Nhiệt độ hoạt động tối thiểu - Không gian bên ngoài?


43

Tôi đã xem xét một số bộ vi điều khiển và tôi thấy họ có nhiệt độ hoạt động tối thiểu "kỳ lạ", như -25 độ hoặc -10 độ, v.v. Nhưng tôi thực sự không thể hiểu tại sao có mức tối thiểu, tối đa Tôi hiểu vì mọi thứ tan chảy và vỡ, điện trở tăng làm cho tín hiệu quá yếu. Nhưng khi bạn đi đến phía lạnh. Mọi thứ trở nên tốt hơn và tốt hơn, sức đề kháng giảm, mọi thứ ổn định hơn. Nhưng ... nhiệt độ hoạt động tối thiểu là -25 độ ... Tại sao nó không phải là 0 Kelvin?

Bởi vì tôi đã suy nghĩ về sao hỏa và các vệ tinh khác, khi chúng ở đằng sau mặt trời, chúng hoạt động ở mức gần 0-50 kelvin, sao hỏa ... theo wiki nó lạnh đến −87 ° C (- 125 ° F). Và điều này vẫn lạnh hơn rất nhiều so với -25 độ.

Vì vậy, bất cứ ai có thể vui lòng giải thích cho tôi tại sao vi điều khiển có nhiệt độ hoạt động tối thiểu? Càng kỹ càng tốt.


1
-25 có lẽ không đủ lạnh cho không gian phụ thuộc vào chiếc xe, v.v. Ngoài ra tôi nghi ngờ vi điều khiển của bạn là rad cứng nên dù sao nó cũng không tồn tại được lâu. Nhưng hãy nghĩ về một âm thanh nổi xe hơi trong alaska hoặc cananda hoặc một số thiết bị khác có thể bị ngâm nước lạnh nhưng dự kiến ​​sẽ vẫn hoạt động. Chết sẽ ấm lên nhanh chóng nhưng không khí, vv xung quanh nó sẽ mất một lúc. các bộ phận thương mại sẽ chốt lại nếu chúng quá lạnh và sau đó tan chảy nếu bạn không phát hiện ra bản vẽ hiện tại và tắt chúng đi.
old_timer

Câu trả lời:


42

Chỉnh sửa lần 2! Sửa đổi câu trả lời của tôi về bán dẫn dựa trên câu trả lời của jk bên dưới, hãy đọc lịch sử nếu bạn muốn xem các bit sai tôi đã sửa đổi!


Mọi thứ trở nên kỳ lạ trong giới hạn nhất định. Ý tôi là, chắc chắn, điện trở cải thiện trong dây dẫn nhưng nó tăng ở bán dẫn và điều đó thay đổi ảnh hưởng đến cách thức hoạt động của IC. Hãy nhớ rằng cách các bóng bán dẫn hoạt động trên cơ sở bạn có thể sửa đổi điện trở của chúng và nếu nhiệt độ xuống thấp đến mức bạn không còn có thể giảm điện trở của chúng nữa, bạn đã gặp vấn đề! Hãy tưởng tượng rằng đột nhiên chất bán dẫn của bạn về cơ bản trở thành một điện trở ... làm thế nào để bạn kiểm soát nó? Nó không còn cư xử theo cùng một cách! Bây giờ tôi hơi bối rối khi bạn nhận được nhiệt độ -25 ° C, vì thông số kỹ thuật / công nghiệp nên đặt ở nhiệt độ -40 ° C cho nhiệt độ hoạt động tối thiểu.

Nhưng đối với câu hỏi về không gian, tôi có thể trả lời rằng khi tôi làm việc trong phòng thí nghiệm không gian! Nói chung, bạn có ba mối quan tâm về nhiệt trong không gian:

1) Trong không gian, bạn chỉ tỏa nhiệt. Phóng xạ là một cách khủng khiếp để thoát khỏi nhiệt. Trong khí quyển, bạn dẫn nhiệt vào không khí xung quanh bạn, điều đó làm cho việc làm mát dễ dàng hơn rất nhiều. Vì vậy, trong không gian, bạn phải đặt các tản nhiệt lớn để đưa nhiệt vào các bề mặt bức xạ lớn hơn.

2) Nếu bạn có một thành phần không tạo ra nhiệt, thì không gian sẽ rất vui khi bạn cảm thấy rất lạnh! Nói chung, những gì bạn làm là bạn có các bộ phận làm nóng hoạt động để giữ cho các bộ phận không sinh ra nhiều nhiệt hơn chúng tỏa ra nhưng có giới hạn nhiệt.

3) Sự thay đổi nhiệt là phổ biến vì bạn sẽ thoát ra và quay lại tia nắng mặt trời. Do đó, bạn cần có sự quản lý nhiệt chủ động khi bạn có một bộ tản nhiệt lớn có thể tỏa nhiệt khi trời nóng và máy sưởi khi không.

Bạn cũng có thể nhận được các thiết bị phạm vi nhiệt độ mở rộng ngày càng thấp hơn, nhưng luôn có giới hạn. Một số trong số chúng là nơi nhiệt độ lạnh sẽ làm nứt khuôn vì kim loại sẽ co lại nhiều hơn nhựa (hoặc ngược lại), đó là lý do tại sao chúng cũng liệt kê các giới hạn cho việc lưu trữ!

Giới hạn chủ yếu là ở vật liệu. Bạn cũng có xu hướng lấy các con chip được xếp hạng không gian làm từ gốm để đóng gói, cũng có thể tăng hoặc giảm các giới hạn nhiệt.

Dù sao, tôi hy vọng điều đó giải thích cho bạn. Tôi có thể thử và trả lời bất kỳ câu hỏi nào khác, nhưng tôi sẽ thừa nhận tính chất vật lý của chất bán dẫn nhiệt độ thấp không phải là sở trường của tôi!


Chỉnh sửa lần 1:

Đây là một liên kết đến một mục trên wikipedia về ý tưởng rằng ở nhiệt độ thấp hơn, có ít electron hơn đủ kích thích để tạo ra dòng điện qua mạng bán dẫn. Điều này sẽ cung cấp cho bạn một ý tưởng tốt về lý do tại sao mức kháng cự trở nên cao hơn và tại sao 0 Kelvin sẽ không bao giờ là một lựa chọn.


1
Thú vị đọc! Tôi nghĩ rằng thực sự các dây trái phiếu sẽ bị đứt trong các gói nhựa do co rút.
jippie

Căng thẳng CTE trên bondwire vàng là một yếu tố dưới mức đóng băng Độ mở rộng độ ẩm AT đóng băng nếu có bất kỳ sự xâm nhập nào .. sẽ cắt nó.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Không phải nhiệt độ sẽ giết chết IC ngoài vũ trụ, đó là bức xạ Gamma mà bạn phải lo lắng.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

4
Có đủ thứ sẽ giết chết IC trong không gian. Chốt lại do phóng xạ chắc chắn là một mối quan tâm, nhưng họ đã thực hiện một số thử nghiệm và quy mô sản xuất nhỏ trên các bóng bán dẫn hiện đại đã khiến chúng trở nên đàn hồi hơn các mạch cũ (đủ kỳ lạ). Nhưng dù sao đi nữa, tôi không chắc rằng bạn có thể tìm ra bất kỳ điều gì về môi trường không gian và nói "ĐÓ! Đó là điều sẽ làm cho nó khó khăn." Tất cả đều khó khăn (điều này thậm chí không đề cập đến những mối quan tâm vượt trội khiến cho các đầu nối được tráng kẽm trở thành một lựa chọn tồi tệ), và tất cả đều đưa bạn đến đó. Không gian thật khó!
Kit Scuzz

1
Trong một bầu không khí, bạn không chỉ dẫn nhiệt vào không khí mà còn sử dụng sự đối lưu để mang không khí nóng đó ra khỏi nguồn nhiệt. Hai phương pháp làm mát với giá của một ... điều đó là miễn phí.
MBraedley

14

Câu trả lời của Kit là đúng về các thành phần trong không gian, nhưng tôi nghĩ rằng tôi sẽ mở rộng một chút về chất bán dẫn so với dây dẫn (rất lỏng lẻo nếu không có toán học).

Điện trở dây dẫn giảm khi nhiệt độ giảm. Điều này là lỏng lẻo, bởi vì điện trở đến từ các electron chảy tự do bị làm chậm bởi các rung động trong mạng tinh thể mà chúng đang chảy qua. Hạ nhiệt độ có nghĩa là ít rung động.

Điện trở của chất bán dẫn tăng khi nhiệt độ giảm. Điều này là lỏng lẻo, vì họ không có điện tử tự do để mang điện tích ở nhiệt độ thấp ở nơi đầu tiên. Khi chúng được làm ấm, chúng nhận được nhiều hạt mang điện hơn và điều này cân nhắc thêm sức cản từ sự rung động gia tăng trong cấu trúc.

Cuối cùng, chất siêu dẫn dựa vào hiện tượng lượng tử lạ. Hoặc ở nhiệt độ rất lạnh và / hoặc bằng cách cho các electron tự do của chúng bị giới hạn trong một bộ phim 2d chứ không phải là một chất rắn 3d cho phép vật lý có được weirder.


điều này có nghĩa là các thiết bị điện tử không bán dẫn thường đáng tin cậy hơn các thiết bị điện tử bán dẫn ở nhiệt độ cực thấp?
Nói dối Ryan

3
@LieRyan Điều đó không phụ thuộc vào những gì bạn sử dụng thay thế? Ví dụ, các ống chân không làm việc trong môi trường nhiệt độ cực thấp dường như có nguy cơ thất bại cao do chênh lệch nhiệt độ cực cao giữa bên trong (dây tóc) và môi trường xung quanh, trừ khi các biện pháp khác được thực hiện.
CVn

Vâng, đã được một thời gian kể từ khi tôi lấy vật lý thiết bị ... Cảm ơn đã sửa chữa!
Kit Scuzz

4

Added Aerospace Systems Institute xe (AVSI) đã tiến hành nghiên cứu về câu hỏi này.

"Phương pháp tiếp cận vật lý định lượng không chính xác đối với độ tin cậy của mạch tích hợp" Kết luận của họ dựa trên phân tích nguyên nhân và vật lý gốc, đặc biệt là khi kích thước tính năng đã giảm các đơn đặt hàng cường độ trong 30 năm qua.

1) ElectroMigration (EM) (ô nhiễm chất bán dẫn do rò rỉ chậm các ion kim loại)

2) Sự cố điện môi phụ thuộc thời gian (TDDB) hoặc đường hầm chậm của đường dẫn dẫn qua chất cách điện oxit từ các trường yếu (và bức xạ gamma)

3) Tiêm chất mang nóng (HCI) , khi nồng độ lỗ nhảy qua một hàng rào điện môi trong bẫy điện tích được sử dụng bởi các tế bào bộ nhớ để thay đổi vĩnh viễn trạng thái bộ nhớ do bức xạ làm xói mòn dần biên cho đến khi thất bại.

4) Negative Bias Nhiệt độ không ổn định (NBTI) NBTI căng thẳng, mà chuyển PMOS điện áp ngưỡng transistor, đã trở nên nổi bật hơn như hình học transistor đạt 90 nm và dưới đây và trầm trọng hơn do bẫy phí thời gian dài tĩnh đủ để thất bại nguyên nhân.

BỐN LÝ DO trên đây là phổ biến nhất hiện nay với IC không gian sâu cũng như IC tiêu dùng. Không gian có nhiều yếu tố bức xạ và căng thẳng môi trường. Định luật Moore cũng đã tăng tốc các chế độ thất bại mới này.

Trong lịch sử, lý do chung nhất cho IC công nghệ cũ bị giới hạn trong phạm vi nhiệt độ là do hoạt động với bao bì & áp lực môi trường.

Sốc nhiệt, ngưng tụ và bay hơi nhanh cũng như các hiệu ứng tương tự của trôi dạt IC tiêu dùng bị giới hạn 0 ~ 85'C trong các trường hợp nhựa vì lý do này. Nó không phải là một con dấu hoàn hảo và độ ẩm xâm nhập là có thể. Nhưng ngay cả IC gốm bằng thủy tinh cứng không gian cũng có giới hạn nhiệt. Ngoài các vấn đề về độ ẩm được nêu dưới đây, hãy đọc các vấn đề được xác nhận gần đây nhất ở trên.

Kết thúc chỉnh sửa

Nếu có đủ các phân tử độ ẩm theo thời gian và nó đóng băng và làm nứt lớp nền thì nó không hoạt động .. Nếu nó hoạt động tốt ở trạng thái đông lạnh với các phân tử ẩm bị đóng băng và sau đó tan băng và gây ra sự ăn mòn hoặc rò rỉ. Đó là lỗi của bạn. Một số con dấu nhựa tốt hơn một chút và tự sưởi ấm ngăn chặn một số đóng băng dưới nhiệt độ nhất định, điều này cũng làm giảm sự di chuyển của độ ẩm.

Ở cấp cao, hiệu ứng popcorm khiến độ ẩm thổi phồng và lớp epoxy đen đã được cải thiện đáng kể trong 40 năm qua do Sumitomo. Clear Epoxy không tốt bằng và được sử dụng trong một số trường hợp đèn LED hoặc thiết bị hồng ngoại. Vì vậy, đèn LED phải được đóng gói khô trước khi hàn. Các thiết kế hiện đại của động cơ LED lớn không có dây thép râu vàng được đánh giá ở một mức độ nhất định RH @ Temp, trong khi phần còn lại có nguy cơ sau vài ngày tiếp xúc với độ ẩm cao. Thực sự đó là một rủi ro hợp lệ và tồi tệ như làm tổn thương họ, ngoại trừ việc nó cắt dây thép vàng.

Đây là lý do tại sao tất cả các bộ phận phạm vi không gian hoặc nhiệt độ quân sự có xu hướng được làm bằng gốm với lớp phủ thủy tinh trên dây dẫn và các bộ phận người tiêu dùng được đánh giá là 0'C.

Bất kỳ trường hợp ngoại lệ nào như phạm vi tạm thời Công nghiệp và Quân sự là do thông số kỹ thuật cần thiết hơn cho Quân đội trên phạm vi tạm thời rộng hơn Công nghiệp nhưng cả hai đều hoạt động trên phạm vi rộng chỉ không đảm bảo thông số kỹ thuật tương tự.

CMOS chạy lạnh nhanh hơn nóng. Niềm vui của TTL nóng nhanh hơn lạnh và nhiệt độ tiếp giáp giảm xuống để tản nhiệt ít hơn. Tôi đã kiểm tra ổ đĩa cứng HDD 8 "trên một túi băng khô <-40'C sau một giờ chỉ để quân đội chứng minh rằng nó hoạt động, nhưng không có gì đảm bảo với việc ngưng tụ ngăn chặn sự cố va chạm .. (một số vòng bi động cơ bị rít lên giây tho .... nhưng vượt qua 0'C từ đóng băng đi lên ... đó là một rủi ro độ ẩm.


thêm tài liệu tham khảo cho bằng chứng. Yếu tố độ tin cậy giới hạn ảnh hưởng đến nhiệt độ của TẤT CẢ các mạch tích hợp (đặc biệt là các chip lớn như vi điều khiển) là bao bì cơ học nhiều hơn chức năng của chất bán dẫn. Có hàng trăm bài báo đáng tin cậy để giải thích điều này. Cũng có những bài viết để giải thích tại sao có sự chênh lệch giới hạn nhiệt độ thấp. Một số được đánh giá thấp từ -40'C vì lý do chính đáng và những người được mở rộng từ 0'C có thể là vì lý do xấu. Mặc dù không tuyên bố rõ ràng rằng lợi nhuận là lý do, các kỹ sư cơ sở áp dụng sai HALT không đúng cách để mở rộng phạm vi đủ điều kiện có nguy cơ từ việc hiểu sai di chuyển hóa học và căng thẳng cấu trúc tồn tại. Trong khi các công ty khôn ngoan hơn sẽ tái xuất với những lý do chính đáng, tôi sẽ hỗ trợ với các tài liệu tham khảo dưới đây.

1. Thuộc tính kín không phải là một hiện tượng kỹ thuật số.

Nó là tương tự và liên quan đến lượng xâm nhập hoặc rò rỉ độ ẩm nguyên tử vào một gói cơ học.
nhập mô tả hình ảnh ở đây Như đã nêu trong liên kết trên

  1. "sự bùng phát bên trong có thể gây ra sự hình thành ngưng tụ giọt nước, do đó làm giảm hiệu suất của thiết bị và thậm chí dẫn đến hỏng thiết bị." 2 Ptifer 10% không có nguồn cấp dữ liệu (8,7 × 10 trận6 / ◦C). "

  2. "Từ chỉ số trong hình 6, có thể thấy rằng ở 1.0 atm và 0◦C, nồng độ ẩm cần thiết để hình thành các giọt nước là 6.000 ppm. Ở mức dưới tỷ lệ hơi nước này, giọt chất lỏng sẽ không thể do đó, hầu hết các vật liệu và quy trình niêm phong được chọn để giữ môi trường gói bên trong ở mức hoặc dưới 5.000 ppm độ ẩm trong suốt vòng đời của thiết bị. " Tuy nhiên ô nhiễm có thể thay đổi điều này. nhập mô tả hình ảnh ở đây

Tôi có thể viết một cuốn sách về chủ đề này, nhưng sau đó rất nhiều người khác đã có, vì vậy tôi sẽ chỉ tham khảo một số tài liệu, điều này sẽ chứng minh câu trả lời của tôi là hợp lệ .

Từ khóa có liên kết


1
Tôi không nghĩ rằng điều này thể hiện lý do các mạch điện sẽ không hoạt động dưới một nhiệt độ nhất định. Chắc chắn đó là lý do tại sao chu kỳ nhiệt độ trên IC sẽ kết thúc cuộc sống của họ và tại sao độ ẩm sẽ gây ra vấn đề trong quá trình sản xuất, nhưng đây không phải là câu hỏi được đặt ra ...
Kit Scuzz

Không chỉ trong mà còn sau. Tôi chỉ trả lời câu hỏi của bạn. Xin vui lòng xem bằng chứng được thêm vào câu trả lời của tôi. Độ ẩm xâm nhập, ứng suất, CTE, vv và bao bì là những hạn chế chức năng của tất cả các cách của IC trước các giới hạn lý thuyết đã thảo luận trước đây. Tôi đang cố gắng để duy trì căn cứ và có liên quan.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Tôi không phủ nhận rằng câu trả lời của bạn là hợp lệ và tôi không cố gắng để có ý nghĩa! (xin lỗi nếu tôi đi theo cách đó) Độ ẩm xâm nhập trong quá trình đạp xe và sản xuất nhiệt độ là một vấn đề có thể gây ra nhiều vấn đề. Tôi đang cố gắng nói rằng nó không trả lời câu hỏi được hỏi trong chủ đề này, đó là "tại sao có nhiệt độ hoạt động tối thiểu?"
Kit Scuzz

3
Tôi không tin rằng bộ xử lý c6701 được làm cứng bằng bức xạ của TI liệt kê nhiệt độ tối thiểu là -55 ° C vì lo ngại về độ ẩm. Nếu tôi có một c6701 trong một vệ tinh trên quỹ đạo GEO, nơi không còn độ ẩm nữa, nó sẽ thất bại ở -70 ° C vì lý do điện và cơ học không phụ thuộc vào độ ẩm. Và tôi nghĩ rằng người hỏi đã hỏi nhiều hơn về loại thất bại này thay vì thất bại do nhiệt độ do chu kỳ gây ra (do đó là câu hỏi cụ thể về các hệ thống không gian).
Kit Scuzz

Nếu bạn đã hỏi về một phần cụ thể, tôi sẽ đưa ra một câu trả lời cụ thể. Vì truy vấn của bạn là về -10'C kỳ lạ và các câu hỏi chung của IC quân sự và câu hỏi chung chung về một số bộ vi xử lý, tôi đã đưa ra câu trả lời chung chung ngụ ý. Nếu bạn muốn có câu trả lời phù hợp trên một p / n, hãy hỏi một câu hỏi mới. BTW Tôi nhớ lại khi tôi trả 500 đô la cho một chiếc hybrid hybrid Burr Brown 883B @ 12 MHz có kiểm tra X-RAY, v.v. và vẫn còn thiếu mã từ tiếng ồn mặt đất kỹ thuật số từ trình điều khiển nhị phân nội bộ làm thay đổi điện áp tham chiếu ... FYI
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.