Perché la gamma di temperature dei prodotti industriali e militari è così alta?

Da Wikipedia l'intervallo di temperatura comune per i componenti elettrici è:

Commerciale: da 0 a 70 ° C

Industriale: da -40 a 85 ° C

Militare: da -55 a 125 ° C

Riesco a capire la parte inferiore (-40 ° C e -55 ° C) poiché queste temperature esistono in paesi freddi come il Canada o la Russia, o ad alta quota, ma la parte più alta (85 ° C o 125 ° C) è una un po 'confuso per alcune parti.

Il riscaldamento di transistor, condensatori e resistori è molto comprensibile, ma alcuni circuiti integrati hanno una generazione di calore bassa approssimativamente costante (come le porte logiche)

1. Se sto prendendo in considerazione un microcontrollore o operato in un deserto del Sahara a una temperatura di 50 ° C (non so se c'è una temperatura più elevata sulla terra) perché dovrei avere bisogno di 125 ° C o 85 ° C? Il calore accumulato dalla perdita di potenza interna non dovrebbe essere di 50 ° C o 70 ° C, altrimenti la parte commerciale si guasterebbe immediatamente, ad esempio in un ambiente a 25 ° C?

2. Se vivo in un clima moderato in cui le temperature possono oscillare solo nell'intervallo 0–35 ° C tutto l'anno e progettando prodotti industriali solo per lo stesso paese (nessuna esportazione) potrei usare componenti di livello commerciale (supponendo che non vi siano certificazioni, normative e la responsabilità esiste e solo l'etica ingegneristica regola le tue azioni)?

La temperatura massima che il silicio sperimenta può essere molto più che ambiente. 50 ° C di temperatura ambiente certamente accade. Sono solo 122 ° F. L'ho sperimentato personalmente nel rifugio Kofa Wildlife a nord di Yuma in Arizona. Devi progettare nel caso peggiore, non nel caso desiderato. Quindi diciamo che l'ambiente può essere di 60 ° C (140 ° F).

Questo da solo non è un grosso problema, ma non lo capisci da solo. Prendi lo stesso termometro che legge 60 ° C all'aria aperta e mettilo in una scatola di metallo seduto per terra al sole. Sta diventando molto più caldo.

Ho visto qualcuno friggere un uovo sul cofano di un'auto al sole a Phoenix, AZ. Certo, questa era un'acrobazia creata deliberatamente per questo scopo. L'auto era parcheggiata ad angolo retto, il cofano era inclinato ad angolo retto e dipinto di nero piatto. Tuttavia, mostra ancora che solo un pezzo di metallo seduto al sole può diventare molto caldo.

Una volta ho lasciato un'auto parcheggiata all'aeroporto di Las Vegas per alcuni giorni. Avevo lasciato una di quelle penne a sfera "stick" economiche sul cruscotto, sporgendo parzialmente sul lato. Quando sono tornato, la penna era piegata a 90 ° sul labbro del cruscotto. Non so a che temperatura si fondano tali penne, ma chiaramente diventa molto più caldo dell'ambiente in condizioni abbastanza comuni in una scatola chiusa.

Se lasciassi un pezzo di elettronica di consumo a buon mercato sul cruscotto al sole e non funzionasse, probabilmente saresti un po 'irritato, quindi gettalo e sostituiscilo. Se il controller per la tua pompa dell'olio smettesse di funzionare in estate perché faceva troppo caldo, perderesti un sacco di soldi, saresti piuttosto arrabbiato e probabilmente acquisterai la sostituzione da un'azienda diversa che prende più seriamente la qualità. Se il tuo sistema di difesa antimissile ha smesso di funzionare perché lo hai schierato nel deserto dell'Iraq invece di un bel comodo campo di prova in Massachusetts, dove è stato sviluppato, saresti morto. Gli addetti all'approvvigionamento che non vengono licenziati presteranno particolare attenzione a richiedere che tutta l'elettronica funzioni a temperature elevate e insistono affinché venga testato in tali condizioni.

Prima di tutto, l'equipaggiamento militare è costoso. Puoi permetterti di testare effettivamente le temperature elevate solo se il tuo cliente è disposto a pagare. I clienti militari tendono ad avere budget che le persone normali possono solo sognare.

Quindi, ovviamente, se metti un IC in un missile, potresti non voler fallire quella cosa se il tuo missile si surriscalda dalla sua estremità in fiamme o dalla sua estremità di attrito aereo. Lo stesso vale per le cose che potrebbero essere messe in un satellite, un razzo intercontinentale ecc.: Non appena colpisci lo spazio e sei nell'ombra della terra, le cose possono diventare davvero fredde. Militare e aerospaziale (che in genere sono per lo più le stesse aziende) sono il tipico luogo in cui ti aspetteresti che un dispositivo resista a molti G di accelerazione, sia caldo-freddo-caldo-freddo-caldo in pochi secondi, debba comunque essere estremamente ben integrato e leggero, e dove i costi non contano molto rispetto al rischio:

La differenza principale (a parte il modo in cui la gestione della temperatura viene eseguita fisicamente), tuttavia, è semplicemente che questi tre gruppi di applicazioni eseguono un diverso tipo di valutazione del rischio:

• dispositivo di livello consumer / commerciale : 1/5000 dei tuoi televisori si guastano entro cinque anni perché alcuni circuiti integrati si riscaldano troppo a lungo. Brutta cosa. Molti clienti ne riceveranno solo uno nuovo. Per i restanti 1 / 10.000 clienti, dovrai fare un servizio (calcolalo nel costo del tuo prodotto) o vivere con un'immagine degradata (cosa che non devi davvero fare, perché i tuoi concorrenti fanno lo stesso). Pertanto, avere più margine di sicurezza nei progetti non ha molto senso, tanto quanto testare i componenti al limite delle condizioni ambientali ipotizzabili. Sei in un mercato in cui il prezzo è più importante e il tasso di fallimento è principalmente una preoccupazione per le finanze del produttore.
• dispositivo di livello industriale : il tuo cliente è qualcuno che sta fondando una linea di produzione forse molto costosa sul tuo prodotto. Diciamo che la linea di produzione di Volkswagen è ferma per 8 ore perché il tuo IC non ha funzionato. È una perdita molto solida che hai appena causato. VW sarà disposta a pagare un extra solo per assicurarsi che i propri fornitori si assicurino di aver testato i componenti per tutti gli ambienti che potrebbero verificarsi, e un po 'oltre, per mantenere gestibile quel rischio.
• dispositivo di grado automobilistico : sono in gioco vite umane. Questo non è così importante come il fatto che le auto vibrano come l'inferno, sono complesse come l'inferno, diventano parzialmente calde come l'inferno e vengono distribuite in milioni , il che significa che capire quale componente diventa un po 'caldo per funzionare in modo affidabile (anche se è solo qualcosa di non critico per la sicurezza) significa che potrebbe essere necessario eseguire la manutenzione di molte auto, il che è davvero costoso e si rischia effettivamente l'immagine del proprio marchio. Ogni paese ha i suoi pregiudizi contro "quella casa automobilistica con scadente affidabilità e elettronica scadente", e sta gravemente danneggiando le loro vendite.
• dispositivo di livello militare : beh, la promessa dei militari è di essere pronta ogni volta che vuoi. Essi non rischiare nulla in mancanza, solo perché non hanno chiesto tutti i fornitori per soddisfare le specifiche ambientali estreme. È così che rotolano: non lasciare nulla a rischio, soprattutto se la tua applicazione è comunque cara (pensa agli aerei da combattimento) o viene distribuita in decine di migliaia ed è ancora critica per la vita e la missione (pensa alle apparecchiature di comunicazione militare).

Le attrezzature militari (e aerospaziali in generale) sono spesso:

1. In una baia non depressa, il che significa che il raffreddamento dell'attrezzatura avviene per conduzione. Il raffreddamento per convezione perde significato a 30.000 piedi in quanto vi sono pochissime molecole d'aria per trasferire calore per convezione. È molto più difficile trasferire efficacemente il calore solo per conduzione.

2. In una zona di abbagliamento (pensa proprio sotto il baldacchino di un aereo da caccia) e quest'area può essere molto calda.

3. In una baia in cui la temperatura ambiente può essere superiore a 70 ° C.

4. Nel bordo anteriore di un'ala, che può variare in temperatura da condizioni di ghiaccio (ben al di sotto dello zero) a molto caldo (a Mach 2 o giù di lì, l'attrito anche delle poche molecole disponibili è ancora molto alto; ecco perché lo space shuttle aveva elaborato gestione del calore per il rientro).

Non è insolito avere un requisito di temperatura del bordo della scheda di 85 ° C per brevi periodi (in genere 30 minuti) e non richiede molta attività del processore (per citare solo un tipo di dispositivo) per aumentare la temperatura di giunzione a 120 ° C o più.

In sintesi, gli ambienti militari e aerospaziali sono davvero difficili (come lo sono per inciso le applicazioni di down hole).

Come notato da altri, parti di qualità militare pienamente qualificate possono essere costose (fino a 10 volte il costo dell'equivalente commerciale e in alcuni casi di più); in risposta a ciò, alcuni produttori hanno istituito programmi di screening per le parti in plastica che hanno ancora un premio, ma non tanto quanto le soluzioni precedenti.

[Aggiornare]

In risposta al commento sulle temperature del bordo della scheda, ecco un tipico telaio raffreddato a conduzione:

La parte esterna del telaio è conosciuta come una parete fredda (dove possiamo conoscere la temperatura) e può semplicemente essere in metallo o avere altri metodi per mantenere una temperatura ragionevolmente nota.

Ora ecco una carta tipica, con scale di calore:

Questi sono spesso realizzati in alluminio (è economico e ha parametri termici decenti) e le scale sono in contatto con i bordi laterali della custodia sopra; poiché ci sarà un po 'di differenziale di calore tra l'esterno e l'interno della scatola, il requisito di resistenza alla temperatura per il PCB è impostato su questa scala di calore interna, che è, come puoi vedere sul bordo della scheda .

Dato che il calore deve arrivare dai componenti fino a questo punto, non è insolito che il PCB di un componente caldo (come un processore o una GPU) arrivi a 95 ° C o più con una temperatura del bordo della scheda di 85 ° C (che è spesso una specifica Requisiti).

$0.4 \frac {W} {mK}$ così un sacco di strati metallici interni esisterà in questo tipo di carta.

In alcune situazioni, potrebbe essere necessario utilizzare PCB rivestiti termicamente che, sebbene costosi, potrebbero essere l'unico modo per dissipare il calore.

Numerosi altri commenti e risposte hanno affermato che i circuiti elettronici devono trovarsi in involucri e che la loro stessa produzione di calore li rende caldi. Questo non è stato sottolineato abbastanza. Per le apparecchiature industriali, commerciali e automobilistiche, i circuiti elettronici spesso devono essere sigillati in involucri ermeticamente chiusi per evitare ogni tipo di contaminante. Inoltre, sono comuni livelli di potenza più elevati. Ci sono molti controlli motore, controlli di riscaldamento di processo e potenti attuatori di vario genere. I microcontrollori devono essere in grado di funzionare negli stessi contenitori con quel tipo di apparecchiatura. Negli edifici commerciali, i controllori di motori e i microcontroller per il riscaldamento di impianti di ventilazione e refrigerazione sono spesso installati in armadi sul tetto che non sono sottoposti a controllo della temperatura.

Le apparecchiature industriali comuni si surriscaldano a causa del proprio calore. Un tipico aumento di temperatura all'interno di un recinto è di 20-30 gradi C. Se collocato in un edificio senza condizionatore d'aria, la temperatura si sposta facilmente verso i 70-80 gradi, e talvolta anche la gamma industriale non è sufficiente. In tali casi vengono utilizzati tutti i tipi di raffreddamento: convezione passiva, convezione forzata, raffreddamento ad acqua, ecc.

Perché sono così alti? perché l'ambiente è alto e non tutto sarà seduto in un piacevole ambiente a temperatura controllata ... Gli umani ne hanno bisogno, l'elettronica non prende un aereo ... le parti attaccate alla calandra del motore avranno un ambiente di 85 ° C. In quota parti della fusoliera subiranno -55 ° C.

Si tratta di test di burn-in. Il wafer di silicio presenta alcuni difetti quando viene prodotto e ogni elemento deve superare un controllo finale. Pertanto hanno una cosiddetta camera di burn-in per i test (non so per l'esistenza del congelamento, probabilmente non necessario) in cui sono impostate temperature diverse, in base alla destinazione del mercato.

Nel consumatore, la maggior parte dei circuiti integrati sopravvive anche in presenza di un difetto. Nell'industria, quelli con un grande wafer difettoso falliranno, nella stanza di combustione militare, quelli con solo un piccolo difetto falliranno.

Quindi, se sei fortunato, puoi ottenere una parte di consumo che è buona come militare. Ho dimenticato di menzionare: il test è generalmente distruttivo per le parti difettose.

A mio avviso, stai facendo 3 domande. Una domanda principale e 2 domande secondarie (1,2).

La risposta alla domanda principale è che i prodotti industriali e militari potrebbero effettivamente sperimentare l'intervallo di temperatura specificato e gli utenti vogliono essere certi che i prodotti non falliranno , se utilizzati entro l'intervallo di temperatura indicato.

La risposta alla sotto-domanda 1 è che ci sono due parametri aggiuntivi che devono essere considerati: a) dissipazione di potenza, b) margine di sicurezza.
Affinché un chip sia in grado di dissipare energia, la sua temperatura ambiente dovrebbe essere inferiore di 35 ° C rispetto alla temperatura interna. Inoltre, si dovrebbe consentire un margine di sicurezza di 25 ° C inferiore alla temperatura massima richiesta. Per tenere conto di questi requisiti, un prodotto da utilizzare con una temperatura ambiente di 50 ° C deve essere in grado di funzionare a non meno di 110 ° C (50 + 35 + 25). Quindi, richiedere componenti che funzionano a 125 ° C, sembra molto ragionevole.

La risposta alla domanda secondaria 2 è no , non dovresti usare componenti di livello commerciale , non lascia alcun margine di sicurezza ! È necessario utilizzare un livello industriale o superiore.

La semplice risposta (sul lato caldo, che è il punto su cui è focalizzata la tua domanda) che è trattata al meglio su alcune delle risposte esistenti è che la dissipazione di potenza del dispositivo può facilmente portare la temperatura del dispositivo fino a (o oltre) il valore nominale temperatura. Il compito dei progettisti è cercare di mantenere il dispositivo in un intervallo funzionale; se il dispositivo è classificato per 50 ° C e funziona in un ambiente 50 ° C, non può dissipare QUALSIASI potenza, quindi non può effettivamente funzionare senza un sistema di raffreddamento attivo.

Un dispositivo 125C nella stessa 50C ha 75C di headroom termico che consente di dissipare energia a qualsiasi resistenza termica si applichi al sistema.

Un altro motivo è: perché possono essere!

Per le applicazioni spaziali sicuramente lo apprezzeranno più in alto (per una temperatura molto più bassa).

Modifica a causa di un downvote inspiegabile:

Forse questa risposta era troppo breve per qualcuno. Lasciami spiegare un po 'di più.

Ecco una pagina che fornisce anche alcune indicazioni.

• Il limite superiore del silicio stesso è in genere di 150 ° C. Quindi il limite del pacchetto non può essere di 150 ° C - 125 ° C è un limite ragionevole se l'imballaggio e il consumo di energia lo consentono.
• Il limite inferiore dell'attuale silicio stesso è secondo il collegamento sopra a circa -117 ° C (100 ° C). In pratica troppo lontano dal punto di progettazione dei circuiti integrati.
• Se i limiti per i circuiti commerciali e industriali sono più grandi, allora c'è la questione economica: più dispositivi dovrebbero essere gettati via. Ancora una volta - per mantenere i prodotti economicamente interessanti per applicazioni commerciali e industriali, i limiti operativi devono essere limitati - non possono essere economicamente più alti (cosa che oggi è meno vera di quanto non fosse in passato quando questi limiti erano stati definiti).
• Non ci sono spazi spaziali perché il mercato è piccolo e anche perché hanno imparato a lavorare con le altre classi - per esempio l'elettronica è posta al centro del satellite dove la temperatura è entro i limiti e non varia troppo. Usano anche progetti specifici - in particolare i dispositivi temprati dalle radiazioni [le radiazioni possono arrivare al centro del satellite] e la tecnologia che è meno soggetta alle radiazioni.