Чому електроніка має низьку межу температури?

Окрім конденсату, чому електронні компоненти зазвичай мають низьку межу температури? Наприклад, мій ноутбук говорить щось від температури від -10 ° C до 75 ° C під час використання.

Я можу зрозуміти високу межу температури, оскільки, напевно, речі тануть!

Але чому холод такий поганий?

Окрім акумуляторів, які компоненти будуть надзвичайно холодно пошкоджені, і як?

Чи вдасться скористатись цим збільшення шкоди?

Чи зможе використання обладнання компенсувати цю шкоду (оскільки вони зігріваються від використання)?

Також я говорю про екстремальні температури нижче -50 ° C, тому конденсація все ще є проблемою?

Примітка: я не зберігаю його, щоб він не був дублікатом іншого питання.

Примітка 2: Я не говорю про напівпровідники, а взагалі кажучи.

Я колись сконструював підсилювач, який коливатиметься при -10 ° C. Я виправив це, змінивши дизайн, щоб додати більше фазового запасу. У цьому випадку коливання не спричинило жодної шкоди, але схема не спрацювала добре в цьому стані, і це спричинило помилки. Ці помилки відпадали при більш високих температурах.

Деякі пластмаси тріскаються, коли вони замерзають. Сухий лід -78,5 ° C, і я зламав багато пластику сухим льодом. Наприклад, я знищив ідеально хороший крижаний комод, який тріснув на дрібні шматочки в тому місці, де в ньому був шматочок сухого льоду.

У конструкціях на поверхневому монтажі диференціальний температурний коефіцієнт розширення між платою, припаяною до деталей, і друкованою платою може спричинити великі напруги. Співвідношення напруження-деформація-температура часто ледве працює в заданому діапазоні температур. Коли обладнання включено, гарячі компоненти можуть змінити форму і зламати крихкий пластик, як у моїх старих крижаних комодах.

Якщо обладнання нижче 0 ° C, а потім ви забираєте його в приємний теплий, вологий кабінет, вода конденсується на платах і може спричинити проблеми. Імовірно, подібне може статися з морозом, залежно від погоди. Коли мороз тане, можуть виникнути проблеми.

Коли я вранці отримую обладнання, яке перевозили як повітряний вантаж, я припускаю, що останнім часом було дуже холодно, і я даю йому посидіти кілька годин, щоб повільно прогрітися і залишатися сухим, перш ніж відкрити коробку в офісі.

Увімкнути дуже холодну передачу може бути цікаво. Деякі компоненти, що обмежують струм, такі як PTC або PPTC , пройдуть набагато більше струму.

Також можуть бути проблемою мастильні матеріали в двигунах, таких як вентилятори та дискові приводи.

Я можу дати вам відповідь, тому що я був одним із тих, хто або писав або перевіряв характеристики напівпровідникових ІС.

Юридично та етично кажучи, я міг підписатись лише на параметри, в межах яких ми перевірили, чи буде працювати ІС / процесор. І тоді мій начальник, і її / його начальник, і всі інші побачили б докази випробувань, і вони теж підписалися б на ці обмеження.

Я не міг етично чи юридично відмовитись від того, що партія процесорів буде працювати при -100 C, якби я не поставив їх набір тестів при -100 C.

Якщо ви вирішили використовувати своє обладнання при температурі -50 C, оснащеному процесором, на який я підписався з низьким порогом -15 C, моя компанія більше не матиме жодних зобов'язань перед цим процесором. Ви порушили гарантію.

Тестування при -50 C набагато дорожче зробити, ніж тестування при -15 С. Я повинен був би переконатися, що тестовий майданчик насправді -50 C--. Це також дуже небезпечно.

Крім того, для роботи ІС при екстремально низьких температурах необхідна спеціальна / герметична упаковка. Як крайній приклад, пластикова упаковка може створити тріщини або структурні компроміси, коли ми наливаємо на них рідкий азот.

Диференціальне розширення між штампом і упаковкою може відірвати матрицю від місця її кріплення або зламати матрицю.

Існують стрес-тести, що включають моделювання температурних перепадів функціонування ІМС. Скажімо, ваш ноутбук сидить у вашому автомобілі при замерзлій температурі -10 С. Ви включаєте його і протягом 5 хвилин він досягає температури 85 С. І цілу зиму ви робили це щовечора. А як щодо головного пристрою та комп'ютерного контролера, який сидить у вашій машині, якого ви б їздили протягом наступних 15 років, піддаючись таким коливанням кожної зими на півночі штату Мен?

Було надто багато проблем з механікою, з якими доводилося вирішувати моїм колегам з машинобудування, коли йдеться про випробування на надзвичайно низькі температури. Отже, наскільки низьку температуру ви хочете, щоб ми перевірили, і наскільки більше ви, як споживач, готовий платити за тестування на низьку температуру?

Ми не можемо просто перевірити один або два пристрої, щоб перевірити відсутність таких механічних проблем, як несумісність між штампом і упаковкою, на відміну від людей, які гарячі стрижні своїх материнських плат експериментують з розгоном просто одним-двома процесорами, які вони придбали з ebay. Ми повинні розробити прийнятний статистичний розподіл та план вибірки, який би потрапив до цього розподілу, який би застосовувався до потоку ІС, що тече через продуктову лінійку.

Інколи правомірність обмежень може бути доволі причетною, коли урядове агентство США вимагає, щоб у ПМД був представник свого представника, поки ми перевіряємо ці ІС / процесори, що може зайняти кілька днів для партії. Цей представник підписав, що ми справді проводили такі випробування з такими обмеженнями. Ось як коштував процесор у розмірі 100 доларів США, який коштував би США 2000 доларів.

Таке, що якби урядове агентство США якось вирішило експлуатувати обладнання поза випробуваними та перевіреними обмеженнями, ми б більше не несли юридичної відповідальності за будь-які випадки або майбутні несправності.

Крім батарейок і, можливо, РК-компонентів, як правило, не пошкоджуються безпосередньо, навіть при екстремальних холодних температурах. Якщо температура буде змінена до крайнощів, особливо швидко, можливі фізичні пошкодження через невідповідне скорочення температури та температурних градієнтів.

Однак робота при холодних температурах може бути неможливою - компоненти змінюються з температурою, до тієї точки, коли вони більше не можуть надійно працювати, можуть не запускатися або можуть повністю вийти з ладу. Посилення біполярних транзисторів падає з температурою. Значно нижче приблизно 50 К більшість біполярних деталей перестають працювати повністю через заморожування носія. Електролітичні ковпачки не люблять температури значно нижче замерзання, і їх зміна (більша ШОЕ і менша ємність) може призвести до пошкодження інших деталей. Цифрові частини CMOS можуть працювати більш-менш добре, але аналогові частини мікросхеми можуть вийти із специфікації або не працювати (наприклад, тактовий генератор або BOR або ADC в мікрофоні).

Ще більш дивні речі трапляються, коли ви наближаєтесь до абсолютного нуля - при 4,2 К (рідкий гелій), наприклад, 1N4148 може зробити осцилятор релаксації. Будьте холоднішими і звичайний припой може втратити будь-який опір, що звучить справді чудово, поки ви не потрапите в пастку магнітного потоку.

Основна проблема полягає в тому, що щільність «вільних» носіїв заряду в напівпровідниках є сильною функцією температури. Коли температура падає досить низько, просто не вистачає доступних носіїв, щоб транзистори і т.д. могли функціонувати, а також ефективний рядний опір об'ємного напівпровідника зростає. Загальний коефіцієнт виграшу ланцюга опускається нижче того, що дозволив інженер-конструктор, і він більше не може відповідати його характеристикам продуктивності.

Межа температури, пов'язана з фактичним ІС, має більше спільного з термічним розширенням / втягуванням, ніж такі, як плавлення.

СК складається з різних матеріалів. Плашка, підкладка, скріпи, спосіб з'єднання, ноги та тіло. Зі зміною температури ці різні матеріали розширюються / стискаються і відірвуться від інших матеріалів, не змінюючись однаковою швидкістю.

Потім у вас є якість допінгу, більше проблем на краю вафлі. Це означає, що фактичні характеристики щодо аркуша даних (час підйому, затримка розповсюдження тощо) не відповідають заявленому мінімуму / максимуму, оскільки рухливість електронів відрізняється (виробники зазвичай роблять ІС і випробовують на військовій температурі. Якщо це не вдається , випробуйте на промисловій температурі. Якщо це теж не вдасться, випробуйте на комерційній температурі ... Якщо вона виходить з ладу, вони її ломають і додають до її урожайності).

Тоді у вас є специфіка пошкодження ... Кремній не має нижньої межі wrt напівпровідника. Вона має верхню межу при 175 ° C, де вона може бути пошкоджена.

РК-дисплеї утворюватимуть кристали і руйнуються при екстремальних температурах, і однаково діелектрики в конденсаторах почнуть руйнуватися.

Інші проблеми при таких низьких температурах, наприклад, що РК-дисплеї замерзають і мають дуже повільну реакцію.

І більш важливим моментом для сучасних технологій ІС є ефект, який робить їх повільнішими при менших температурах (див. Розділ із багатовітровими та багатонапруженими проблемами домену часу / температурної інверсії ).

Я також знайшов цю цікаву статтю, в якій є деякі інші важливі моменти щодо проблем з низькою температурою: Дизайн електроніки для холодних середовищ .

Мало причин:

• у багатьох випадках - ви можете використовувати компоненти нижче мінімальної температури, просто не сподівайтеся, що параметри будуть такими ж, як зазначено в таблиці
• конденсатори зменшаться - зміниться відстань між електродами
• електроліт в конденсаторі може замерзнути, і ємність зміниться

• багато електронних пристроїв виготовлені з різних матеріалів, і вони можуть діяти як біметалічний перелом при зміні температури в широких межах. У багатьох випадках виробники роблять все можливе, щоб цього уникнути, використовуючи матеріали з подібним коефіцієнтом теплового розширення, але іноді це неможливо або просто не потрібно

  

  Я думаю, що саме тому пристрої високої потужності сполучаються з високою температурою. Наприклад - деякі CREE діоди бініруються при 85 ° C (185 ° F).

Іноді мова не йде про мінімальну температуру, іноді про те, наскільки широкий діапазон температур .

Якщо ваш пристрій повинен працювати при дуже низьких температурах - вам слід ознайомитися з алотропною трансформацією олова .

Зокрема, кремній залежить від термічного збудження його допантів, щоб діяти як напівпровідник, завдяки чому характер його напівпровідникових властивостей сильно залежить від температури. Це дає вам основоположні низькі робочі межі та досить вузький діапазон температур, завдяки якому ви можете створити ваш чіп для роботи. Якщо вам потрібна електроніка, яка працює у великому температурному діапазоні, ви не використовуєте кремній. Електроніка Gallium Arsnide працює від millikelvin і нижче, але набагато дорожче.

Резистори розроблені сумішшю матеріалів з різними тепловими властивостями, завдяки чому теплові ефекти скасовуються і дають значення опору, приблизно постійного по відношенню до температури, у зазначеному діапазоні.

Поза зазначеним температурним діапазоном опір резистора може і дико розходиться від заданого значення.

Що цікавить, точні резистори іноді врівноважують температуру, що залишилася, залежно від розмірної деформації: Коли підкладка скорочується або зростає з температурою, деформація на резистивний елемент змінює його опір, що компенсує деяку частину резистивної залежності від температури. матеріал.

Ще один фактор - цифровий хронометр при низьких температурах. Цифрові схеми, як правило, працюють швидше при нижчих температурах, але синхронізація може припинитися (наприклад, внутрішні регістри можуть вийти з ладу через порушення часу утримування), тому схема не працюватиме належним чином. У ноутбуці жорсткий диск, ймовірно, не працюватиме через механічні проблеми (наприклад, головки не правильно розташовуються по доріжках диска).

Взагалі, холодніше робить напівпровідникові з'єднання швидше, а холодніше - краще. -50С насправді досить скромний, великі проблеми трапляються набагато нижче.

Але багато може піти не так. Температура на велосипеді протягом дня може призвести до теплових навантажень. Конденсація може виникнути і спричинити справжні проблеми, особливо коли холодна поверхня потрапляє на тепле вологе повітря.

Тож ваше запитання справді неповне. Якщо він зберігається в тепловій камері при температурі -50 ° C, ваш ноутбук, мабуть, був би дуже задоволений нескінченно. Але якщо переїжджати і виходити з -50С, є багато місця для неприємностей. Абсолютна температура є одним із факторів, а також діапазон вологості, діапазон температур та величина фізичного удару при низьких температурах.