Temperatura minima di funzionamento - Spazio esterno?

Ho esaminato alcuni microcontrollori e ho visto che hanno delle temperature di funzionamento minime "strane", come -25 gradi o -10 gradi ecc. Ma non riesco davvero a capire perché esiste un minimo, un massimo Capisco perché tutto si scioglie e si rompe, la resistenza aumenta rendendo i segnali troppo deboli. Ma quando vai al lato freddo. Tutto diventa sempre meglio, la resistenza si riduce, tutto diventa più stabile. Ma ancora ... la temperatura operativa minima è di -25 gradi ... Perché non è 0 Kelvin?

Poiché stavo pensando al mars-rover e ad altri satelliti, quando sono dietro il sole funzionano a circa 0-50 kelvin, il mars-rover ... secondo wiki fa freddo come -87 ° C (- 125 ° F). E questo è ancora molto più freddo di -25 gradi.

Quindi, qualcuno può spiegarmi perché i microcontrollori hanno una temperatura operativa minima? Più approfondito, meglio è.

2a modifica! Modificata la mia risposta sui semiconduttori in base alla risposta di jk qui sotto, leggi la cronologia se vuoi vedere i bit sbagliati che ho modificato!

Tutto diventa strano entro certi limiti. Voglio dire, certo, la resistenza migliora nei conduttori ma aumenta nei semiconduttori e questo cambia effetti sul funzionamento dell'IC. Ricorda che il modo in cui i transistor funzionano sulla base del fatto che puoi modificarne la resistenza e se la temperatura scende così in basso da non poter più diminuire la loro resistenza, hai un problema! Immagina che all'improvviso il tuo semiconduttore sia diventato essenzialmente un resistore ... come lo controlli? Non si comporta più allo stesso modo! Ora sono un po 'confuso su dove stai ottenendo i -25 ° C, dato che le specifiche industriali / militari dovrebbero metterlo a -40 ° C per la minima temperatura operativa.

Ma per la domanda spaziale, posso rispondere mentre lavoro in un laboratorio spaziale! In generale hai tre problemi termici nello spazio:

1) Nello spazio, irradi solo calore. Le radiazioni sono un modo terribile per sbarazzarsi del calore. Nell'atmosfera, conduci calore nell'aria intorno a te, il che rende molto più facile il raffreddamento. Quindi, nello spazio, devi mettere grandi dissipatori di calore per ottenere il calore in superfici radiative più grandi.

2) Se hai un componente che non genera calore, lo spazio è felice per farti raffreddare davvero! In generale, ciò che fai è avere elementi riscaldanti attivi per mantenere i componenti che non generano più calore di quello che irradiano ma hanno limiti termici.

3) Gli sbalzi di calore sono comuni perché uscirai e rientrerai nei raggi del sole. Quindi devi avere una gestione termica attiva in cui hai un grande dissipatore di calore che può irradiare calore quando fa caldo e un riscaldatore per quando non lo è.

Puoi anche ottenere dispositivi con intervallo di temperatura esteso che vanno sempre più in basso, ma c'è quasi sempre un limite. Alcuni di questi sono per i casi in cui la temperatura fredda romperà lo stampo perché il metallo si restringerà più della plastica (o viceversa), motivo per cui elencano anche i limiti per lo stoccaggio!

Il limite è principalmente nei materiali. Inoltre, si tende a ottenere trucioli spaziali in ceramica per l'imballaggio, che possono anche aumentare o ridurre i limiti termici.

Spero comunque che questo lo spieghi per te. Posso provare a rispondere a qualsiasi altra domanda, ma ammetto che la fisica dei semiconduttori a bassa temperatura non è il mio forte!

1a modifica:

Ecco un link a una voce di Wikipedia sull'idea che a temperature più basse ci sono meno elettroni che sono abbastanza eccitati da generare un flusso di corrente attraverso un reticolo a semiconduttore. Questo dovrebbe darti una buona idea del perché la resistenza diventa più alta e perché 0 Kelvin non sarebbe mai stata un'opzione.

La risposta di Kit è assolutamente esatta sui componenti nello spazio, ma ho pensato di espandere un po 'i semiconduttori contro i conduttori (molto vagamente senza la matematica).

La resistenza dei conduttori diminuisce con un calo della temperatura. Questo è vagamente, perché la resistenza viene dagli elettroni a flusso libero che vengono rallentati dalle vibrazioni nel reticolo cristallino attraverso cui fluiscono. Abbassare la temperatura significa meno vibrazioni.

La resistenza dei semiconduttori aumenta con un calo della temperatura. Questo è vagamente, perché in primo luogo non hanno elettroni liberi per trasportare la carica a basse temperature. Man mano che vengono riscaldati ottengono più portatori di carica e questo pesa di più la resistenza derivante dall'aumento delle vibrazioni nella struttura.

Infine, i superconduttori si basano su strani fenomeni quantistici. O a temperature molto molto fredde e / o avendo i loro elettroni liberi confinati in un film 2d piuttosto che in un solido 3d che consente alla fisica di diventare più strana.

aggiunto Aerospace Vehicle Systems Institute (AVSI) ha condotto ricerche su questa domanda.

"Accurato approccio quantitativo alla fisica dei guasti all'affidabilità dei circuiti integrati" Le loro conclusioni si basano sulla fisica e sull'analisi delle cause alla radice, soprattutto perché le dimensioni delle caratteristiche hanno ridotto gli ordini di grandezza negli ultimi 30 anni.

1) ElectroMigration (EM) (contaminazione di semiconduttori da perdita lenta di ioni metallici)

2) Ripartizione dielettrica dipendente dal tempo (TDDB) o tunneling lento di un percorso del conduttore attraverso l'isolante di ossido da campi deboli (e radiazione gamma)

3) Hot Carrier Injection (HCI) , quando una concentrazione di buchi salta una barriera dielettrica nelle trappole di carica utilizzate dalle celle di memoria per alterare in modo permanente lo stato di memoria causato dalle radiazioni che erodono gradualmente il margine fino al fallimento.

4) Le sollecitazioni NBTI di instabilità della temperatura di polarizzazione negativa (NBTI) , che spostano le tensioni di soglia dei transistor PMOS, sono diventate più importanti quando le geometrie dei transistor raggiungono 90 nm e sotto e sono aggravate da trappole di carica statiche di lunga durata sufficienti a causare guasti.

Questi QUATTRO MOTIVI di cui sopra sono ora i più comuni con circuiti integrati nello spazio profondo e circuiti integrati di consumo. Lo spazio ha più radiazioni e fattori di stress ambientale. La Legge di Moore ha anche accelerato queste nuove modalità di fallimento.

Storicamente, la ragione generica più comune per i vecchi circuiti integrati tecnologici era limitata nell'intervallo di temperature dovuto al funzionamento con imballaggi e stress ambientali.

Lo shock termico, la condensazione e l'evaporazione rapida, nonché gli effetti analogici della deriva termica I circuiti integrati di consumo sono limitati a 0 ~ 85 ° C in custodie in plastica proprio per questo motivo. Non è un sigillo perfetto e l'ingresso di umidità è possibile. Ma anche i circuiti integrati in ceramica passivata con vetro temprato nello spazio hanno limiti termici. Oltre ai problemi di umidità indicati di seguito, leggi gli ultimi problemi confermati sopra.

Termina modifica

Se nel tempo ci sono abbastanza molecole di umidità e congela e rompe il substrato, fallisce. Se funziona bene allo stato ghiacciato con molecole di umidità congelate, si scongela e provoca corrosione o perdite e si guasta. È colpa tua. Alcune guarnizioni in plastica sono leggermente migliori e l'autoriscaldamento impedisce ad alcune di congelarsi al di sotto di determinate temperature, riducendo anche la migrazione dell'umidità.

Nella fascia alta, l'effetto popcorm fa sì che l'umidità soffi trucioli e il grado di resina epossidica nera è migliorato significativamente negli ultimi 40 anni grazie a Sumitomo. Clear Epoxy non è buono e utilizzato in alcuni casi LED o dispositivi IR. Quindi i LED devono rimanere asciutti prima di saldare. I design moderni di grandi motori a LED senza i fili d'oro del baffo sono classificati a un certo RH @ Temp a tempo indeterminato, mentre il resto è un rischio dopo alcuni giorni di esposizione aperta a RH elevato. In realtà è un rischio valido e grave quanto ferirli ESD, tranne per il fatto che taglia il filo d'oro.

Questo è il motivo per cui tutte le parti della gamma di temperatura spaziale o militare tendono ad essere in ceramica con rivestimento in vetro sui cavi e le parti di consumo sono classificate a 0 ° C.

Eventuali eccezioni come la gamma di temperatura industriale e militare sono dovute a specifiche più rigorose necessarie per le forze armate su una gamma di temperature più ampia rispetto a quella industriale, ma entrambe funzionano su una vasta gamma ma non sono garantite specifiche analogiche.

CMOS funziona più freddo che caldo. Il TTL diverte più caldo che freddo e le temperature di giunzione scendono per dissipare meno calore. Ho testato unità disco rigido da 8 "su un sacchetto di ghiaccio secco <-40'C dopo un'ora solo per i militari per dimostrare che funziona, ma nessuna garanzia con condensa che impedisce la caduta di testa .. (i cuscinetti del motore strillarono per alcuni secondi però .... ma passando 0 ° C dal congelamento salendo ... questo è un rischio di umidità.

aggiunti riferimenti di giornale per la prova. Il fattore di affidabilità limitante che influenza la temperatura di TUTTI i circuiti integrati (in particolare i chip di grandi dimensioni come i microcontrollori) è l'imballaggio meccanico più della funzione del semiconduttore. Ci sono centinaia di articoli di affidabilità per spiegare questo. Ci sono anche articoli per spiegare perché esiste una varianza dei limiti di bassa temperatura. Alcuni sono declassati da -40 ° C per buoni motivi, e quelli estesi da 0 ° C possono essere per cattivi motivi. Sebbene non sia stato esplicitamente affermato che il profitto è un motivo, gli ingegneri junior applicano erroneamente HALT per estendere in modo errato gamme qualificate a rischio di incomprensione della migrazione chimica e stress strutturali esistenti. Mentre le aziende più sagge ridurranno con buoni motivi, che sosterrò con riferimenti di seguito.

1. Le proprietà ermeticamente sigillate non sono fenomeni digitali.

È analogico e si riferisce alla quantità di infiltrazioni o perdite di umidità che si deposita atomicamente in un pacchetto meccanico.
Come indicato nel link sopra

1. "il degassamento interno può indurre la formazione di condensa delle goccioline d'acqua, compromettendo così le prestazioni del dispositivo e portando alla fine anche al guasto del dispositivo." 2. "I sigilli prodotti erano inizialmente ermetici, ma tendevano a fallire catastroficamente durante un lungo ammollo e un ciclo di temperatura in soluzione salina a causa della differenza nel CTE tra la parete della capsula di vetro (5,5 × 10−6 / ◦C) e il 90% Pt – 10% Ir passante (8,7 × 10–6 / ◦C). "

2. "Dal nomografo di Fig. 6, si può vedere che a 1,0 atm e 0◦C, la concentrazione di umidità necessaria per formare goccioline d'acqua è di 6.000 ppm. A livelli inferiori a questa percentuale di vapore acqueo, le gocce liquide non saranno in grado di forma. Pertanto, la maggior parte dei materiali e dei processi di sigillatura sono selezionati per mantenere l'ambiente interno della confezione pari o inferiore a 5.000 ppm di umidità per la durata del dispositivo. " Tuttavia, la contaminazione può alterarlo.

Potrei scrivere un libro su questo argomento, ma molti altri lo hanno già fatto, quindi mi limiterò a fare riferimento ad alcune pubblicazioni, che dimostreranno che la mia risposta è valida .

Parole chiave con collegamenti

• stampo post-stampo polimerizzazione resina epossidica OCN MFR ritiro bifenilico assorbimento dell'umidità pacchetto affidabilità analisi termoanalisi meccanica dinamica
• Affidabilità del pacchetto resistenza all'umidità e affidabilità del legame palla / punto
• La penetrazione di umidità ha causato guasti alla confezione
• guasti indotti termicamente ad alta temperatura dall'umidità
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