Tại sao đồ điện tử có giới hạn nhiệt độ thấp?

Ngoài ngưng tụ tại sao các linh kiện điện tử thường có giới hạn nhiệt độ thấp? Ví dụ, máy tính xách tay của tôi nói điều gì đó dọc theo các nhiệt độ từ -10 ° C đến 75 ° C trong khi sử dụng.

Tôi có thể hiểu giới hạn nhiệt độ cao, vì mọi thứ có thể sẽ tan chảy!

Nhưng tại sao lạnh như vậy là một điều xấu?

Ngoài pin, linh kiện nào sẽ cực lạnh, và làm thế nào?

Sẽ sử dụng nó làm tăng thiệt hại?

Việc sử dụng thiết bị sẽ bù đắp thiệt hại này (khi chúng nóng lên khi sử dụng)?

Ngoài ra, tôi đang nói về nhiệt độ cực đoan dưới -50 ° C, vậy ngưng tụ có còn là vấn đề không?

Lưu ý: Tôi không lưu trữ nó để nó không phải là một bản sao của câu hỏi khác.

Lưu ý 2: Tôi không nói về chất bán dẫn, nhưng nói chung là nói.

Tôi đã từng thiết kế một bộ khuếch đại sẽ dao động ở -10 ° C. Tôi đã sửa nó bằng cách thay đổi thiết kế để thêm lề pha. Trong trường hợp này, dao động không gây ra bất kỳ thiệt hại nào, nhưng mạch không hoạt động tốt trong điều kiện này và nó gây ra lỗi. Những lỗi này đã biến mất ở nhiệt độ cao hơn.

Một số nhựa nứt khi chúng đóng băng. Đá khô là -78,5 ° C, và tôi đã làm vỡ rất nhiều nhựa bằng đá khô. Ví dụ, tôi đã phá hủy một rương đá hoàn toàn tốt, nứt thành từng mảnh nhỏ ở nơi tôi có một khối băng khô trong đó.

Trong các thiết kế gắn trên bề mặt, hệ số chênh lệch nhiệt độ chênh lệch giữa các bộ phận được hàn từ các bộ phận và bảng mạch có thể gây ra ứng suất lớn. Mối quan hệ căng thẳng-căng thẳng-nhiệt độ thường hầu như không hoạt động trong phạm vi nhiệt độ được chỉ định. Khi thiết bị được cấp nguồn, các bộ phận nóng có thể thay đổi hình dạng và phá vỡ lớp nhựa giòn, giống như chiếc rương đá cũ của tôi.

Nếu thiết bị dưới 0 ° C và sau đó bạn mang nó vào một văn phòng ẩm ướt, ấm áp, nước sẽ ngưng tụ trên các bảng mạch và có thể gây ra vấn đề. Có lẽ một điều tương tự có thể xảy ra với sương giá, tùy thuộc vào thời tiết. Khi sương tan, có thể có vấn đề.

Khi tôi nhận được thiết bị vào buổi sáng đã được vận chuyển như hàng hóa hàng không, tôi cho rằng gần đây trời rất lạnh và tôi để nó ngồi trong vài giờ để làm nóng từ từ và để khô trước khi mở hộp trong văn phòng.

Bật thiết bị rất lạnh có thể là thú vị. Một số thành phần giới hạn hiện tại, chẳng hạn như PTC hoặc PPTC , sẽ vượt qua hiện tại nhiều hơn.

Chất bôi trơn trong động cơ như quạt và ổ đĩa cũng có thể là một vấn đề.

Tôi có thể cho bạn câu trả lời vì tôi là một trong những người đã viết hoặc xác minh thông số kỹ thuật của IC bán dẫn.

Nói một cách hợp pháp và đạo đức, tôi chỉ có thể đăng nhập vào các tham số mà chúng tôi đã xác minh IC / bộ xử lý sẽ hoạt động. Và sau đó sếp của tôi, và sếp của anh ấy / cô ấy và mọi người khác sẽ thấy bằng chứng của các bài kiểm tra, và họ cũng sẽ ký vào những ràng buộc đó.

Tôi không thể ký một cách hợp pháp hoặc hợp pháp rằng một loạt bộ xử lý sẽ hoạt động ở -100 C, nếu tôi không đặt chúng qua bộ thử nghiệm ở -100 C.

Nếu bạn chọn sử dụng thiết bị của mình ở -50 C, được trang bị bộ xử lý mà tôi đã ký với ngưỡng thấp -15 C, công ty của tôi sẽ không còn nghĩa vụ với bộ xử lý đó nữa. Bạn đã phá vỡ bảo hành.

Thử nghiệm ở -50 C tốn kém hơn rất nhiều so với thử nghiệm ở -15 C. Tôi sẽ phải xác minh địa điểm thử nghiệm thực sự là -50 C--. Nó cũng rất nguy hiểm.

Bên cạnh đó, bao bì đặc biệt / kín là cần thiết để IC hoạt động ở nhiệt độ cực thấp. Một ví dụ cực đoan, bao bì nhựa có thể phát triển các vết nứt hoặc thỏa hiệp về cấu trúc khi chúng ta đổ nitơ lỏng lên chúng.

Sự mở rộng khác biệt giữa khuôn và bao bì có thể xé xác ra khỏi vị trí đính kèm hoặc làm vỡ khuôn.

Có các bài kiểm tra căng thẳng bao gồm mô phỏng các biến đổi nhiệt độ trong hoạt động của IC. Giả sử máy tính xách tay của bạn đang ngồi trong xe ở nhiệt độ đóng băng -10 C. Bạn bật nó lên và trong vòng 5 phút, nó đạt đến nhiệt độ 85 C. Và trong cả mùa đông, bạn đã làm điều đó mỗi tối. Còn bộ phận đầu và bộ điều khiển máy tính ngồi trong xe của bạn, thứ mà bạn sẽ lái trong 15 năm tới phải chịu những biến động như vậy mỗi mùa đông ở miền bắc Maine thì sao?

Có quá nhiều vấn đề cơ học mà các đồng nghiệp kỹ thuật cơ khí của tôi phải giải quyết khi thử nghiệm nhiệt độ cực thấp. Vì vậy, nhiệt độ thấp như thế nào bạn muốn chúng tôi xác minh và bạn cần thêm bao nhiêu nữa khi người tiêu dùng sẵn sàng trả cho thử nghiệm nhiệt độ thấp đó?

Chúng tôi không thể chỉ kiểm tra một hoặc hai đơn vị để xác minh sự vắng mặt của các vấn đề cơ học như sự không tương thích giữa khuôn và bao bì, không giống như những người sử dụng bo mạch chủ thử nghiệm ép xung với chỉ một hoặc hai bộ xử lý mà họ đã mua từ ebay. Chúng ta phải thiết kế phân phối thống kê có thể chấp nhận và kế hoạch lấy mẫu sẽ rơi vào phân phối đó, sẽ áp dụng cho một dòng IC chảy qua dòng sản phẩm.

Đôi khi, tính hợp pháp của các ràng buộc có thể liên quan hơn, trong đó cơ quan chính phủ Hoa Kỳ yêu cầu OEM phải có đại diện của họ trong khi chúng tôi kiểm tra các IC / bộ xử lý này, có thể mất vài ngày cho một lô. Đại diện đó sẽ ký tắt rằng chúng tôi thực sự đã thực hiện các thử nghiệm như vậy ở các ràng buộc như vậy. Đó là cách một bộ xử lý 100 đô la sẽ tiêu tốn của chính phủ Mỹ 2000 đô la.

Như vậy, nếu cơ quan chính phủ Hoa Kỳ bằng cách nào đó quyết định vận hành thiết bị vượt quá các ràng buộc đã được kiểm tra và xác minh, chúng tôi sẽ không còn chịu trách nhiệm pháp lý cho bất kỳ rủi ro hoặc sự cố trong tương lai.

Khác với có thể là pin và có thể các thành phần LCD thường không bị hỏng trực tiếp, ngay cả khi nhiệt độ cực lạnh. Nếu nhiệt độ được thay đổi thành cực đoan, đặc biệt là nhanh chóng, có thể có thiệt hại vật lý do sự co lại không khớp với nhiệt độ hoặc độ dốc nhiệt độ.

Tuy nhiên, hoạt động ở nhiệt độ lạnh có thể không thể - các thành phần thay đổi theo nhiệt độ, đến mức chúng không còn hoạt động đáng tin cậy, có thể không khởi động hoặc có thể thoát hoàn toàn. Độ tăng của các bóng bán dẫn lưỡng cực giảm theo nhiệt độ. Dưới mức khoảng 50K, hầu hết các bộ phận lưỡng cực ngừng hoạt động hoàn toàn do đóng băng của tàu sân bay. Mũ điện phân không thích nhiệt độ dưới mức đóng băng và những thay đổi của chúng (ESR cao hơn và điện dung thấp hơn) có thể khiến các bộ phận khác bị hỏng. Các bộ phận kỹ thuật số CMOS có thể hoạt động ít nhiều ổn, nhưng các phần tương tự của chip có thể không hoạt động hoặc không hoạt động (chẳng hạn như bộ tạo dao động xung nhịp hoặc BOR hoặc ADC trong micro).

Thậm chí nhiều thứ kỳ lạ hơn xảy ra khi bạn tiến gần đến độ không tuyệt đối - ở mức 4.2K (helium lỏng), ví dụ, 1N4148 có thể tạo ra bộ dao động thư giãn. Thậm chí lạnh hơn và hàn thông thường có thể mất tất cả sức đề kháng, âm thanh thực sự tuyệt vời cho đến khi bạn bị mắc kẹt từ thông.

Vấn đề cơ bản là mật độ của các hạt mang điện "tự do" trong chất bán dẫn là một hàm mạnh của nhiệt độ. Khi nhiệt độ xuống đủ thấp, sẽ không có đủ sóng mang để cho phép các bóng bán dẫn, v.v. hoạt động, và điện trở loạt hiệu quả của chất bán dẫn số lượng lớn cũng tăng theo. Độ lợi tổng thể của mạch giảm xuống dưới mức mà kỹ sư thiết kế đã cho phép và nó không còn có thể đáp ứng các thông số kỹ thuật hiệu suất của nó.

Giới hạn nhiệt độ liên quan đến một IC thực tế có liên quan nhiều đến sự giãn nở / rút nhiệt hơn là những thứ như tan chảy.

Một IC được tạo thành từ các vật liệu khác nhau. Chết, chất nền, bondwires, phương pháp liên kết, chân và cơ thể. Khi nhiệt độ thay đổi, các vật liệu khác nhau này mở rộng / co lại và sẽ tách ra khỏi các vật liệu khác không thay đổi ở cùng một tỷ lệ.

Sau đó, bạn có chất lượng của doping, nhiều vấn đề hơn ở rìa của wafer. Điều đó có nghĩa là một đặc điểm thực tế so với bảng dữ liệu (thời gian tăng, độ trễ lan truyền, v.v.) không đáp ứng mức tối thiểu / tối đa đã nêu vì tính di động của các điện tử là khác nhau (các nhà sản xuất thường chế tạo IC và thử nghiệm ở nhiệt độ quân sự. , kiểm tra ở nhiệt độ công nghiệp. Nếu điều đó cũng thất bại, hãy kiểm tra ở nhiệt độ thương mại ... Nếu thất bại, họ loại bỏ nó và thêm nó vào số sản lượng của họ).

Sau đó, bạn có các chi tiết cụ thể về thiệt hại ... Silicon không có bán dẫn wrt giới hạn thấp hơn. Nó có giới hạn trên ở 175 ° C, nơi nó sẽ bị hư hại.

LCD sẽ hình thành các tinh thể và bị phá vỡ ở nhiệt độ cực cao và các điện môi tương đương trong các tụ điện bắt đầu bị phá vỡ.

Các vấn đề khác ở nhiệt độ thấp như vậy là ví dụ LCD bị đóng băng và có phản ứng rất chậm.

Và điểm quan trọng hơn đối với các công nghệ vi mạch hiện đại là một hiệu ứng làm cho chúng chậm hơn ở nhiệt độ thấp hơn (xem Xử lý các thách thức đảo ngược thời gian / nhiệt độ miền đa điện áp đa Vt & đa điện áp ).

Tôi cũng tìm thấy bài viết thú vị này có một số điểm quan trọng khác liên quan đến các vấn đề nhiệt độ thấp trong đó: Thiết kế thiết bị điện tử cho môi trường lạnh .

Vài lý do:

• trong nhiều trường hợp - bạn có thể sử dụng các thành phần dưới nhiệt độ tối thiểu, chỉ không hy vọng rằng các tham số sẽ giống như được chỉ định trong biểu dữ liệu
• tụ điện sẽ co lại - khoảng cách giữa các điện cực sẽ thay đổi
• chất điện phân trong tụ điện có thể đóng băng và công suất sẽ thay đổi

• nhiều thiết bị điện tử được làm bằng vật liệu khác nhau và chúng có thể hoạt động như vỡ lưỡng kim khi bạn thay đổi nhiệt độ trong phạm vi rộng. Trong nhiều trường hợp, các nhà sản xuất làm những gì họ có thể để tránh điều này bằng cách sử dụng các vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt tương tự, nhưng đôi khi điều này là không thể hoặc chỉ là không bắt buộc

  

  Tôi đoán đây là lý do tại sao các thiết bị năng lượng cao bị vùi dập ở nhiệt độ cao. Ví dụ: một số điốt CREE được đánh dấu ở 85 ° C (185 ° F).

Đôi khi nó không phải là về nhiệt độ tối thiểu, đôi khi nó là về phạm vi nhiệt độ rộng bao nhiêu .

Nếu thiết bị của bạn được cho là hoạt động ở nhiệt độ rất thấp - bạn nên đọc về chuyển đổi đẳng hướng thiếc .

Silicon nói riêng phụ thuộc vào sự kích thích nhiệt của các chất dẫn xuất của nó để hoạt động như một chất bán dẫn, làm cho bản chất của các tính chất bán dẫn của nó phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Điều này cung cấp cho bạn một giới hạn hoạt động thấp cơ bản và một phạm vi nhiệt độ khá hẹp mà bạn có thể thiết kế chip của mình để hoạt động. Nếu bạn cần các thiết bị điện tử hoạt động trong phạm vi nhiệt độ lớn, bạn không sử dụng silicon. Thiết bị điện tử Gallium Arsnide hoạt động xuống tới millikelvin trở xuống, nhưng đắt hơn rất nhiều.

Các điện trở được thiết kế với hỗn hợp các vật liệu có các tính chất nhiệt khác nhau, do đó các hiệu ứng nhiệt sẽ triệt tiêu và cho giá trị điện trở xấp xỉ không đổi theo nhiệt độ, trong phạm vi chỉ định.

Ngoài phạm vi nhiệt độ quy định, điện trở của điện trở có thể và sẽ phân kỳ mạnh từ giá trị được chỉ định.

Như một vấn đề đáng quan tâm, các điện trở chính xác đôi khi cân bằng sự phụ thuộc nhiệt độ còn lại với sự phụ thuộc biến dạng chiều: Khi chất nền co lại hoặc phát triển theo nhiệt độ, biến dạng của phần tử điện trở thay đổi điện trở, bù cho một số phụ thuộc nhiệt độ còn lại của điện trở vật chất.

Một yếu tố khác là thời gian kỹ thuật số ở nhiệt độ thấp. Các mạch kỹ thuật số thường chạy nhanh hơn ở nhiệt độ thấp hơn, nhưng thời gian của mạch có thể bị lỗi (ví dụ: các thanh ghi bên trong có thể bị hỏng do vi phạm thời gian giữ), do đó mạch sẽ không hoạt động đúng. Trong máy tính xách tay, ổ cứng có thể không hoạt động do các vấn đề cơ học (ví dụ: các đầu không căn chỉnh chính xác trên các rãnh đĩa).

Nói chung, lạnh hơn làm cho các mối nối bán dẫn nhanh hơn, và lạnh hơn là tốt hơn. -50C thực sự khá khiêm tốn, những vấn đề lớn xảy ra thấp hơn nhiều.

Nhưng rất nhiều có thể đi sai. Nhiệt độ đi xe đạp trong ngày có thể dẫn đến căng thẳng nhiệt. Ngưng tụ có thể phát sinh và gây ra vấn đề thực sự, đặc biệt là khi một bề mặt lạnh chạm vào không khí ẩm ấm.

Vì vậy, câu hỏi của bạn là thực sự không đầy đủ. Nếu được lưu trữ trong buồng nhiệt ở -50C, máy tính xách tay của bạn có thể sẽ khá hạnh phúc vô thời hạn. Nhưng nếu di chuyển vào và ra khỏi -50C, có rất nhiều chỗ cho rắc rối. Nhiệt độ tuyệt đối là một yếu tố, cũng như phạm vi độ ẩm, phạm vi nhiệt độ và cường độ sốc vật lý ở nhiệt độ thấp.