Dlaczego elektronika ma limit niskiej temperatury?

Dlaczego oprócz elementów kondensacyjnych komponenty elektroniczne mają zwykle dolną granicę temperatury? Na przykład mój laptop mówi podczas użytkowania coś o temperaturze od -10 ° C do 75 ° C.

Rozumiem górną granicę temperatury, ponieważ prawdopodobnie wszystko się stopi!

Ale dlaczego zimno jest takie złe?

Które komponenty oprócz baterii będą ekstremalnie uszkadzać przez zimno i jak?

Czy użycie go zwiększy obrażenia?

Czy korzystanie ze sprzętu zrównoważy te obrażenia (podczas rozgrzewania po użyciu)?

Mówię też o ekstremalnych temperaturach poniżej -50 ° C, więc czy kondensacja nadal stanowi problem?

Uwaga: nie przechowuję go, więc nie jest duplikatem innego pytania.

Uwaga 2: Nie mówię o półprzewodnikach, ale ogólnie mówiąc.

Kiedyś zaprojektowałem wzmacniacz, który oscylowałby w temperaturze -10 ° C. Naprawiłem to, zmieniając projekt, aby dodać więcej marginesu fazowego. W tym przypadku oscylacja nie spowodowała żadnych uszkodzeń, ale obwód nie działał dobrze w tym stanie i spowodował błędy. Błędy te zniknęły w wyższych temperaturach.

Niektóre tworzywa pękają, gdy zamarzają. Suchy lód ma temperaturę -78,5 ° C, a ja złamałem dużo plastiku suchym lodem. Na przykład zniszczyłem doskonale dobrą lodową skrzynię, która pękła na małe kawałki w miejscu, w którym miałem kawał suchego lodu.

W konstrukcjach do montażu powierzchniowego różnicowy współczynnik rozszerzalności temperaturowej między lutowanymi częściami na płytce drukowanej a płytką drukowaną może powodować duże naprężenia. Zależność naprężenie-odkształcenie-temperatura często ledwo działa w określonym zakresie temperatur. Po włączeniu zasilania gorące elementy mogą zmienić kształt i złamać kruche tworzywo sztuczne, podobnie jak moja stara lodowa skrzynia.

Jeśli sprzęt ma temperaturę poniżej 0 ° C, a następnie zabierzesz go do ciepłego, wilgotnego biura, woda skropli się na płytkach drukowanych i może powodować problemy. Przypuszczalnie podobnie dzieje się z mrozem, w zależności od pogody. Gdy szron topnieje, mogą wystąpić problemy.

Kiedy rano otrzymuję sprzęt przewożony jako ładunek lotniczy, zakładam, że ostatnio było bardzo zimno, i pozwalam mu siedzieć przez kilka godzin, aby powoli się rozgrzał i pozostawał suchy przed otwarciem pudła w biurze.

Włączanie bardzo zimnego sprzętu może być interesujące. Niektóre elementy ograniczające prąd, takie jak PTC lub PPTC , będą przepuszczać znacznie więcej prądu.

Problemem mogą być również smary w silnikach, takich jak wentylatory i napędy dyskowe.

Mogę dać odpowiedź, ponieważ byłem jednym z tych, którzy napisali lub zweryfikowali specyfikacje układów scalonych półprzewodników.

Z prawnego i etycznego punktu widzenia mogłem podpisać się tylko na parametrach, w ramach których zweryfikowaliśmy, że IC / procesor będzie działał. A potem mój szef i jej / jego szef oraz wszyscy inni zobaczyliby dowody testów i oni również podpisaliby się na tych ograniczeniach.

Nie mógłbym etycznie ani legalnie podpisać się pod tym, że partia procesorów działałaby w temperaturze -100 ° C, gdybym nie wystawił ich na testy w temperaturze -100 ° C.

Jeśli zdecydujesz się korzystać ze sprzętu w temperaturze -50 ° C, wyposażonego w procesor, na który podpisałem się z niskim progiem -15 ° C, moja firma nie będzie już zobowiązana do tego procesora. Złamałeś gwarancję.

Testowanie w temperaturze -50 ° C jest o wiele droższe niż testowanie w temperaturze -15 ° C. Musiałbym zweryfikować, że strona testowa to w rzeczywistości -50 ° C. Jest to również bardzo niebezpieczne.

Poza tym specjalne układy hermetyczne są wymagane do działania układów scalonych w ekstremalnie niskich temperaturach. Jako skrajny przykład, opakowania plastikowe mogą powodować pęknięcia lub kompromisy konstrukcyjne, gdy wylewamy na nie ciekły azot.

Różnicowa ekspansja między matrycą a opakowaniem może oderwać matrycę od miejsca jej zamocowania lub pęknąć matrycę.

Istnieją testy warunków skrajnych, które obejmują symulację zmian temperatury w funkcjonowaniu układu scalonego. Załóżmy, że Twój laptop siedzi w samochodzie w zamarzniętych temperaturach -10 C. Włączasz go i po 5 minutach osiąga temperaturę 85 C. I przez całą zimę robiłeś to każdego wieczoru. Co powiesz na jednostkę główną i komputerowy kontroler, który siedzi w twoim samochodzie, którym będziesz jeździć przez następne 15 lat, poddawanych takim wahaniom każdej zimy w północnej Maine?

Było zbyt wiele problemów mechanicznych, z którymi musieli się zmierzyć moi koledzy z inżynierii mechanicznej, jeśli chodzi o testy w ekstremalnie niskich temperaturach. Jak niską temperaturę chcielibyśmy, abyśmy zweryfikowali i o ile więcej jesteście, jako konsumenci gotowi zapłacić za testy w niskiej temperaturze?

Nie możemy po prostu przetestować jednego lub dwóch urządzeń, aby zweryfikować brak problemów mechanicznych, takich jak niezgodności między matrycą a opakowaniem, w przeciwieństwie do ludzi, którzy eksperymentują z podkręcaniem płyt głównych za pomocą jednego lub dwóch procesorów kupionych w serwisie eBay. Musimy zaprojektować akceptowalny rozkład statystyczny i plan próbkowania, który mieściłby się w tym rozkładzie, który miałby zastosowanie do strumienia układów scalonych przepływających przez linię produktów.

Czasami legalność ograniczeń może być raczej zaangażowana, gdy amerykańska agencja rządowa wymaga od OEM obecności przedstawiciela, podczas gdy testujemy te układy scalone / procesory, co może potrwać kilka dni dla partii. Przedstawiciel ten podpisałby się, że rzeczywiście przeprowadziliśmy takie testy przy takich ograniczeniach. W ten sposób procesor o wartości 100 USD kosztowałby amerykański rząd 2000 USD.

Tak więc, jeśli amerykańska agencja rządowa zdecyduje się w jakiś sposób obsługiwać sprzęt poza przetestowanymi i zweryfikowanymi ograniczeniami, nie będziemy prawnie ponosić odpowiedzialności za jakiekolwiek nieszczęścia lub przyszłe awarie.

Poza akumulatorami i komponentami LCD generalnie nie ulegają one bezpośredniemu uszkodzeniu, nawet w ekstremalnie niskich temperaturach. Jeśli temperatury zostaną zmienione na ekstremalne, szczególnie gwałtownie, mogą wystąpić szkody fizyczne z powodu niedopasowanego skurczu z temperaturą lub gradientami temperatury.

Jednak praca w niskich temperaturach może być niemożliwa - komponenty zmieniają się wraz z temperaturą, do tego stopnia, że ​​mogą przestać działać niezawodnie, mogą nie zostać uruchomione lub mogą zostać całkowicie zakończone. Wzmocnienie tranzystorów bipolarnych spada wraz z temperaturą. Znacznie poniżej około 50 000 części bipolarnych przestaje działać całkowicie z powodu zamrożenia nośnika. Czapki elektrolityczne nie lubią temperatur znacznie poniżej zera, a ich zmiany (wyższa ESR i niższa pojemność) mogą spowodować uszkodzenie innych części. Cyfrowe części CMOS mogą funkcjonować mniej więcej w porządku, ale analogowe części układu mogą przestać działać lub przestać działać (np. Oscylator zegarowy lub BOR lub ADC w mikro).

Jeszcze bardziej dziwne rzeczy zdarzają się, gdy zbliżasz się do zera absolutnego - na przykład przy 4,2 K (ciekły hel), na przykład 1N4148 może wytworzyć oscylator relaksacyjny. Staje się jeszcze zimniejszy, a zwykły lut może stracić wszelki opór, co brzmi naprawdę świetnie, dopóki nie zostanie uwięziony strumień magnetyczny.

Podstawowym problemem jest to, że gęstość „wolnych” nośników ładunku w półprzewodnikach jest silną funkcją temperatury. Kiedy temperatura spada wystarczająco nisko, po prostu nie ma wystarczającej liczby dostępnych nośników, aby umożliwić działanie tranzystorów itp., A także wzrasta efektywna rezystancja szeregowa półprzewodnika luzem. Ogólny zysk obwodu spada poniżej tego, na co pozwolił inżynier projektu, i nie może już spełniać swoich specyfikacji wydajności.

Limit temperatury związany z rzeczywistym układem scalonym ma więcej wspólnego z rozszerzalnością / cofaniem termicznym niż z topieniem.

Układ scalony składa się z różnych materiałów. Matryca, podłoże, druty łączące, metoda wiązania, nogi i ciało. Wraz ze zmianą temperatury, te różne materiały rozszerzają się / kurczą i odrywają się od innych materiałów, które nie zmieniają się w tym samym tempie.

Masz wtedy jakość dopingu, co jest większym problemem na brzegu wafla. Oznacza to, że rzeczywista charakterystyka w stosunku do arkusza danych (czas narastania, opóźnienie propagacji itp.) Nie spełnia podanego minimum / maksimum, ponieważ ruchliwość elektronów jest różna (producenci zwykle tworzą układ scalony i testują w temperaturze wojskowej. , test w temperaturze przemysłowej. Jeśli to też się nie powiedzie, przetestuj w temperaturze komercyjnej ... Jeśli to się nie powiedzie, złomują go i dodają do swoich liczb wydajności.

Masz więc specyfikę uszkodzenia ... Krzem nie ma dolnej granicy półprzewodnika. Ma górną granicę przy 175 ° C, gdzie zostanie uszkodzony.

LCD będą tworzyć kryształy i rozpadać się w ekstremalnych temperaturach, a jednakowe dielektryki w kondensatorach zaczynają się rozpadać.

Inne problemy w tak niskich temperaturach to na przykład to, że wyświetlacze LCD zamarzają i reagują naprawdę wolno.

A ważniejszym punktem dla nowoczesnych technologii układów scalonych jest efekt, który powoduje, że działają one wolniej w niższych temperaturach (patrz Radzenie sobie z wyzwaniami czasowymi / inwersyjnymi w dziedzinie wielu napięć i wielu napięć ).

Znalazłem również ten interesujący artykuł, który zawiera kilka innych ważnych punktów dotyczących problemów związanych z niską temperaturą: Projektowanie elektroniki do niskich temperatur .

Kilka powodów:

• w wielu przypadkach - możesz użyć komponentów o temperaturze poniżej minimalnej, po prostu nie oczekuj, że parametry będą takie same, jak podano w arkuszu danych
• kondensatory się skurczą - zmieni się odległość między elektrodami
• elektrolit w kondensatorze może zamarznąć i pojemność się zmieni

• wiele urządzeń elektronicznych jest wykonanych z różnych materiałów i mogą działać jak pęknięcie bimetalu, gdy zmieniasz temperaturę w szerokim zakresie. W wielu przypadkach producenci robią, co mogą, aby tego uniknąć, stosując materiały o podobnym współczynniku rozszerzalności cieplnej, ale czasami jest to niemożliwe lub po prostu nie wymagane

  

  Wydaje mi się, że właśnie dlatego urządzenia o dużej mocy są przechowywane w wysokiej temperaturze. Na przykład - niektóre diody CREE są binned w 85 ° C (185 ° F).

Czasami nie chodzi o minimalną temperaturę, a czasem o to, jak szeroki jest zakres temperatur .

Jeśli twoje urządzenie ma działać w bardzo niskich temperaturach - powinieneś przeczytać o transformacji alotropowej cyny .

W szczególności krzem polega na wzbudzeniu cieplnym swoich domieszek, działając jako półprzewodnik, co sprawia, że ​​charakter jego właściwości półprzewodnikowych zależy w dużej mierze od temperatury. Zapewnia to podstawową niską granicę działania i dość wąski zakres temperatur, w których można zaprojektować układ do pracy. Jeśli potrzebujesz elektroniki, która działa w szerokim zakresie temperatur, nie używasz krzemu. Elektronika Gallium Arsnide działa do milikelwinów i poniżej, ale jest znacznie droższa.

Rezystory są zaprojektowane z mieszanki materiałów o różnych właściwościach termicznych, dzięki czemu efekty termiczne znoszą się i dają wartość rezystancji, która jest w przybliżeniu stała w odniesieniu do temperatury, w określonym zakresie.

Poza określonym zakresem temperatur rezystancja rezystora może i będzie odbiegać gwałtownie od podanej wartości.

Co ciekawe, rezystory precyzyjne czasami równoważą pozostałą zależność temperaturową z zależnością odkształceń wymiarowych: gdy podłoże kurczy się lub rośnie wraz z temperaturą, odkształcenie elementu rezystancyjnego zmienia jego rezystancję, kompensując część pozostałej zależności rezystancji od temperatury materiał.

Kolejnym czynnikiem jest cyfrowe taktowanie w niskich temperaturach. Obwody cyfrowe zwykle działają szybciej w niższych temperaturach, ale taktowanie obwodu może się nie powieść (np. Wewnętrzne rejestry mogą ulec awarii z powodu przekroczenia czasu podtrzymania), więc obwód nie będzie działał poprawnie. W laptopie dysk twardy prawdopodobnie nie działałby z powodu problemów mechanicznych (np. Głowice nie ustawiają się prawidłowo na ścieżkach dysku).

Ogólnie rzecz biorąc, zimniej sprawia, że ​​złącza półprzewodnikowe są szybsze, a im zimniej, tym lepiej. -50C jest właściwie dość skromny, duże problemy zdarzają się znacznie niżej.

Ale wiele może się nie udać. Cykliczne zmiany temperatury w ciągu dnia mogą prowadzić do naprężeń termicznych. Może dojść do kondensacji i powodować prawdziwe problemy, szczególnie gdy zimna powierzchnia uderzy w ciepłe, wilgotne powietrze.

Więc twoje pytanie jest naprawdę niepełne. Jeśli przechowywany w komorze termicznej w temperaturze -50 ° C, twój laptop prawdopodobnie byłby całkiem szczęśliwy na czas nieokreślony. Ale po wprowadzeniu i wyprowadzeniu z -50 ° C jest dużo miejsca na kłopoty. Temperatura bezwzględna jest jednym z czynników, podobnie jak zakres wilgotności, zakres temperatur i wielkość szoku fizycznego w niskich temperaturach.