È possibile far funzionare un MCU a -55 gradi, con specifiche di ambiente di lavoro da -40 a 85 gradi?

Ho sentito che qualcuno ha menzionato il metodo di screening: avere 10 MCU funzionanti a -55 gradi e scoprire quelli che possono funzionare correttamente, gettando via quelli rotti.

Il metodo è applicabile? Sono preoccupato che l'MCU possa funzionare correttamente a -55 gradi nel mio test di screening e fallire nel vero ambiente di lavoro.

In caso contrario, quali potrebbero essere le possibili soluzioni? Stiamo usando stm32f4, grazie alle sue ottime prestazioni DSP. Abbiamo scoperto che le MCU che funzionano a -55 gradi non hanno DSP e possono funzionare solo a basse frequenze intorno a 20 MHz.

Il modo rozzo che ti assicureresti di non essere al limite dell'operazione sarebbe quello di testarlo al di fuori dell'intervallo. Ad esempio, è possibile testare le parti a una temperatura di -65 ° C a una velocità di clock superiore e una tensione superiore / inferiore al normale.

Il produttore probabilmente non effettua test a temperature estreme, ma sa quanto margine è necessario in condizioni di test e lo verifica. Sanno anche come assicurarsi di testare tutto . Non ne sai nulla. Ad esempio, qualcosa come un oscillatore potrebbe funzionare bene fino a -40 ° C e una volta iniziato a lavorare a temperature molto basse, ma alcuni potrebbero non avviarsi a -45 ° C. Un'istruzione particolare può iniziare a fallire per prima a causa di alcune condizioni di temporizzazione.

Se il produttore è in grado di fornire unità qualificate a quella temperatura, sarebbe meglio. O lobby per un requisito rilassato. Oppure metti lì i riscaldatori per garantire una temperatura minima dopo un periodo di riscaldamento accettabile (forse inibisci il funzionamento fino al raggiungimento di temperature accettabili).

È probabile che se le parti devono soddisfare una gamma di temperature più basse militari, devi davvero essere sicuro che funzioni in modo affidabile.

Come hai detto, è impossibile dire se l'unità ha degradato durante i test al di fuori del suo intervallo di temperatura. Hai due opzioni:

1. Contattare il produttore chiedendo loro quali temperature estreme le parti dovrebbero essere in grado di resistere. Perché potresti aver notato che gli intervalli di temperatura sono molto simili. I produttori possono scegliere un intervallo di temperatura che è stato comunemente specificato, che è fattibile e tuttavia attraente per i potenziali clienti, quindi testare a quell'intervallo di temperatura anche se potrebbero pensare che le parti potrebbero essere più robuste. Il test è costoso. Se rispondono miracolosamente, garantisco che non risponderanno mai con certezza e diranno che è tua responsabilità se le tue parti muoiono. Tuttavia, potresti essere più rassicurato riguardo al test dell'unità e al loro utilizzo in quell'intervallo di temperatura esteso, a seconda del tuo obiettivo di affidabilità.
2. Utilizzare riscaldatori, sensori di temperatura e un sistema di controllo (che può essere lo stesso microcontrollore + un driver) per controllare la temperatura entro i limiti impostati. Hai la fortuna di voler operare a basse temperature, il che è più facile ed economico per la stessa differenza di temperatura ambiente. Onestamente, questo non è un problema per un sistema molto più affidabile. Basta fare calcoli approssimativi per il fabbisogno di potenza del riscaldatore, quindi saldare un resistore di potenza e un termistore vicino al chip, aggiungere un driver per il riscaldatore (che potrebbe essere un semplice transistor) e controllarli da un controller proporzionale integrale che funziona a bassa frequenza in background. Questa è 1 equazione da risolvere, ~ 5-6 componenti e ~ 10 righe di codice. Non è nemmeno necessario utilizzare il controllo PI, i comparatori con l'isteresi potrebbero fare il lavoro.

Ciò a cui ti riferisci viene talvolta chiamato "uprating". È l'opposto del "declassamento", che si farebbe con alcuni o tutti i componenti a seconda dell'applicazione e delle esigenze di affidabilità.

Ecco un vecchio articolo sul tema dell'upgrade. La loro raccomandazione alla fine è buona - contatta il produttore per capire cosa potrebbe essere influenzato dal funzionamento a bassa temperatura. Non garantiranno mai operazioni al di fuori dei loro limiti (a meno che tu non sia un cliente importante / strategico per loro) ma potrebbero essere in grado di fornire alcune indicazioni su ciò di cui sarebbero maggiormente preoccupati, che potrebbe aiutarti a formulare un test / schermo di buona vita.

La vera risposta dipende da tonnellate di fattori. Vedrà cicli termici (passando tra caldo e freddo) o semplicemente abbassandosi a -55 ° C? Il ciclo termico provoca guasti meccanici nei fili di collegamento e nell'imballaggio IC. È un'applicazione "una tantum" vs "mission critical", cioè quali sono le conseguenze di vedere un fallimento. Se è un 'una tantum' (unità singola in costruzione per un uso a breve termine), potresti essere d'accordo con il test di alcune unità. Se si tratta di una situazione mission-critical o la parte verrà utilizzata in modo permanente a bassa temperatura, probabilmente vorrai dedicare più sforzi alla qualifica.

Lo screening come questo è stato fatto per applicazioni militari per anni. La cosa importante da capire è dov'è la vera "scogliera" nelle prestazioni delle parti. Siamo tutti d'accordo sul fatto che le parti probabilmente non funzioneranno a -200 ° C. E probabilmente possiamo essere tutti d'accordo sul fatto che le parti funzioneranno probabilmente bene a -41C (appena fuori dal campo operativo STM32F). Il produttore ha inserito una fascia di protezione sul campo operativo dei suoi componenti.

Le domande rilevanti sono: puoi capire dove si trova la banda di guardia (e include l'intervallo di temperatura inferiore desiderato) e cambierà mai tra più lotti?

Capire che sarà necessario testare molte parti per ottenere buone statistiche sull'affidabilità delle parti a bassa temperatura e su come si presenta la distribuzione del loro guasto, in modo da poter prevedere se è probabile che appaia la modalità di guasto nella propria implementazione. E poi, una volta che il prodotto è in produzione, dovrai monitorare le prestazioni dei pezzi con una sorta di campionamento di accettazione .

Un approccio alternativo a tutto ciò è quello di installare un riscaldatore e utilizzare il sensore di temperatura die dell'STM32F come feedback nel circuito di controllo del riscaldatore. Non aiuta per un avvio a freddo, ma se si tratta di un'unità in esecuzione continua potrebbe essere ok.

Suppongo che la MCU sia CMOS anche se non lo dici tu. Tutte le MCU soffrono di problemi di autoriscaldamento che limitano la massima temperatura operativa. Ad esempio un iPhone con il caricabatterie collegato potrebbe sentire circa 50 ° C al tocco ma essere 125 ° C o più internamente durante il funzionamento. Pertanto, il limite di test per la tua MCU, normalmente controllato durante la qualificazione con una termostream, garantirà che il limite di progettazione sia OK. Una volta che si scende al di sotto di tale limite, i ritardi dei transistor si ridurranno, il che introduce la possibilità di rischi per la corsa. Inoltre, la concentrazione intrinseca del vettore ridurrà il che avrà un effetto sulla mobilità. Se l'MCU ha convertitori A / D o D / A, le loro caratteristiche, ad esempio l'errore massimo, potrebbero aumentare o non funzionare affatto.

Declassare la frequenza non aiuta affatto (questo può aiutare con le alte temperature). Il principale svantaggio dell'utilizzo del dispositivo al di fuori del suo intervallo è che anche se la probabilità di errore è bassa, sarà comunque significativa con l'esecuzione di milioni di istruzioni al secondo. Se non si è troppo precisi riguardo al consumo di energia, è possibile disabilitare le routine di risparmio energetico nel proprio codice (come arresto, sospensione, ecc.) E ciò comporterà un piccolo effetto di auto-riscaldamento, che potrebbe essere migliorato utilizzando un isolamento spesso . Tuttavia, se il dispositivo deve funzionare a temperature molto basse e alte, questo sarebbe un problema.

Prequalificare il tuo dispositivo non sarà di grande aiuto a meno che tu non abbia accesso a lotti lenti e veloci del tuo produttore; questi saranno estremi del doping e altri parametri come lo spessore del metallo per valutare l'affidabilità.

Se si dispone di un budget elevato, è possibile concedere in licenza il proprio processore da ARM o da uno dei suoi concorrenti e indurirlo da soli secondo le proprie specifiche di temperatura. Questo è noto come approccio COT (Customer Owning Tooling). Se necessario, è possibile concedere in licenza anche l'IP e le periferiche del controller di memoria. Un'alternativa sarebbe rivolgersi a un produttore specializzato nella personalizzazione e chiedere loro di prequalificare il prodotto richiesto in un intervallo di temperatura esteso.

Un produttore che esegue la personalizzazione avrà accesso a tutti i database CAD (computer aided design) necessari per verificare un chip. È quindi semplice riconvalidare il progetto a una temperatura più bassa. Tuttavia, possono fare affidamento su un secondo fornitore per caratterizzare il silicio a una temperatura al di fuori del normale intervallo. Ciò richiede una vasta gamma di simulazioni SPICE ed esperimenti di caratterizzazione delle biblioteche associati, che potrebbero essere al di fuori dell'ambito di ciò che sono disposti a fare per tutti tranne il cliente più grande. Come parte di questo processo, la termostream menzionata in precedenza può essere utilizzata per verificare che i lotti divisi continuino a passare i loro vettori di prova alla bassa temperatura specificata. Ciò può anche comportare una perdita di rendimento, come indicato da altre risposte.