Perché l'elettronica ha un limite di bassa temperatura?

A parte la condensa, perché i componenti elettronici di solito hanno un limite di bassa temperatura? Ad esempio il mio laptop dice qualcosa lungo la linea da -10 ° C a 75 ° C durante l'uso.

Riesco a capire il limite di temperatura elevata, poiché probabilmente le cose si scioglieranno!

Ma perché il freddo è una cosa così brutta?

A parte le batterie, quali componenti possono causare danni da freddo estremo e come?

Usarlo aumenterà il danno?

L'uso dell'attrezzatura compenserà questo danno (mentre si scalda dall'uso)?

Inoltre, sto parlando di temperature estreme inferiori a -50 ° C, quindi la condensa è ancora un problema?

Nota: non lo sto memorizzando, quindi non è un duplicato di un'altra domanda.

Nota 2: non sto parlando di semiconduttori, ma in generale.

Una volta ho progettato un amplificatore che avrebbe oscillato a -10 ° C. L'ho risolto cambiando il design per aggiungere più margine di fase. In questo caso, l'oscillazione non ha causato alcun danno, ma il circuito non ha funzionato bene in questa condizione e ha causato errori. Questi errori sono scomparsi a temperature più elevate.

Alcune plastiche si rompono quando si congelano. Il ghiaccio secco è di -78,5 ° C e ho rotto molta plastica con ghiaccio secco. Ad esempio, ho distrutto una ghiacciaia perfettamente perfetta che si è spezzata in piccoli pezzi nel punto in cui avevo un pezzo di ghiaccio secco.

Nei progetti a montaggio superficiale, il coefficiente di temperatura differenziale di espansione tra la scheda saldata al circuito e la scheda può causare forti sollecitazioni. La relazione stress-deformazione-temperatura spesso funziona a malapena nell'intervallo di temperatura specificato. Quando l'apparecchiatura viene accesa, i componenti caldi possono cambiare forma e rompere la plastica fragile, proprio come la mia vecchia ghiacciaia.

Se l'apparecchiatura è al di sotto di 0 ° C e la si porta in un bell'ufficio caldo e umido, l'acqua si condensa sui circuiti stampati e può causare problemi. Presumibilmente una cosa simile può succedere con il gelo, a seconda del tempo. Quando il gelo si scioglie, possono esserci problemi.

Quando ricevo attrezzature al mattino che sono state trasportate come merce aerea, presumo che recentemente sia stato molto freddo, e lo lascio riposare per alcune ore per riscaldarsi lentamente e rimanere asciutto prima di aprire la scatola in ufficio.

L'attivazione di una marcia molto fredda potrebbe essere interessante. Alcuni componenti che limitano la corrente, come un PTC o PPTC , passeranno molta più corrente.

Anche i lubrificanti nei motori come ventole e unità disco potrebbero essere un problema.

Posso darti una risposta perché ero stato uno di quelli che hanno scritto o verificato le specifiche dei circuiti integrati a semiconduttore.

Dal punto di vista giuridico ed etico, ho potuto solo approvare i parametri entro i quali abbiamo verificato che il processore / IC funzionerebbe. E poi il mio capo, e il suo capo, e tutti gli altri avrebbero visto le prove dei test e anche loro avrebbero sottoscritto quei vincoli.

Non potrei eticamente o legalmente firmare che un gruppo di processori funzionerebbe a -100 ° C, se non li avessi messi nella suite di test a -100 ° C.

Se scegli di utilizzare le tue apparecchiature a -50 ° C, equipaggiate con il processore che ho firmato con una soglia bassa di -15 ° C, la mia azienda non avrebbe più alcun obbligo nei confronti di quel processore. Hai rotto la garanzia.

Testare a -50 ° C è molto più costoso rispetto al test a -15 ° C. Dovrei verificare che il sito di test sia in realtà -50 ° C. È anche molto pericoloso.

Inoltre, è necessario un imballaggio speciale / ermetico affinché i circuiti integrati funzionino a temperature estremamente basse. A titolo di esempio estremo, l'imballaggio in plastica potrebbe sviluppare crepe o compromessi strutturali quando versiamo azoto liquido su di essi.

L'espansione differenziale tra lo stampo e la confezione potrebbe strappare lo stampo dal suo punto di attacco o rompere lo stampo.

Esistono prove di stress che includono la simulazione delle variazioni di temperatura nel funzionamento dell'IC. Supponi che il tuo laptop sia seduto in macchina a temperature congelate di -10 ° C. Lo accendi e in 5 minuti raggiunge una temperatura di 85 ° C. E per tutto l'inverno lo hai fatto ogni sera. Che dire dell'unità principale e del controller del computer che si trova nella tua auto, che guideresti per i prossimi 15 anni sottoposti a tali fluttuazioni ogni inverno nel nord del Maine?

C'erano troppi problemi meccanici che i miei colleghi di ingegneria meccanica dovevano affrontare quando si trattava di test a temperature estremamente basse. Quindi, quanto a bassa temperatura vorresti che verificassimo e quanto più in più sei il consumatore disposto a pagare per quel test a bassa temperatura?

Non possiamo semplicemente testare una o due unità per verificare l'assenza di problemi meccanici come incompatibilità tra die e packaging, a differenza delle persone che utilizzano le schede madri hot rod sperimentando l'overclocking con il solo uno o due processori che hanno acquistato da eBay. Dobbiamo progettare la distribuzione statistica accettabile e il piano di campionamento che rientrerebbe in tale distribuzione, che si applicherebbe a un flusso di circuiti integrati che scorre attraverso la linea di prodotti.

Occasionalmente, la legalità dei vincoli potrebbe essere piuttosto coinvolta, laddove l'agenzia governativa degli Stati Uniti richiede che l'OEM abbia il proprio rappresentante presente mentre testiamo quei circuiti integrati / processori, che potrebbero richiedere alcuni giorni per un batch. Quel rappresentante significherebbe che avevamo effettivamente effettuato tali prove a tali vincoli. Ecco come un processore da $ 100 costerebbe al governo americano $ 2000.

Tale che se l'agenzia governativa degli Stati Uniti decidesse in qualche modo di utilizzare l'apparecchiatura oltre i vincoli testati e verificati, non saremmo più legalmente ritenuti responsabili di eventuali incidenti o futuri malfunzionamenti.

A parte forse le batterie e forse i componenti LCD in genere non vengono danneggiati direttamente, anche a basse temperature estreme. Se le temperature vengono cambiate agli estremi, specialmente rapidamente, possono esserci danni fisici a causa della contrazione non corrispondente con la temperatura o i gradienti di temperatura.

Tuttavia, il funzionamento a basse temperature potrebbe non essere possibile - i componenti cambiano con la temperatura, al punto in cui potrebbero non funzionare più in modo affidabile, potrebbero non avviarsi o potrebbero chiudersi completamente. Il guadagno dei transistor bipolari diminuisce con la temperatura. Molto al di sotto di circa 50K la maggior parte delle parti bipolari smette di funzionare completamente a causa del congelamento del supporto. Alle calotte elettrolitiche non piacciono le temperature molto al di sotto del punto di congelamento e i loro cambiamenti (ESR più elevato e capacità inferiore) possono danneggiare altre parti. Le parti CMOS digitali possono funzionare più o meno bene, ma le parti analogiche di un chip potrebbero andare fuori specifica o non funzionare (come l'oscillatore di clock o BOR o ADC in un micro).

Ancora più cose strane accadono quando ci si avvicina allo zero assoluto - a 4,2 K (elio liquido), ad esempio, un 1N4148 può creare un oscillatore di rilassamento. Diventa ancora più freddo e la normale saldatura può perdere tutta la resistenza, il che suona davvero bene fino a quando non rimani intrappolato nel flusso magnetico.

Il problema di base è che la densità dei portatori di carica "liberi" nei semiconduttori è una forte funzione della temperatura. Quando la temperatura scende abbastanza in basso, non ci sono abbastanza vettori disponibili per consentire ai transistor, ecc. Di funzionare, e aumenta anche la resistenza in serie effettiva del semiconduttore di massa. Il guadagno complessivo del circuito scende al di sotto di quanto consentito dall'ingegnere progettista e non può più soddisfare le sue specifiche prestazionali.

Il limite di temperatura associato a un IC reale ha più a che fare con l'espansione / retrazione termica di cose come la fusione.

Un IC è composto da materiali diversi. Il dado, il substrato, i fili di legame, il metodo di legame, le gambe e il corpo. Al variare della temperatura, questi diversi materiali si espandono / contraggono e si strappano dagli altri materiali non cambiando alla stessa velocità.

Hai quindi la qualità del doping, più un problema ai margini del wafer. Ciò significa che le caratteristiche effettive rispetto alla scheda tecnica (tempo di salita, ritardo di propagazione, ecc.) Non soddisfano il minimo / massimo dichiarato poiché la mobilità degli elettroni è diversa (i produttori di solito eseguono un circuito integrato e effettuano test a temperatura militare. Se fallisce , test a temperatura industriale. Se anche questo fallisce, test a temperatura commerciale ... Se fallisce, lo scarta e lo aggiunge al suo numero di resa).

Quindi hai i dettagli del danno ... Il silicio non ha un limite inferiore rispetto ai semiconduttori. Ha un limite superiore a 175 ° C dove sarà danneggiato.

Gli LCD formeranno cristalli e si romperanno a temperature estreme e allo stesso modo i dielettrici nei condensatori inizieranno a guastarsi.

Altri problemi a temperature così basse sono ad esempio che gli LCD si stanno congelando e hanno una reazione molto lenta.

E il punto più importante per le moderne tecnologie IC è un effetto che le rende più lente a temperature più basse (vedi Affrontare le sfide di inversione di temperatura / temporizzazione del dominio multi-Vt e multi-tensione ).

Ho anche trovato questo interessante articolo che contiene alcuni altri punti importanti relativi ai problemi di bassa temperatura: Progettare l'elettronica per ambienti freddi .

Pochi motivi:

• in molti casi, è possibile utilizzare componenti al di sotto della temperatura minima, ma non aspettatevi che i parametri siano gli stessi specificati nel foglio dati
• i condensatori si ridurranno - la distanza tra gli elettrodi cambierà
• l'elettrolita nel condensatore potrebbe congelarsi e la capacità cambierà

• molti dispositivi elettronici sono realizzati con materiali diversi e possono agire come una rottura bimetallica quando si cambia la temperatura in un ampio intervallo. In molti casi i produttori fanno il possibile per evitarlo utilizzando materiali con coefficiente di dilatazione termica simile, ma a volte ciò è impossibile o semplicemente non necessario

  

  Immagino sia per questo che i dispositivi ad alta potenza sono racchiusi in alta temperatura. Ad esempio: alcuni diodi CREE sono accoppiati a 85 ° C (185 ° F).

A volte non si tratta della temperatura minima, a volte riguarda quanto è ampio l'intervallo di temperatura .

Se il tuo dispositivo dovrebbe funzionare a temperature molto basse, dovresti leggere sulla trasformazione allotropica dello stagno .

Il silicio in particolare dipende dall'eccitazione termica dei suoi droganti per agire come un semiconduttore, rendendo la natura delle sue proprietà dei semiconduttori altamente dipendente dalla temperatura. Ciò offre un limite operativo basso fondamentale e un intervallo di temperatura abbastanza ristretto su cui è possibile progettare il chip su cui lavorare. Se hai bisogno di componenti elettronici che funzionano in un ampio intervallo di temperature, non usi il silicone. L'elettronica al gallio Arsnide funziona fino al millikelvin e al di sotto, ma è molto più costosa.

I resistori sono progettati con una miscela di materiali con diverse proprietà termiche, in modo che gli effetti termici si annullino e forniscano un valore di resistenza che è approssimativamente costante rispetto alla temperatura, nell'intervallo specificato.

Al di fuori dell'intervallo di temperatura specificato, la resistenza di una resistenza può e divergerà selvaggiamente dal valore specificato.

Per motivi di interesse, i resistori di precisione a volte bilanciano la dipendenza dalla temperatura residua con una dipendenza dalla deformazione dimensionale: quando il substrato si restringe o cresce con la temperatura, la deformazione sull'elemento resistivo cambia la sua resistenza, compensando parte della dipendenza dalla temperatura rimanente del resistivo Materiale.

Un altro fattore è il timing digitale a basse temperature. I circuiti digitali in genere funzionano più velocemente a temperature più basse, ma i tempi dei circuiti potrebbero non funzionare (ad esempio i registri interni potrebbero non funzionare a causa di violazioni del tempo di attesa), quindi il circuito non funzionerebbe correttamente. In un laptop l'HDD probabilmente non funzionerebbe a causa di problemi meccanici (ad es. Le testine non si allineano correttamente sulle tracce del disco).

In generale, il freddo rende più veloci le giunzioni dei semiconduttori e il freddo è meglio. -50C in realtà è piuttosto modesto, i grandi problemi si verificano molto più in basso.

Ma molto può andare storto. Il ciclismo termico durante il giorno può causare stress termici. La condensa può insorgere e causare problemi reali, in particolare quando una superficie fredda colpisce l'aria calda umida.

Quindi la tua domanda è davvero incompleta. Se conservato in una camera termica a -50 ° C, il tuo laptop sarebbe probabilmente abbastanza felice a tempo indeterminato. Ma se spostato dentro e fuori da -50 ° C, c'è molto spazio per i problemi. La temperatura assoluta è un fattore, così come l'intervallo di umidità, l'intervallo di temperature e l'entità dello shock fisico a basse temperature.