温度サイクル試験・熱衝撃試験（JIS C 60068-2-14）の指定——Na・Nb・Nc の選び方とさらし時間

「温度サイクル試験」と「熱衝撃試験」は、JIS では同じ規格の中の別の試験

現場では、ゆっくり温度を上げ下げする試験を温度サイクル試験、低温と高温の間を一気に移す試験を熱衝撃試験と呼び分けることが多い。JIS C 60068-2-14 では、どちらも「温度変化試験」の中の試験記号で区別されている。試験 Na は規定の時間で供試品を移し換える温度急変試験で、二つの試験槽を使う二槽式と、一つの槽で急激に温度を変える一槽式のどちらでもよい。規格は、可動ケージで供試品を自動で移す装置を「移動式熱衝撃試験装置」、ダンパーで高温槽と低温槽の空気を切り替える装置を「ダンパー式熱衝撃試験装置」と呼んで、試験 Na でよく使われると書いている^[1]。試験 Nb は温度変化率を決めて槽内の温度を上げ下げする定速温度変化試験、試験 Nc は液体を満たした二つの槽に交互に浸す二液槽温度急変試験である^[1]。

仕入先から「熱衝撃試験に合格」と言われたら、まず Na なのか Nc なのか、Na なら二槽式か一槽式かを確かめる。名前が同じでも、空気で温度を変えるか液体で変えるかで、部品の表面の温度の変わり方は大きく違う。規格も、液体が動いている場合は供試品の表面の温度変化率が非常に大きくなり、静止した空気の場合は非常に小さくなる、と注意している^[1]。

Na・Nb・Nc の違いと、指定しないと何になるか

次の表は、JIS C 60068-2-14:2025 の箇条 7〜9 から、三つの試験の違いと、製品規格に規定がない場合に使われる値をまとめたものである^[1]。

低温と高温は、Na も Nb も製品規格で規定しなければならないとされる。Na では規定がない場合に低温試験（JIS C 60068-2-1）と高温試験（JIS C 60068-2-2）の試験温度から選び、Nb ではこの二つの規格の試験温度から選ぶことが望ましいとされている^[1]。低温試験の規格が挙げる試験温度は −65℃、−55℃、−50℃、−40℃、−33℃、−25℃、−20℃、−10℃、−5℃、+5℃で^[2]、高温試験の規格は +30℃から +1,000℃までの温度を並べている（85℃、125℃などを含む）^[3]。仕様書の温度を中途半端な値にすると、試験所によっては設定の実績がなく、見積や日程に響くことがある。特別な理由がなければ、この一覧から選んでおくと話が早い。

温度変化率の 25 K/min までの例について、規格は 15 K/min を超えると厳しい試験条件になる可能性がある、と注記している^[1]。「速く変えるほど早く結果が出る」と考えて変化率だけを上げると、実際の使い方では起きない壊れ方を見ることになりかねない。

どの試験記号を選ぶか：目的で決める

規格の 5.4 は、選び方を目的で示している。規定サイクル数の温度急変の後に電気的性能を評価する場合、機構部品とその材料・材料の組合せが温度急変に耐えるかを評価する場合、部品の構造が人為的な環境ストレスに耐えるかを評価する場合は、Na か Nc を選ぶ。温度変化の結果として電気的性能や機械的性能を評価する場合は Nb を選ぶ^[1]。Nb は試験中に供試品の性能を監視することが望ましいとされており、温度が動いている間に誤動作しないかを見たいときの試験である^[1]。

同じ 5.4 には、見落とされやすい一文がある。この規格群の温度変化試験は、低温と高温で動作させたときの材料の諸定数の差や電気的性能を評価するためのものではない、という但し書きである^[1]。「−40℃でも 85℃でも規定の精度で測れること」を確かめたいなら、それは低温試験・高温試験で動作させて確かめる事柄で、温度変化試験の合格では代わりにならない。

温度は「槽の設定」ではなく「部品の温度」で確かめる

試験の失敗でいちばん多いのは、槽は設定温度になっていても、部品の中が届いていないことである。規格は、温度が安定した状態を、供試品と試験媒体との温度差が 5 K 以内になった場合（又は製品規格に記載した温度差）と定義し、各試験温度のさらし時間は、この安定までの時間より長くしなければならないとしている^[1]。温度の測定には、供試品の代表的な 1 点（又は数点）を使ってよい^[1]。

附属書 A と附属書 B は、その理由を説明している。大きい供試品や熱伝導率の低い供試品の内部では、温度の上がり下がりが、設定した温度の振れ幅よりかなり小さい振幅の正弦波に近い変化になり、加速のつもりの試験で意図したピーク温度に届かない可能性がある。熱伝導率の低いプラスチックの円筒形の供試品では、中心の温度がそろわないことも挙げている^[1]。熱容量が大きくてさらし時間内に安定しない場合は、温度差を広げて一時的に厳しさを上げてよいとされているが、その温度は試験報告書に記載する^[1]。

ここから、仕様書には次の三つを書いておくとよい（当方の提案）。どこに熱電対を付けて部品の温度を見るか、何 K 以内を安定とみなすか、試験の前に安定までの時間を実測してさらし時間を決めるか、である。とくに放熱板付きの電源やモーターのような重い部品で 10 分のさらし時間を求めると、部品の中は設定の温度に一度も届かないまま「合格」になりうる。規格も、10 分のさらし時間は大きな時間の遅れがなく温度が安定する小さな供試品によく使われる、と注記している^[1]。

移し換え時間と結露

二槽式の Na では、一方の槽から取り出し、室温の中を移し、他方の槽に入れるまでの時間を移し換え時間とし、3 分以下が望ましいとされる。大きい供試品で 3 分にできない場合は、供試品の温度が安定するまでの時間の 5% 以下まで延ばしてよい^[1]。もう一つの注意は結露である。低温から高温へ移すときや室内の空気にさらすときに、供試品の温度が露点を下回って結露することがあり、規格は加熱段階の除湿や圧縮空気乾燥機で防げるとしている^[1]。基板や端子が露出した部品では、結露の有無で結果が変わる。結露させない条件で試験するのか、結露も含めて評価するのかを決めて書く。

Nb の温度の許容差は、温度差と変化率から計算する

Nb では、温度が動いている間の槽内の温度の許容差を製品規格で規定する。規定がない場合は、温度差に 0.075 を掛けた値と、温度変化率に 1 分を掛けた値の大きいほうを使う^[1]。規格の附属書 C の例では、低温 −55℃・高温 85℃・変化率 3 K/min のとき、温度差 140 K × 0.075 = ±10.5 K が、3 K/min × 1 分 = ±3 K より大きいので、許容差は ±10.5 K になる^[1]。仕入先の試験成績書に、温度の記録グラフが付いていれば、この許容差の中に入っているかを見られる。

Nb で試験中に機能を点検する場合、規定がなければ、温度が一定の期間（さらし時間の 90% の範囲）に行うことが望ましいとされる。供試品を連続して動かすと、冷却中に内部の温度がそろわなくなる可能性があるためである^[1]。発熱する部品なら、通電の有無と点検のタイミングも仕様書で決める。

Nc（液槽）は、水が入ってよい部品にしか使えない

Nc は厳しい熱衝撃を与える試験で、ガラスと金属の封止などに適用できるとされる^[1]。一方で規格は、水を試験媒体にすると供試品に水が浸入して性能や特性を悪くすることがあるので、密封した供試品か水の影響を受けにくい供試品に限るのが望ましいとし、水の影響を受けやすい供試品は水以外の液体を規定するよう求めている。また、Nc を封止（気密性）試験 Q の代わりに使わない方がよい、とも書いている^[1]。Nc は浸せき中に供試品を動作させてはならず、試験に使う液体は、供試品の材料や表面処理に影響を与えないものでなければならない^[1]。

試験後の扱いにも注意がいる。規格は、試験完了後に供試品を長時間高温試験温度にさらしたままにすると、予期せぬ損傷を与える可能性がある温度保存とみなされることがある、と注記している^[1]。夜間や休日をまたいで槽に入れっぱなしにした試料は、温度変化試験の結果として扱えるかを試験所と確かめる。

何を壊したいのか：はんだ接合部の熱疲労

電子機器で温度変化試験を求める理由の多くは、はんだ接合部の割れである。福島県ハイテクプラザの研究概要は、温度サイクルにさらされる電子機器で最も典型的な不良現象は、熱膨張・熱収縮による熱応力をきっかけとしたはんだ接合部の熱疲労破壊であり、はんだの形状は個体差が大きく寿命への影響も大きいため、実験で評価するには多くのサンプルと長い時間を要する、としている^[4]。少ない台数の合格だけで判断できない理由はここにある。何台を試して何件の不具合なら何が言えるかは、試作 N 台で不具合 0 件なら不良率は何%以下かの記事で扱った。

温度の履歴が寿命を変えることも報告されている。実装学会誌の論文は、車載用の半導体パッケージで高温でのはんだ接合部の疲労寿命の低下が大きな問題になっているとし、高温保持の後のはんだ接合部の疲労寿命の低下を、保持時間と保持温度から定量的に推定する手法を示している^[5]。高温で長く置かれる使い方の部品なら、高温試験と温度変化試験をどちらから行うかで結果が変わりうる。規格も、温度変化試験は一連の試験の一部として行うのが望ましく、損傷の種類によっては温度変化試験の最終測定には現れず、続けて行う試験で初めて現れることがある、とし、続ける試験の例に封止試験・正弦波振動試験・温湿度サイクル試験などを挙げている^[1]。振動試験を続けるなら、条件の決め方は振動・衝撃試験を仕様に入れるときの記事を参照してほしい。

規格は、使用環境での厳しい温度変化の回数を指定期間内で多くすることで試験が加速される、と書く一方で^[1]、サイクル数を使用年数に置き換える式は示していない。「100 サイクルは 10 年相当」といった換算は、製品と壊れ方ごとに根拠を持って決めるもので、規格の要求ではない。仕入先が換算を出してきたら、その根拠（どの故障の仕組みのどの式か）を確かめる。

仕様書の書き方の例

決まった様式があるわけではない。発注する側として書いておきたい内容を、一つの例にまとめる。

「試験：JIS C 60068-2-14:2025 試験 Na（二槽式）。低温 −40℃、高温 +85℃、さらし時間 各 30 分（供試品の指定測定点が槽温度との差 5 K 以内に安定することを事前に確認し、安定しない場合は協議）、移し換え時間 3 分以下、500 サイクル。供試品は非通電・結露させない条件。初期測定と最終測定は外観、指定の電気特性、はんだ接合部の断面観察（指定の 2 か所）。試験報告書には JIS C 60068-2-14 の箇条 10 の項目と、温度測定点の位置・記録を含めること。条件の変更は事前承認とする。」

サイクル数を量産後に引き上げ、以前の条件で合格していたロットを不合格扱いにすると、受領の拒否ややり直しの問題になりうる。条件は発注の前に決めておき、変えるなら適用を始める発注と費用を先に取り決める。

試験報告書で確かめること

規格の箇条 10 は、試験報告書に少なくとも記載する項目として、試験の種類（Na・Nb・Nc）と規格の発行年、供試品の詳細、試験設定（取付け・支持・測定点・試験媒体）、初期・中間・最終の測定、要求された厳しさ、実施した試験の厳しさ（前処理・試験温度・さらし時間など）、供試品の性能、試験中の観察事項と処置、試験結果を挙げている^[1]。受け取ったら次の順で見る。

1. 試験記号と規格の年
Na・Nb・Nc のどれで、2025 年版か旧版か。旧版で行った結果を受けるなら、そのことを承知のうえで受ける。

2. 要求した厳しさと実施した厳しさ
両方が書かれ、一致しているか。温度差を一時的に広げた場合は、その温度が書かれているか。

3. 温度測定点と記録
部品のどこで温度を測り、安定の条件を満たしたか。Nb なら許容差に入っているか。

4. 最終測定と合否
何を測り、何を基準に合否を判定したか。基準が仕様書と同じか。

よくある質問

「熱衝撃試験」と書かれた成績書は、Na と Nc のどちらですか

成績書の試験記号を見る。規格は空気中で急変させる試験 Na と、液槽に浸す試験 Nc を別の試験として定めており^[1]、表面の温度の変わり方が大きく違う。記号が書かれていなければ、装置の種類と媒体を問い合わせる。

さらし時間を短くして、サイクル数を増やしてもよいですか

部品の温度が安定する前に次の温度へ移ると、設定した温度差が部品に加わらない^[1]。短くするなら、指定の測定点で安定を確認できる時間までにとどめる。

防水の部品に Nc を使ってもよいですか

密封した供試品か水の影響を受けにくい供試品に限るのが望ましいとされ、Nc を封止試験の代わりに使わない方がよいともされている^[1]。防水性は温度変化試験の後に別の試験で確かめる。保護等級の指定はIP 等級を買う部品に指定するときの記事で扱った。

まとめ

温度サイクル試験・熱衝撃試験は JIS C 60068-2-14:2025 の試験 Na・Nb・Nc で、厳しさは低温・高温・さらし時間・移し換え時間又は温度変化率・サイクル数で決まる。書かなければ、さらし時間は 3 時間、サイクル数は Na で 5、Nb で 2、Nc で 10 になる。温度は槽の設定ではなく部品の測定点で安定を確かめ、Nc は水が入ってよい部品に限る。温度変化試験は低温・高温で動作させたときの性能を確かめる試験の代わりにはならない。サイクル数の年数への換算は規格の要求ではないので、根拠を確かめる。

同じ束では、耐候性試験、EMC 試験、落下試験、包装貨物の輸送試験の指定も扱う。

出典・参考資料

1. JIS C 60068-2-14:2025 環境試験方法－電気・電子－第 2-14 部：温度変化試験方法（試験記号：N）（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2025 年 8 月 20 日改正）
2. JIS C 60068-2-1:2010 環境試験方法－電気・電子－第 2-1 部：低温（耐寒性）試験方法（試験記号：A）（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2010 年 2 月 22 日改正）
3. JIS C 60068-2-2:2010 環境試験方法－電気・電子－第 2-2 部：高温（耐熱性）試験方法（試験記号：B）（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2010 年 2 月 22 日改正）
4. 工藤弘行・矢内誠人「CAE を用いたプリント基板上のはんだクラックの解析」令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究概要集（福島県ハイテクプラザ）
5. 河野賢哉ほか「高温劣化を考慮したはんだ接合部の疲労寿命予測手法」エレクトロニクス実装学会誌 17 巻 2 号（エレクトロニクス実装学会／2014 年）

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