Tại sao phạm vi nhiệt độ của các sản phẩm công nghiệp và quân sự rất cao?

Từ Wikipedia, phạm vi nhiệt độ phổ biến cho các thành phần điện là:

Thương mại: 0 đến 70 ° C

Công nghiệp: -40 đến 85 ° C

Quân sự: -55 đến 125 ° C

Tôi có thể hiểu phần dưới (-40 ° C và -55 ° C) vì những nhiệt độ này tồn tại ở các nước lạnh như Canada hoặc Nga, hoặc ở độ cao, nhưng phần cao hơn (85 ° C hoặc 125 ° C) là một hơi khó hiểu cho một số phần.

Các bóng bán dẫn, tụ điện và điện trở sưởi ấm là rất dễ hiểu, nhưng một số IC có mức sinh nhiệt thấp xấp xỉ không đổi (như cổng logic)

1. Nếu tôi đang xem xét một bộ vi điều khiển hoặc hoạt động trong sa mạc Sahara ở nhiệt độ 50 ° C (tôi không biết nếu có nhiệt độ cao hơn trên trái đất) thì tại sao tôi lại cần 125 ° C hay 85 ° C? Nhiệt tích tụ do mất điện bên trong không nên là 50 ° C hoặc 70 ° C nếu không, phần Thương mại sẽ bị hỏng ngay lập tức, ví dụ như môi trường 25 ° C?

2. Nếu tôi sống ở nơi có khí hậu ôn hòa, nơi nhiệt độ chỉ có thể dao động trong khoảng 03535 ° C quanh năm và thiết kế các sản phẩm công nghiệp cho cùng một quốc gia (không xuất khẩu) tôi có thể sử dụng các thành phần cấp thương mại (giả sử không có chứng nhận, luật pháp và trách nhiệm tồn tại và chỉ có đạo đức kỹ thuật chi phối hành động của bạn)?

Nhiệt độ tối đa mà các trải nghiệm silicon có thể nhiều hơn môi trường xung quanh. Môi trường xung quanh 50 ° C chắc chắn xảy ra. Đó chỉ là 122 ° F. Cá nhân tôi đã trải nghiệm điều đó ở nơi trú ẩn động vật hoang dã Kofa ở phía bắc Yuma Arizona. Bạn cần thiết kế để trường hợp xấu nhất, không phải trường hợp mong muốn. Vì vậy, giả sử môi trường xung quanh có thể là 60 ° C (140 ° F).

Điều đó tự nó không phải là một vấn đề, nhưng bạn không có được điều đó. Lấy cùng một nhiệt kế đọc 60 ° C trong không khí mở và đặt nó trong một hộp kim loại ngồi trên mặt đất dưới ánh mặt trời. Nó sẽ trở nên nóng hơn nhiều.

Tôi đã thấy ai đó rán một quả trứng trên mui xe ô tô dưới ánh mặt trời ở Phoenix AZ. Cấp, đây là một đóng thế cố tình thiết lập cho mục đích này. Chiếc xe được đỗ ở góc bên phải, mảnh mui xe bị nghiêng ở góc bên phải, và sơn màu đen phẳng. Tuy nhiên, nó vẫn cho thấy chỉ cần một miếng kim loại ngồi dưới ánh mặt trời có thể thực sự nóng.

Có lần tôi để một chiếc ô tô đậu ở sân bay Las Vegas trong vài ngày. Tôi đã để một trong những cây bút bi "dính" rẻ tiền đó trên bảng điều khiển, một phần dính ra bên cạnh. Khi tôi lấy lại, cây bút bị uốn cong ở 90 ° so với môi của bảng điều khiển. Tôi không biết những cây bút như vậy nóng chảy ở nhiệt độ nào, nhưng rõ ràng nó nóng hơn rất nhiều so với môi trường trong điều kiện đủ phổ biến trong một hộp kín.

Nếu bạn để một số thiết bị điện tử tiêu dùng giá rẻ trên bảng điều khiển dưới ánh mặt trời và nó không hoạt động, có lẽ bạn sẽ hơi khó chịu, sau đó ném nó và thay thế nó. Nếu bộ điều khiển cho bơm dầu của bạn ngừng hoạt động vào mùa hè vì quá nóng, bạn sẽ mất rất nhiều tiền, khá buồn và có thể mua sản phẩm thay thế từ một công ty khác có chất lượng nghiêm trọng hơn. Nếu hệ thống phòng thủ tên lửa của bạn ngừng hoạt động vì bạn đã triển khai nó ở sa mạc Iraq thay vì một phạm vi thử nghiệm thoải mái ở Massachusetts nơi nó được phát triển, bạn sẽ chết. Các nhân viên mua sắm không bị sa thải sẽ hết sức cẩn thận để yêu cầu tất cả các thiết bị điện tử làm việc ở nhiệt độ cao và nhấn mạnh rằng nó sẽ được thử nghiệm trong những điều kiện đó.

Trước hết, thiết bị quân sự là đắt tiền. Bạn có thể đủ khả năng để thực sự kiểm tra mọi thứ cho nhiệt độ cao chỉ khi khách hàng của bạn sẵn sàng trả tiền. Khách hàng quân sự có xu hướng có ngân sách mà người bình thường chỉ có thể mơ ước.

Sau đó, rõ ràng, nếu bạn đặt IC vào tên lửa, bạn có thể không muốn điều đó thất bại nếu tên lửa của bạn bị nóng từ đầu cháy hoặc từ đầu ma sát không khí của nó. Điều tương tự cũng xảy ra với những thứ có thể được đặt trong vệ tinh, tên lửa liên lục địa, v.v .: ngay khi bạn chạm vào không gian và ở trong bóng tối của trái đất, mọi thứ có thể trở nên rất lạnh. Quân đội và Không gian vũ trụ (thường là cùng một công ty) là nơi điển hình mà bạn mong muốn một thiết bị chịu được nhiều G tăng tốc, nóng-lạnh-nóng-lạnh-nóng trong vài giây, vẫn cần phải cực kỳ tích hợp tốt và gọn nhẹ, và chi phí thực sự không quan trọng lắm so với rủi ro:

Tuy nhiên, sự khác biệt chính (ngoài cách quản lý nhiệt độ được thực hiện về mặt vật lý), chỉ đơn giản là ba nhóm ứng dụng này thực hiện một loại đánh giá rủi ro khác nhau:

• thiết bị tiêu dùng / thương mại : 1/5000 TV của bạn bị hỏng trong vòng năm năm do một số IC bị nung quá lâu. Điều tồi tệ. Nhiều khách hàng sẽ chỉ nhận được một cái mới. Đối với 1 / 10.000 khách hàng còn lại, bạn sẽ phải thực hiện dịch vụ (tính toán vào chi phí sản phẩm của bạn) hoặc sống với hình ảnh xuống cấp (điều mà bạn không thực sự phải làm, vì các đối thủ của bạn cũng làm như vậy). Vì vậy, việc có nhiều bảo mật hơn trong các thiết kế của bạn không có ý nghĩa gì nhiều, chỉ bằng việc thử nghiệm các thành phần bên cạnh các điều kiện môi trường có thể giả định. Bạn đang ở trong một thị trường mà giá cả là quan trọng nhất và tỷ lệ thất bại chủ yếu là mối quan tâm đối với tài chính của nhà sản xuất.
• thiết bị cấp công nghiệp : Khách hàng của bạn là người có dây chuyền sản xuất rất đắt tiền trên sản phẩm của bạn. Giả sử dây chuyền sản xuất của Volkswagen đứng yên trong 8h vì IC của bạn không hoạt động. Đó là một mất mát rất lớn mà bạn vừa gây ra. VW sẽ sẵn sàng trả thêm tiền chỉ để đảm bảo rằng các nhà cung cấp của họ đảm bảo rằng bạn đã kiểm tra các thành phần cho tất cả các môi trường có khả năng xảy ra, và xa hơn một chút, để có thể kiểm soát được rủi ro đó.
• thiết bị cấp ô tô : Cuộc sống của con người đang bị đe dọa. Điều đó không quan trọng bằng việc xe ô tô rung như địa ngục, phức tạp như địa ngục, nóng một phần như địa ngục và được tung ra hàng triệu , có nghĩa là nhận ra rằng bất kỳ thành phần nào cũng hơi nóng để hoạt động một cách đáng tin cậy (ngay cả khi nó chỉ là một cái gì đó không quan trọng đối với sự an toàn) có nghĩa là bạn có thể cần phải phục vụ rất nhiều xe ô tô, điều này thực sự tốn kém và bạn thực sự mạo hiểm với hình ảnh thương hiệu của mình. Mỗi quốc gia đều có định kiến ​​riêng đối với "nhà sản xuất ô tô đó với độ tin cậy kém và điện tử kém", và điều đó làm tổn hại nghiêm trọng đến doanh số của họ.
• Thiết bị cấp quân sự : Vâng, lời hứa của quân đội là sẵn sàng bất cứ khi nào cho bất cứ điều gì. Họ sẽ không mạo hiểm với bất cứ điều gì thất bại chỉ vì họ không yêu cầu tất cả các nhà cung cấp thực hiện các thông số kỹ thuật môi trường khắc nghiệt. Đó là cách họ lăn lộn - đừng để bất cứ điều gì phải mạo hiểm, đặc biệt là nếu ứng dụng của bạn đắt như địa ngục (nghĩ là máy bay chiến đấu) hoặc được triển khai trong hàng chục ngàn và vẫn còn quan trọng đối với nhiệm vụ (nghĩ là thiết bị liên lạc quân sự).

Thiết bị quân sự (và hàng không vũ trụ nói chung) thường là:

1. Trong một vịnh không bị nén có nghĩa là làm mát thiết bị bằng cách dẫn. Làm mát đối lưu mất ý nghĩa ở 30.000 feet vì có rất ít phân tử không khí để truyền nhiệt bằng đối lưu. Việc truyền nhiệt hiệu quả chỉ bằng cách dẫn nhiệt là khó khăn hơn nhiều.

2. Trong vùng chói (nghĩ ngay dưới tán cây trong máy bay chiến đấu) và khu vực này có thể rất nóng.

3. Trong một vịnh nơi nhiệt độ môi trường có thể vượt quá 70C.

4. Ở cạnh đầu của một cánh, có thể dao động nhiệt độ từ điều kiện đóng băng (dưới 0) đến rất nóng (ở Mach 2 hoặc hơn, ma sát của ngay cả một số phân tử có sẵn vẫn rất cao; đó là lý do tại sao tàu con thoi đã quản lý nhiệt công phu để nhập lại).

Không có gì lạ khi yêu cầu nhiệt độ cạnh thẻ là 85C trong thời gian ngắn (thường là 30 phút) và không cần nhiều bộ xử lý (gọi tên nhưng một loại thiết bị) để tăng nhiệt độ đường nối lên 120C trở lên.

Tóm lại, môi trường quân sự và hàng không vũ trụ thực sự khắc nghiệt (như các ứng dụng lỗ hổng tình cờ).

Theo ghi nhận của những người khác, các bộ phận cấp quân sự đủ điều kiện có thể đắt tiền (gấp 10 lần chi phí tương đương thương mại và trong một số trường hợp nhiều hơn); để đáp ứng với điều đó, một số nhà sản xuất đã thiết lập các chương trình sàng lọc cho các bộ phận bằng nhựa vẫn có giá cao, nhưng không nhiều như các giải pháp trước đây.

[Cập nhật]

Đáp lại nhận xét về nhiệt độ cạnh thẻ, đây là khung làm mát dẫn truyền điển hình:

Phần bên ngoài của khung được gọi là một bức tường lạnh (nơi chúng ta có thể biết nhiệt độ) và nó có thể chỉ đơn giản là kim loại hoặc có các phương pháp khác để duy trì nhiệt độ khá nổi tiếng.

Bây giờ đây là một thẻ thông thường, với thang nhiệt:

Chúng thường được làm bằng nhôm (nó rẻ và có các thông số nhiệt tốt) và thang tiếp xúc với các cạnh bên của vỏ bọc bên trên; vì sẽ có một số chênh lệch nhiệt giữa bên ngoài và bên trong hộp, yêu cầu chịu nhiệt độ đối với PCB được đặt ở thang nhiệt bên trong này, như bạn có thể thấy ở cạnh thẻ .

Do nhiệt phải truyền từ các thành phần đến thời điểm này, nên PCB ở một thành phần nóng (chẳng hạn như bộ xử lý hoặc GPU) không đạt đến 95C trở lên với nhiệt độ cạnh thẻ là 85C (thường là cụ thể yêu cầu).

Độ bền nhiệt của hầu hết các hương vị của FR-4 là vì vậy rất nhiều lớp kim loại bên trong sẽ tồn tại trong loại thẻ này.$0.4 \frac {W} {mK}$

Trong một số trường hợp, chúng ta có thể cần phải sử dụng PCB nhiệt , mặc dù đắt tiền có thể là cách duy nhất để thoát nhiệt.

Một số ý kiến ​​và câu trả lời khác đã đề cập rằng các mạch điện tử cần phải được đặt trong vỏ và sản xuất nhiệt riêng của chúng làm cho nó nóng ở đó. Điều đó đã không được nhấn mạnh đủ. Đối với các thiết bị công nghiệp, thương mại và ô tô, các mạch điện tử thường cần được niêm phong trong các thùng kín kín để tránh tất cả các loại chất gây ô nhiễm. Ngoài ra, mức năng lượng cao hơn là phổ biến. Có rất nhiều điều khiển động cơ, điều khiển quá trình sưởi ấm và bộ truyền động mạnh mẽ các loại. Bộ điều khiển vi mô cần có khả năng hoạt động trong cùng một vỏ với loại thiết bị đó. Trong các tòa nhà thương mại, bộ điều khiển động cơ và bộ điều khiển vi mô để sưởi ấm thông gió và thiết bị làm lạnh thường được lắp đặt trong các thùng trên mái nhà không được kiểm soát nhiệt độ.

Thiết bị công nghiệp thông thường bị nóng vì sức nóng của chính nó. Nhiệt độ tăng điển hình bên trong vỏ bọc là 20-30 độ C. Nếu đặt trong tòa nhà không có điều hòa, nhiệt độ dễ dàng xuống tới 70-80 độ, và đôi khi ngay cả phạm vi công nghiệp cũng không đủ. Trong những trường hợp như vậy, tất cả các loại làm mát được sử dụng: đối lưu thụ động, đối lưu cưỡng bức, làm mát nước, v.v.

Tại sao họ rất cao? bởi vì môi trường cao và không phải mọi thứ sẽ được đặt trong một môi trường được kiểm soát nhiệt độ tốt ... Con người cần nó, thiết bị điện tử không nên đi máy bay ... các bộ phận gắn liền với vỏ động cơ sẽ có nhiệt độ 85C. Ở phần cao của thân máy bay sẽ trải qua -55C.

Đó là tất cả về thử nghiệm burn-in. Tấm wafer silicon có một số khuyết tật khi được sản xuất và mỗi yếu tố phải vượt qua sự kiểm tra cuối cùng. Do đó, họ có một buồng được gọi là buồng đốt để thử nghiệm (tôi không biết về sự tồn tại của đóng băng, có lẽ không cần thiết) ở nơi có nhiệt độ khác nhau, theo điểm đến thị trường.

Trong người tiêu dùng, hầu hết các IC cũng tồn tại nếu có khiếm khuyết. Trong công nghiệp, những người có wafer khiếm khuyết lớn sẽ thất bại, trong phòng đốt quân đội, những người chỉ có một khuyết điểm nhỏ sẽ thất bại.

Vì vậy, nếu bạn may mắn, bạn có thể có được một bộ phận người tiêu dùng tốt như quân đội. Tôi quên đề cập đến - bài kiểm tra thường phá hủy đối với các bộ phận bị lỗi.

Theo tôi thấy, bạn đang thực hiện 3 câu hỏi. Một câu hỏi chính và 2 câu hỏi phụ (1,2).

Câu trả lời cho câu hỏi chính là các sản phẩm công nghiệp và quân sự có thể thực sự trải qua phạm vi nhiệt độ quy định và người dùng muốn được đảm bảo rằng các sản phẩm sẽ không bị hỏng , nếu được sử dụng trong phạm vi nhiệt độ nhất định.

Câu trả lời cho câu hỏi phụ 1 là có hai tham số bổ sung cần được xem xét: a) công suất tiêu tán, b) biên an toàn.
Để chip có thể tiêu tán năng lượng, nhiệt độ môi trường của nó phải thấp hơn 35C so với nhiệt độ bên trong. Ngoài ra, người ta phải cho phép mức an toàn thấp hơn 25C so với nhiệt độ tối đa cần thiết. Để giải quyết các yêu cầu này, một sản phẩm được sử dụng với nhiệt độ môi trường xung quanh là 50C cần có khả năng hoạt động ở không dưới 110C (50 + 35 + 25). Vì vậy, yêu cầu các thành phần hoạt động ở 125C, có vẻ rất hợp lý.

Câu trả lời cho câu hỏi phụ 2 là không , bạn không nên sử dụng các thành phần cấp thương mại , nó không để lại sự an toàn ! Bạn cần sử dụng cấp công nghiệp , hoặc tốt hơn.

Câu trả lời đơn giản (về mặt nóng, đó là nơi câu hỏi của bạn được tập trung), câu trả lời tốt nhất cho một số câu trả lời hiện tại là công suất tiêu tán của thiết bị có thể dễ dàng tăng nhiệt độ của thiết bị lên (hoặc hơn) nhiệt độ. Công việc của các nhà thiết kế là thử và giữ thiết bị trong một phạm vi chức năng; nếu thiết bị được xếp hạng 50C và hoạt động trong môi trường 50C, thiết bị không thể tiêu tan bất kỳ nguồn điện nào, do đó thiết bị thực sự không thể hoạt động mà không có hệ thống làm mát hoạt động.

Một thiết bị 125C trong cùng 50C có 75C khoảng không nhiệt cho phép tiêu tán năng lượng ở bất kỳ điện trở nhiệt nào áp dụng cho hệ thống.

Một lý do khác là: bởi vì họ có thể!

Đối với các ứng dụng không gian, họ chắc chắn thích nó cao hơn (đối với nhiệt độ thấp hơn nhiều).

Chỉnh sửa vì downvote không giải thích được:

Có lẽ câu trả lời này quá ngắn đối với ai đó. Hãy để tôi giải thích thêm một chút.

Đây là một trang cho một số chỉ dẫn quá.

• Giới hạn trên của silicon thực tế thường là 150 ° C. Vì vậy, giới hạn của gói không thể là 150 ° C - 125 ° C là giới hạn hợp lý nếu bao bì và mức tiêu thụ điện cho phép.
• Giới hạn dưới của silicon thực tế là theo liên kết trên khoảng-117 ° C (100 ° C). Trong thực tế quá xa điểm thiết kế của các mạch tích hợp.
• Nếu các giới hạn cho các mạch thương mại và công nghiệp lớn hơn, thì đó là câu hỏi về kinh tế: nhiều thiết bị sẽ phải bị vứt đi. Vì vậy, một lần nữa - để giữ cho các sản phẩm thú vị về mặt ứng dụng cho các ứng dụng thương mại và công nghiệp, các giới hạn vận hành phải được giới hạn - không thể cao hơn về mặt kinh tế (điều này ngày nay ít đúng hơn so với trước đây khi các giới hạn này được xác định).
• Không có lớp không gian vì thị trường nhỏ và cũng vì họ đã học cách làm việc với các lớp khác - ví dụ, thiết bị điện tử được đặt ở trung tâm của vệ tinh nơi nhiệt độ nằm trong giới hạn và không thay đổi quá nhiều. Họ cũng sử dụng các thiết kế cụ thể - các thiết bị làm cứng bức xạ nói riêng [bức xạ có thể đi vào lõi của vệ tinh] và công nghệ ít chịu bức xạ hơn.