Dlaczego zakres temperatur produktów przemysłowych i wojskowych jest tak wysoki?

Z Wikipedii wspólny zakres temperatur dla komponentów elektrycznych to:

Komercyjne: od 0 do 70 ° C

Przemysł: od -40 do 85 ° C

Wojsko: od -55 do 125 ° C

Rozumiem dolną część (-40 ° C i -55 ° C), ponieważ temperatury te istnieją w zimnych krajach, takich jak Kanada lub Rosja, lub na dużych wysokościach, ale wyższa część (85 ° C lub 125 ° C) to trochę mylące dla niektórych części.

Nagrzewanie tranzystorów, kondensatorów i rezystorów jest bardzo zrozumiałe, ale niektóre układy scalone generują w przybliżeniu stałe niskie wytwarzanie ciepła (jak bramki logiczne)

1. Jeśli rozważam mikrokontroler lub pracuję na pustyni Sahara w temperaturze 50 ° C (nie wiem, czy na ziemi jest wyższa temperatura), dlaczego miałbym potrzebować 125 ° C lub 85 ° C? Ciepło powstałe w wyniku strat mocy w środku nie powinno wynosić 50 ° C lub 70 ° C, w przeciwnym razie część komercyjna ulegnie awarii natychmiast, na przykład w środowisku o temperaturze 25 ° C?

2. Jeśli mieszkam w klimacie umiarkowanym, w którym temperatury mogą zmieniać się przez cały rok tylko w zakresie 0–35 ° C, i projektując produkty przemysłowe tylko dla tego samego kraju (bez eksportu), czy mógłbym używać komponentów klasy komercyjnej (przy założeniu braku certyfikacji, ustawodawstwa , i istnieje odpowiedzialność, a twoje działania kierują wyłącznie etyką inżynieryjną)?

Maksymalna temperatura, jakiej doświadcza krzem, może być znacznie wyższa niż temperatura otoczenia. Z pewnością dzieje się 50 ° C. To tylko 122 ° F. Osobiście doświadczyłem tego w schronisku dzikiej przyrody Kofa na północ od Yuma Arizona. Musisz zaprojektować najgorszy przypadek, a nie życzenia. Powiedzmy, że temperatura otoczenia może wynosić 60 ° C (140 ° F).

To samo w sobie nie stanowi większego problemu, ale nie dostaniesz tego samodzielnie. Weź ten sam termometr, który odczytuje 60 ° C na wolnym powietrzu i umieść go w metalowym pudełku, stojącym na ziemi na słońcu. Będzie znacznie cieplej.

Widziałem, jak ktoś usmażył jajko na masce samochodu w słońcu w Phoenix AZ. To prawda, że ​​był to wyczyn celowo ustawiony w tym celu. Samochód został zaparkowany pod kątem prostym, maska ​​silnika była pochylona pod kątem prostym i pomalowana na czarno. Jednak nadal pokazuje, że tylko kawałek metalu siedzący na słońcu może być naprawdę gorący.

Kiedyś zostawiłem samochód zaparkowany na lotnisku w Las Vegas na kilka dni. Na desce rozdzielczej zostawiłem jeden z tych tanich „długopisowych” długopisów, częściowo wystających z boku. Kiedy wróciłem, długopis był zgięty pod kątem 90 ° nad krawędzią deski rozdzielczej. Nie wiem, w jakiej temperaturze takie pióra topią się, ale wyraźnie robi się znacznie cieplej niż temperatura otoczenia w wystarczająco powszechnych warunkach w zamkniętym pudełku.

Jeśli zostawiłeś na słońcu jakiś tani sprzęt elektroniczny na desce rozdzielczej i nie działał, prawdopodobnie byłbyś trochę zirytowany, a następnie rzuciłbyś go i wymieniłeś. Jeśli sterownik pompy olejowej przestanie działać latem, ponieważ stał się zbyt gorący, straciłbyś dużo pieniędzy, byłbyś bardzo zdenerwowany i prawdopodobnie kupiłeś zamiennik od innej firmy, która traktuje jakość bardziej poważnie. Gdyby twój system obrony przeciwrakietowej przestał działać, ponieważ umieściłeś go na pustyni w Iraku zamiast wygodnego zakresu testowego w Massachusetts, gdzie został opracowany, byłbyś martwy. Urzędnicy odpowiedzialni za zamówienia, którzy nie zostaną zwolnieni, będą szczególnie uważać, aby wymagać od całej elektroniki pracy w wysokiej temperaturze i nalegać, aby została przetestowana w tych warunkach.

Przede wszystkim sprzęt wojskowy jest drogi. Możesz sobie pozwolić na testowanie rzeczy pod kątem wysokich temperatur tylko wtedy, gdy klient jest skłonny zapłacić. Klienci wojskowi mają zwykle budżety, o których zwykli ludzie mogą tylko pomarzyć.

Oczywiście, jeśli umieścisz IC w pocisku, możesz nie chcieć, aby zawiodła, jeśli twój pocisk rozgrzeje się od końca płonącego lub od tarcia powietrznego. To samo dotyczy rzeczy, które mogą być umieszczone w satelicie, międzykontynentalnej rakiecie itp .: gdy tylko trafisz w kosmos i znajdziesz się w cieniu ziemi, rzeczy mogą się naprawdę ochłodzić. Wojsko i przemysł lotniczy (które zwykle są w większości tymi samymi firmami) to typowe miejsce, w którym można oczekiwać, że urządzenie wytrzyma duże przyspieszenie G, w ciągu kilku sekund będzie bardzo gorąco-zimno-gorąco-zimno-gorąco. dobrze zintegrowane i lekkie, a tam, gdzie koszty naprawdę nie mają większego znaczenia w porównaniu z ryzykiem:

Główna różnica (poza fizycznym zarządzaniem temperaturą) polega jednak na tym, że te trzy grupy aplikacji dokonują innego rodzaju oceny ryzyka:

• urządzenie klasy konsumenckiej / komercyjnej : 1/5000 telewizorów ulega awarii w ciągu pięciu lat, ponieważ niektóre układy scalone zbyt długo się nagrzewają. Zła rzecz. Wielu klientów dostanie tylko nowego. W przypadku pozostałych 1/10 000 klientów będziesz musiał wykonać usługę (przeliczyć to na koszt produktu) lub żyć ze zdegradowanym wizerunkiem (czego tak naprawdę nie musisz, ponieważ konkurenci robią to samo). Tak więc posiadanie większego marginesu bezpieczeństwa w swoich projektach nie ma większego sensu, tak mało jak testowanie komponentów na granicy przewidywalnych warunków środowiskowych. Jesteś na rynku, na którym najważniejsza jest cena , a wskaźnik awaryjności dotyczy głównie finansów producenta.
• urządzenie klasy przemysłowej : Twoim klientem jest ktoś, kto opiera się na możliwie bardzo drogiej linii produkcyjnej na twoim produkcie. Załóżmy, że linia produkcyjna Volkswagena stoi nieruchomo przez 8 godzin, ponieważ Twój układ scalony nie działa. To bardzo solidna strata, którą właśnie spowodowałeś. VW będzie skłonny zapłacić dodatkowo, aby upewnić się, że jego dostawcy upewnili się, że przetestowali komponenty dla wszystkich środowisk, które mogą wystąpić, a nawet nieco dalej, aby utrzymać to ryzyko.
• urządzenie klasy samochodowej : Stawką jest życie ludzi. Nie jest to tak ważne, jak fakt, że samochody wibrują jak diabli, są złożone jak diabli, częściowo rozgrzewają się jak diabli i są wdrażane w milionach , co oznacza, że ​​ustalenie, że jakikolwiek element będzie trochę gorący, aby działać niezawodnie (nawet jeśli jest to po prostu coś niekrytycznego dla bezpieczeństwa) oznacza, że ​​może być konieczne serwisowanie wielu samochodów, co jest naprawdę drogie i faktycznie ryzykujesz wizerunkiem swojej marki. Każdy kraj ma swoje własne uprzedzenia wobec „tego producenta samochodów o tandetnej niezawodności i złej elektronice”, co poważnie szkodzi ich sprzedaży.
• urządzenie klasy wojskowej : Cóż, obietnicą wojska jest gotowość na wszystko. Będą one nie nic niepowodzeniem właśnie dlatego, że nie poprosić wszystkich dostawców do spełnienia ekstremalnych specyfikacje środowiskowe ryzykować. Tak się toczą - nie wystawiaj niczego na ryzyko, szczególnie jeśli Twoja aplikacja jest i tak droga jak diabli (pomyśl myśliwce) lub zostanie wdrożona w dziesiątki tysięcy i nadal ma krytyczne znaczenie dla życia i misji (myśl o wojskowym sprzęcie komunikacyjnym).

Sprzęt wojskowy (i ogólnie lotniczy) to często:

1. W nieokreślonej wnęce, co oznacza chłodzenie sprzętu odbywa się przez przewodzenie. Chłodzenie konwekcyjne traci znaczenie na wysokości 30 000 stóp, ponieważ jest bardzo mało cząsteczek powietrza do przenoszenia ciepła przez konwekcję. Znacznie trudniej jest skutecznie przenosić ciepło tylko przez przewodzenie.

2. W strefie olśnienia (pomyśl pod baldachimem w myśliwcu), a obszar ten może być bardzo gorący.

3. We wnęce, w której temperatura otoczenia może przekraczać 70 ° C.

4. W przedniej krawędzi skrzydła, która może wahać się w zakresie temperatur od warunków oblodzenia (znacznie poniżej zera) do bardzo gorących (przy Mach 2 lub więcej) tarcie nawet kilku dostępnych cząsteczek jest wciąż bardzo wysokie; dlatego prom kosmiczny miał skomplikowane zarządzanie ciepłem do ponownego wejścia).

Nie jest niczym niezwykłym, że wymagania dotyczące temperatury krawędzi karty wynoszą 85 ° C przez krótkie okresy (zwykle 30 minut) i nie potrzeba dużo aktywności procesora (żeby wymienić tylko jeden typ urządzenia), aby podnieść temperaturę złącza do 120 ° C lub więcej.

Podsumowując, środowiska wojskowe i kosmiczne są bardzo trudne (podobnie jak w przypadku aplikacji z dołu).

Jak zauważają inni, w pełni kwalifikowane części wojskowe mogą być drogie (nawet 10-krotnie koszt komercyjnego odpowiednika, aw niektórych przypadkach więcej); w odpowiedzi na to niektórzy producenci wprowadzili programy badań przesiewowych części z tworzyw sztucznych, które nadal mają pierwszeństwo, ale nie tyle, co poprzednie rozwiązania.

[Aktualizacja]

W odpowiedzi na komentarz dotyczący temperatur na krawędzi karty, oto typowa obudowa chłodzona przewodnikiem:

Zewnętrzna część podwozia jest znana jako zimna ściana (gdzie możemy poznać temperaturę) i może być po prostu metalowa lub mieć inne metody utrzymania rozsądnie dobrze znanej temperatury.

Oto typowa karta z drabinkami cieplnymi:

Często są one wykonane z aluminium (jest tanie i ma przyzwoite parametry termiczne), a drabiny mają kontakt z bocznymi krawędziami obudowy powyżej; ponieważ będzie pewna różnica temperatur pomiędzy zewnętrzną i wewnętrzną stroną skrzynki, temperatura wytrzymująca wymagania dla płytki drukowanej jest ustawiana na tej wewnętrznej drabinie ciepła, która, jak widać na krawędzi karty .

Ponieważ ciepło musi przenikać z komponentów do tego momentu, nie jest niczym niezwykłym, że płytka drukowana w gorącym komponencie (takim jak procesor lub GPU) osiąga 95 ° C lub więcej przy temperaturze krawędzi karty wynoszącej 85 ° C (co często jest specyficznym czynnikiem wymaganie).

Odporność termiczna większości smaków FR-4 wynosi więc w tego typu kartach będzie wiele wewnętrznych metalowych warstw.$0.4 \frac {W} {mK}$

W niektórych sytuacjach może być konieczne użycie płytek PCB pokrytych termicznie, które, choć drogie, mogą być jedynym sposobem na odzyskanie ciepła.

Kilka innych komentarzy i odpowiedzi wspomniało, że obwody elektroniczne muszą znajdować się w obudowach, a ich własne wytwarzanie ciepła powoduje, że jest tam ciepło. To nie zostało wystarczająco zestresowane. W przypadku urządzeń przemysłowych, handlowych i motoryzacyjnych obwody elektroniczne często muszą być zamknięte w szczelnie zamkniętych obudowach, aby nie dopuścić do wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń. Ponadto powszechne są wyższe poziomy mocy. Istnieje wiele elementów sterowania silnikiem, elementów sterowania ogrzewaniem procesowym i różnego rodzaju potężnych siłowników. Mikrokontrolery muszą mieć możliwość pracy w tych samych obudowach z tego rodzaju sprzętem. W budynkach komercyjnych sterowniki silników i mikrokontrolery do ogrzewania urządzeń wentylacyjnych i chłodniczych są często instalowane w obudowach dachowych, które nie są kontrolowane temperaturowo.

Zwykłe urządzenia przemysłowe nagrzewają się z powodu własnego ciepła. Typowy wzrost temperatury wewnątrz szafy wynosi 20-30 stopni C. Jeśli zostanie umieszczony w budynku bez klimatyzatora, temperatura łatwo osiąga 70-80 stopni, a czasem nawet zasięg przemysłowy nie jest wystarczający. W takich przypadkach stosowane są wszystkie rodzaje chłodzenia: konwekcja pasywna, konwekcja wymuszona, chłodzenie wodne itp.

Dlaczego są tak wysoko? ponieważ otoczenie jest wysokie i nie wszystko będzie siedzieć w przyjemnym otoczeniu o kontrolowanej temperaturze ... Ludzie tego potrzebują, elektronika nie bierze samolotu ... części przymocowane do maski silnika będą miały temperaturę 85 ° C. Na wysokości części kadłuba doświadczą -55 ° C.

Chodzi o testy wypalenia. Wafel krzemowy ma pewne defekty podczas produkcji i każdy element musi przejść końcową kontrolę. Dlatego mają tak zwaną komorę do wypalania do testowania (nie wiem, czy istnieje zamrożenie, prawdopodobnie prawdopodobnie nie potrzebne), w których ustawia się różne temperatury, zgodnie z miejscem przeznaczenia na rynku.

W przypadku konsumentów większość układów scalonych przeżywa również w przypadku usterki. W przemyśle zawiodą ci, którzy mają duży wadliwy wafel, aw wojskowym palarni ci, którzy mają tylko niewielką wadę, zawiodą.

Więc jeśli masz szczęście, możesz zdobyć część konsumenta, która jest dobra jak wojsko. Zapomniałem wspomnieć - test jest zwykle niszczący dla wadliwych części.

Widzę, że zadajesz 3 pytania. Jedno główne pytanie i 2 pytania cząstkowe (1,2).

Odpowiedź na główne pytanie brzmi: produkty przemysłowe i wojskowe mogą faktycznie doświadczać określonego zakresu temperatur, a użytkownicy chcą mieć pewność, że produkty nie ulegną awarii , jeśli zostaną użyte w danym zakresie temperatur.

Odpowiedź na pytanie 1 jest taka, że należy wziąć pod uwagę dwa dodatkowe parametry: a) rozproszenie mocy, b) margines bezpieczeństwa.
Aby układ mógł rozpraszać energię, jego temperatura otoczenia powinna być o 35 ° C niższa niż temperatura wewnętrzna. Ponadto należy dopuścić margines bezpieczeństwa o 25 ° C niższy niż wymagana maksymalna temperatura. Aby uwzględnić te wymagania, produkt do stosowania w temperaturze otoczenia 50 ° C musi być zdolny do pracy w temperaturze nie mniejszej niż 110 ° C (50 + 35 + 25). Zatem wymaganie komponentów, które działają w temperaturze 125 ° C, wydaje się bardzo rozsądne.

Odpowiedź na pytanie drugie brzmi: nie , nie należy używać komponentów klasy komercyjnej , nie pozostawia marginesu bezpieczeństwa ! Musisz użyć klasy przemysłowej lub lepszej.

Prosta odpowiedź (po gorącej stronie, na której koncentruje się twoje pytanie), która w najlepszym razie została przytoczona w przypadku niektórych istniejących odpowiedzi, jest taka, że ​​rozproszenie mocy urządzenia może łatwo doprowadzić temperaturę urządzenia do (lub powyżej) wartości znamionowej temperatura. Zadaniem projektantów jest utrzymanie urządzenia w funkcjonalnym zakresie; jeśli urządzenie jest ocenione na 50 ° C i działa w środowisku 50 ° C, nie może rozproszyć ŻADNEJ mocy, więc nie może faktycznie działać bez aktywnego układu chłodzenia.

Urządzenie 125 ° C w tym samym 50 ° C ma 75 ° ciepła termicznego, co pozwala na rozproszenie mocy niezależnie od oporu cieplnego systemu.

Innym powodem jest to, że mogą być!

W zastosowaniach kosmicznych z pewnością polubią to (dla znacznie niższej temperatury).

Edytuj ze względu na niewyjaśnione głosowanie:

Może ta odpowiedź była dla kogoś za krótka. Pozwól, że wyjaśnię trochę więcej.

Oto strona z pewnymi wskazówkami.

• Górna granica samego krzemu wynosi zazwyczaj 150 ° C. Zatem limit opakowania nie może wynosić 150 ° C - 125 ° C jest rozsądnym limitem, jeśli pozwala na to opakowanie i zużycie energii.
• Dolna granica samego krzemu wynosi zgodnie z powyższym łącznikiem około -117 ° C (100 ° C). W praktyce za daleko od punktu projektowania układów scalonych.
• Jeśli limity dla obwodów komercyjnych i przemysłowych są większe, pojawia się kwestia ekonomiczna: trzeba by wyrzucić więcej urządzeń. I znów - aby utrzymać ekonomiczną atrakcyjność produktów do zastosowań komercyjnych i przemysłowych, limity operacyjne muszą być ograniczone - nie mogą być wyższe ekonomicznie (co jest mniej prawdziwe dzisiaj niż w przeszłości, kiedy te limity zostały zdefiniowane).
• Nie ma klasy kosmicznej, ponieważ rynek jest niewielki, a także dlatego, że nauczyli się współpracować z innymi klasami - na przykład elektronika jest umieszczona w środku satelity, gdzie temperatura mieści się w granicach i nie zmienia się zbytnio. Wykorzystują także określone konstrukcje - w szczególności urządzenia utwardzane promieniowaniem [promieniowanie może dostać się do rdzenia satelity] oraz technologię, która jest mniej podatna na promieniowanie.