Чому діапазон температур промислової та військової продукції такий високий?

З Вікіпедії загальний діапазон температур для електричних компонентів:

Комерційний: від 0 до 70 ° C

Промислові: від -40 до 85 ° C

Військовий: від -55 до 125 ° C

Я можу зрозуміти нижню частину (-40 ° C і -55 ° C), оскільки ці температури існують у холодних країнах, таких як Канада чи Росія, або на великих висотах, але вища частина (85 ° C або 125 ° C) - це трохи заплутано для деяких частин.

Нагрівання транзисторів, конденсаторів та резисторів дуже зрозуміло, але деякі ІМС мають приблизно постійне низьке виробництво тепла (як логічні ворота)

1. Якщо я розглядаю мікроконтролер або працюю в пустелях Сахари при температурі навколишнього середовища 50 ° C (я не знаю, чи є більш висока температура на землі), чому мені знадобиться 125 ° C або 85 ° C? Тепло, накопичене від втрати електроенергії всередині, не повинно бути 50 ° C або 70 ° C, інакше комерційна частина негайно вийде з ладу, наприклад, у 25 ° C?

2. Якщо я живу в помірному кліматі, коли температури можуть коливатися лише в діапазоні 0–35 ° C протягом усього року, і розробляти промислову продукцію лише для однієї країни (без експорту), я можу використовувати компоненти комерційного класу (за умови відсутності сертифікації, законодавства , а підзвітність існує і лише ваші дії регулюють лише інженерна етика)?

Максимальна температура, яку відчуває кремній, може бути набагато більше, ніж навколишня. Температура навколишнього середовища 50 ° C звичайно буває. Це всього 122 ° F. Я особисто переживав це у притулку для дикої природи Кофа на північ від штату Арізона Юма. Вам потрібно розробити в гіршому, а не бажаному випадку. Скажімо, навколишнє середовище може становити 60 ° C (140 ° F).

Це само по собі не є великою проблемою, але ви самі цього не розумієте. Візьміть той же термометр, який зчитує 60 ° C на відкритому повітрі, і покладіть його в металевий ящик, що сидить на землі на сонці. Це стане набагато гарячішим.

Я бачив, як хтось смажив яйце на капоті автомобіля на сонці у Phoenix AZ. Зрозуміло, це був трюк, навмисно створений для цієї мети. Машину припаркували під прямим кутом, шматок капота нахилили під прямим кутом і пофарбували в плоский чорний колір. Однак це все ще показує, що просто шматок металу, що сидить на сонці, може дійсно нагрітися.

Я одного разу залишив машину, припарковану в аеропорту Лас-Вегаса на кілька днів. Я залишив одну з тих дешевих «ручок» кулькових ручок на приладовій панелі, частково стирчачи над стороною. Коли я повернувся, ручка була зігнута на 90 ° над губою приладової панелі. Я не знаю, при якій температурі плавляться такі ручки, але, очевидно, вона стає набагато гарячішою, ніж навколишнє середовище при досить поширених умовах у закритому ящику.

Якщо ви залишили якийсь дешевий шматок побутової електроніки на приладовій панелі на сонці, і він не спрацював, ви, мабуть, трохи роздратуєтесь, тоді киньте його і замініть. Якщо контролер вашого масляного насоса перестав працювати влітку, тому що йому стало занадто жарко, ви втратите багато грошей, сильно засмутитесь і, ймовірно, придбаєте заміну у іншої компанії, яка сприймає якість більш серйозно. Якщо ваша система протиракетної оборони перестала працювати, оскільки ви розгорнули її в пустелі Іраку замість якогось хорошого зручного тестового ряду в Массачусетсі, де вона була розроблена, ви б загинули. Співробітники закупівель, які не звільняться, будуть дуже обережні, вимагаючи, щоб вся електроніка працювала при високій температурі, і наполягають на тестуванні її в цих умовах.

Перш за все, військова техніка дорога. Ви можете дозволити собі перевірити речі на високі температури лише в тому випадку, якщо ваш клієнт готовий заплатити. Військові замовники, як правило, мають бюджети, про які нормальні люди можуть лише мріяти.

Тоді, очевидно, якщо ви помістите ІС в ракету, ви, можливо, не захочете, щоб ця річ вийшла з ладу, якщо ваша ракета нагріється від кінця, що горить, або від кінця тертя повітря. Те ж саме стосується речей, які можуть бути поміщені в супутникову, міжконтинентальну ракету тощо: як тільки ви потрапите в космос і опинитесь у тіні землі, речі можуть стати справді холодними. Військові та аерокосмічні (які, як правило, є одними і тими ж компаніями), є типовим місцем, де ви очікуєте, що пристрій може витримати багато G прискорень, бути гарячим-холодним-гарячим-холодним-гарячим протягом декількох секунд, все ще потрібно бути надзвичайно добре інтегрований і легкий, і коли витрати просто не мають великого значення порівняно з ризиком:

Основна відмінність (окрім способів фізичного управління температурою) полягає в тому, що ці три групи додатків роблять різний вид оцінки ризику:

• пристрій для споживача / комерційного класу : 1/5000 ваших телевізорів виходять з ладу протягом п'яти років, оскільки деякі ІК спекалися на спеці занадто довго. Погана річ. Багато клієнтів просто отримають нового. Для решти 1/10 000 клієнтів вам доведеться скористатися послугою (порахуйте, що це у вашій вартості продукту) або жити з деградованим зображенням (чого вам не потрібно, тому що ваші конкуренти роблять те саме). Отже, мати більше запасів безпеки у ваших проектах не має особливого сенсу, як мало тестування компонентів на межі припустимих екологічних умов. Ви знаходитесь на ринку, де ціна є найважливішою, а рівень відмов - це головним чином турбота про фінанси виробника.
• Пристрій промислового класу : Ваш клієнт - хтось, хто навішує можливо дуже дорогу лінію виробництва вашого продукту. Скажімо, виробнича лінія Volkswagen стоїть 8 годин, оскільки ваш ІС не спрацював. Це дуже солідна сума збитків, яку ви тільки що завдали. VW буде готовий доплатити лише для того, щоб переконатися, що його постачальники переконалися, що ви протестували компоненти для всіх середовищ, які, ймовірно, можуть виникнути, і зовсім трохи далі, щоб зберегти цей ризик керованим.
• Пристрій автомобільного класу : Життя людини під загрозою. Це не так важливо, як те, що машини вібрують як пекло, складні як пекло, частково нагріваються як пекло, і розкручуються мільйонами , це означає, що з'ясувати, що будь-який компонент трохи нагріється, щоб надійно працювати (навіть якщо це просто щось не критичне для безпеки) означає, що вам може знадобитися обслуговування багатьох автомобілів, що дуже дорого, і ви насправді ризикуєте іміджу своєї марки. Кожна країна має свої забобони щодо "цього виробника автомобілів з кричущою надійністю та поганою електронікою", і це серйозно шкодить їхнім продажам.
• Пристрій військового рівня : Ну, обіцянка військових - бути готовим будь-коли. Вони не будуть ризикувати, що нічого не вийде, лише тому, що не попросили всіх постачальників виконати екстремальні екологічні характеристики. Ось так вони котяться - не залишайте нічого ризикувати, особливо якщо ваша програма все-таки дорога як пекло (думайте, винищувачі) або розгорнута в десятки тисяч і все ще є критичною для життя та місії (думаю, військова комунікаційна техніка).

Військова (і космічна космічна техніка) часто:

1. У незатопленій бухті, що означає охолодження обладнання, відбувається кондукція. Конвекційне охолодження втрачає значення на 30 000 футів, оскільки дуже мало молекул повітря для передачі тепла конвекцією. Набагато складніше ефективно передавати тепло лише провідником.

2. У зоні відблисків (подумайте просто під навісом у винищувальному літаку) і ця зона може бути дуже гарячою.

3. У бухті, де температура навколишнього середовища може перевищувати 70 ° C.

4. У передньому краї крила, яке може змінюватись від температури обмерзання (набагато нижче нуля) до дуже гарячого (при Маха 2 або близько того, тертя навіть кількох наявних молекул все ще дуже велике; саме тому космічний човник мали ретельне управління теплом для повторного входу).

Незвично мати вимогу температури на крайовій карті до 85 ° С протягом коротких періодів (як правило, 30 хвилин), а для підвищення температури з'єднання до 120 ° С і не потрібна велика активність процесора (щоб назвати один тип пристрою).

Підсумовуючи це, військове та аерокосмічне середовище дійсно суворе (як і випадкові програми вниз).

Як зазначають інші, повністю кваліфіковані військові деталі можуть бути дорогими (в 10 разів більше комерційного еквівалента, а в деяких випадках і більше); у відповідь на те, що деякі виробники запровадили програми скринінгу для пластикових деталей, які все ще мають премію, але не настільки, як попередні рішення.

[Оновлення]

У відповідь на коментар до температури крайової картки, ось типове шасі з охолодженням на провідності:

Зовнішня частина шасі відома як холодна стінка (де ми можемо знати температуру), і вона може бути просто металевою або мати інші методи підтримки досить добре відомої температури.

Тепер ось типова карта, з тепловими сходами:

Вони часто виготовлені з алюмінію (він дешевий і має пристойні теплові параметри), а сходи контактують з бічними краями корпусу вище; оскільки між зовнішньою та внутрішньою стороною коробки буде деякий різниця тепла, на цій внутрішній сходи тепла встановлюється вимога витримувати температуру для друкованої плати, яка є, як ви бачите на краю картки .

Оскільки теплота повинна надходити від компонентів до цього моменту, це незвично, що друкована плата на гарячому компоненті (наприклад, процесорі чи графічному процесорі) добирається до 95 ° С і більше з температурою краю 85 ° (що часто є специфічним вимога).

$0.4 \frac {W} {mK}$

У деяких ситуаціях нам може знадобитися використовувати термічно одягнені друковані плати, які, хоча і дорогі, можуть бути єдиним способом виведення тепла.

У кількох інших коментарях та відповідях згадується, що електронні мікросхеми мають бути в корпусах, і їх власне виробництво тепла робить це гарячим. Це було недостатньо наголошене. Для промислового, комерційного та автомобільного обладнання електронні мікросхеми часто потрібно герметизувати у герметично закритих корпусах, щоб уникнути всіляких забруднень. Крім того, більш високі рівні потужності є загальними. Існує безліч керуючих пристроїв двигуна, управління процесом нагріву та потужні приводи різного типу. Мікроконтролери повинні мати можливість працювати в одних корпусах з таким видом обладнання. У комерційних будівлях часто в установках на даху, які не контролюються температурою, встановлюють мотор-контролери та мікроконтролери опалювального вентиляційного та холодильного обладнання.

Звичайне промислове обладнання нагрівається через власне тепло. Типовий підйом температури всередині корпусу становить 20-30 градусів С. Якщо його розміщують в будівлі без кондиціонера, температура легко йде в напрямку 70-80 градусів, а іноді навіть промислового діапазону недостатньо. У таких випадках застосовуються всі види охолодження: пасивна конвекція, примусова конвекція, водяне охолодження тощо.

Чому вони такі високі? тому що навколишнє середовище висока, і не все буде сидіти в хорошому контрольованому температурному середовищі ... Людям це потрібно, електроніка не приймає літаки ... деталі, прикріплені до кришки двигуна, відчуватимуть 85С. На висоті частини фюзеляжу випробують -55С.

Вся справа в тесті на згорання. Кремнієва пластинка має деякі дефекти, коли виробляється, і кожен елемент повинен пройти остаточну перевірку. Тому вони мають так звану камеру для випробування (я не знаю, чи існують заморозки, напевно, не потрібні), де встановлюються різні температури відповідно до місця призначення ринку.

У споживачів більшість ІМС також виживають, якщо є дефект. У промислових ті, у кого велика дефектна вафля, вийдуть з ладу, у військових палаючих приміщеннях ті, у кого лише невеликий дефект, вийдуть з ладу.

Тож якщо вам пощастить, ви можете отримати споживчу частину, яка хороша як військова. Я забув згадати - тест, як правило, руйнує дефектні деталі.

Як я бачу, ви ставите 3 питання. Одне головне питання та 2 підпитання (1,2).

Відповідь на головне питання полягає в тому, що промислова та військова продукція може насправді зазнавати заданого діапазону температур, і користувачі хочуть бути впевнені, що продукція не вийде з ладу , якщо використовується в заданому температурному діапазоні.

Відповідь на підпитання 1 полягає в тому, що необхідно врахувати два додаткові параметри: а) розсіювання потужності, б) запас міцності.
Щоб мікросхема могла розсіювати потужність, його температура навколишнього середовища повинна бути на 35 ° С нижчою від внутрішньої температури. Крім того, слід допускати запас міцності на 25С нижче, ніж потрібна максимальна температура. Для врахування цих вимог продукт, який потрібно використовувати при температурі навколишнього середовища 50С, повинен працювати при температурі не нижче 110С (50 + 35 + 25). Отже, вимагати компонентів, які працюють на 125С, здається дуже розумним.

Відповідь на підпитання 2 - ні , ви не повинні використовувати компоненти комерційного класу , це не залишає межі безпеки ! Вам потрібно використовувати промисловий сорт , або краще.

Проста відповідь (з гарячої сторони, на якій зосереджено ваше запитання), яка в кращому випадку прив’язана до деяких існуючих відповідей, полягає в тому, що розсіювання потужності пристрою може легко отримати температуру пристрою до (або вище) номінальної температура. Завдання дизайнерів - намагатися підтримувати пристрій у функціональному діапазоні; якщо пристрій оцінено як 50 ° C і працює в середовищі 50 ° C, він не може розсіювати БУДЬ-яку потужність, тому він фактично не може працювати без якоїсь активної системи охолодження.

Пристрій 125С в тому ж 50С має 75С теплового запасу, що дозволяє розсіювати потужність при будь-якому термічному опорі, що застосовується до системи.

Ще одна причина: адже вони можуть бути!

Для космічних застосувань їм, безумовно, подобається вище (за значно нижчу температуру).

Редагувати через незрозумілу низку:

Можливо, ця відповідь була для когось занадто короткою. Дозвольте трохи пояснити.

Ось сторінка, яка також містить деякі вказівки.

• Верхня межа самого власного кремнію зазвичай становить 150 ° C. Тож ліміт упаковки не може бути 150 ° C - 125 ° C - це розумна межа, якщо це дозволяє упаковка та енергоспоживання.
• Нижня межа самого власного кремнію відповідно до вищезазначеної ланки приблизно -117 ° C (100 ° C). На практиці занадто далеко від точки проектування інтегральних мікросхем.
• Якщо ліміти на комерційні та промислові схеми будуть більшими, тоді виникає питання економії: більше пристроїв доведеться викинути. Отже, знову ж таки - щоб продукти були економічно цікавими для комерційних та промислових застосувань, експлуатаційні ліміти повинні бути обмежені - економічно не може бути вищим (що сьогодні менш вірно, ніж раніше, коли ці межі були визначені).
• Космосу немає, тому що ринок невеликий, а також тому, що вони навчилися працювати з іншими класами - наприклад, електроніка розміщується в центрі супутника, де температура знаходиться в межах меж і не дуже варіюється. Вони також використовують специфічні конструкції - зокрема, радіаційно зміцнені пристрої [випромінювання може потрапити до ядра супутника] та технології, що менше піддаються опроміненню.