（需与温度箱内的温度差≤±2℃），用加速度传感器监测试样的实际承受加速度（需与冲击台设定值差≤±5%）。

第四步是中间性能检测：每完成10次温度循环，暂停试验，将试样取出置于室温环境下恢复2h（消除热应力），然后测试性能参数——例如电子模块需测电压/电阻的变化率（需≤5%）；结构件需测应变（需≤设计值的20%）。若某试样的参数超过阈值，需标记为“失效”，并记录失效发生时的应力条件（如第15次循环、-30℃下施加冲击后）。

对于需要长时间试验的项目（如100次温度循环，每次循环2h，共200h），需设置“自动值守”功能——例如设备的控制系统可在试验完成后自动停止，或在出现异常时发送报警短信给试验人员。避免因人员疏忽导致试验中断或试样损坏。

第五步是最终性能检测：完成所有应力剖面后，对未失效的试样进行全面检测——例如电子模块需做X射线检测（查看solder joint 的开裂情况）、振动测试（验证剩余寿命）；结构件需做金相分析（查看内部裂纹）、强度测试（验证剩余强度）。需将最终结果与初始值对比，计算性能退化率（如solder joint 的开裂率≤10%为合格）。

全链条的数据采集与失效根因分析

数据采集需覆盖“应力参数”与“性能参数”：首先是应力参数采集，用温度传感器（热电偶或RTD）监测试样表面温度（采样率1Hz），用加速度传感器（压电式或应变式）监测试样的冲击加速度（采样率10kHz），用数据采集仪（如NI cDAQ）记录这些参数，生成“温度-时间”“加速度-时间”曲线。其次是性能参数采集，用数字万用表（如Fluke 8846A）测试电压/电阻（采样率1次/循环），用影像测量仪（如Keyence IM-7000）测试结构件的尺寸（采样率1次/10循环），用X射线检测仪（如YXLON FF20）检测solder joint 的内部状态（采样率1次/20循环）。

失效根因分析需结合“应力数据”与“性能数据”：例如某电子模块在第15次循环的-30℃冲击后出现电压异常，首先查看应力数据——冲击时的加速度为1050g（超过设定值5%），试样表面温度为-32℃（符合要求）；然后查看性能数据——电阻值从初始的100Ω升至150Ω（变化率50%）；再通过X射线检测发现solder joint 出现2mm开裂。结合材料特性分析：solder joint 的Sn-Pb合金在-30℃时的脆性增加，加上1050g冲击的机械应力，导致 solder joint 开裂，进而引起电阻增大。

可采用“失效模式与影响分析（FMEA）”梳理根因：首先列出失效模式（solder joint 开裂），然后分析失效原因（低温脆性+机械冲击），再评估失效影响（电路通断异常），最后提出改进措施（改用无铅 solder 合金，提高低温韧性）。需确保分析结果能直接指导产品设计优化——例如若结构件在高温冲击下出现变形，可改进材料（改用耐高温塑料PA66+30%玻纤）或增加加强筋。

试验中异常情况的实时处理机制

联合测试中可能出现多种异常：设备异常（如温度箱的压缩机故障导致温度无法下降）、试样异常（如试样突然冒烟、导线断裂）、数据异常（如加速度传感器信号丢失）。需建立“分级处理机制”：

一级异常（设备报警）：若温度箱的温度超过设定值±5℃，或冲击台的脉冲波形偏离要求±10%，需立即暂停试验，检查设备——例如温度箱温度过高，可能是冷凝器堵塞，需清理冷凝器；冲击台波形异常，可能是传感器松动，需重新固定传感器。处理完成后，需重新运行最近一次的应力循环（如第5次循环），确保试验的连续性。

二级异常（试样异常）：若试样出现冒烟、开裂等明显失效，需立即停止该试样的试验，记录失效时的应力条件（温度、冲击参数、循环次数），并将试样保留用于后续分析。其他试样可继续试验，但需检查安装是否牢固（避免连锁失效）。

三级异常（数据异常）：若数据采集仪显示传感器信号丢失，需暂停试验，检查传感器的连接（如热电偶是否脱落、加速度传感器的导线是否断裂）。重新连接后，需重新施加一次小加速度冲击（如50g）验证信号是否恢复，恢复后继续试验，并补录丢失的数据（若无法补录，需在报告中说明）。

需注意：所有异常情况都需记录在“试验日志”中，包括异常发生时间、现象、处理措施、结果，确保试验的可追溯性。例如某试验中，第8次循环时温度箱的温度突然升至-20℃（设定值-30℃），处理措施是清理冷凝器，耗时2h，处理后重新运行第8次循环，温度恢复至-30℃，冲击正常施加。这些记录需写入最终试验报告，作为结果有效性的依据。