Minimalna temperatura pracy - przestrzeń kosmiczna?

43

Patrzyłem na niektóre mikrokontrolery i widziałem, że mają pewne „dziwne” minimalne temperatury robocze, takie jak -25 stopni lub -10 stopni itp. Ale nie bardzo rozumiem, dlaczego istnieje minimum, maksimum Rozumiem, ponieważ wszystko topi się i pęka, a opór rośnie, co powoduje, że sygnały są zbyt słabe. Ale kiedy przejdziesz do zimnej strony. Wszystko staje się coraz lepsze, opór zmniejsza się, wszystko staje się bardziej stabilne. Ale jednak ... minimalna temperatura pracy wynosi -25 stopni ... Dlaczego nie jest to 0 kelwinów?

Ponieważ myślałem o łaziku marsjańskim i innych satelitach, kiedy znajdują się za słońcem, pracują z prędkością prawie 0-50 kelwinów, łazik marsjański ... według wiki robi się tak zimno jak -87 ° C (- 125 ° F). A to wciąż jest o wiele bardziej zimne niż -25 stopni.

Czy ktoś może mi zatem wyjaśnić, dlaczego mikrokontrolery mają minimalną temperaturę roboczą? Im dokładniejszy, tym lepiej.

Harry Svensson
źródło
1
-25 prawdopodobnie nie jest wystarczająco zimno, ponieważ przestrzeń zależy od pojazdu itp. Również wątpię, aby twój mikrokontroler był bardzo twardy, więc i tak nie trwałby bardzo długo. Ale pomyśl o samochodowym zestawie stereo na Alasce lub w Canandzie lub innym urządzeniu, które może się ochłodzić, ale oczekuje się, że nadal będzie działać. Kostka rozgrzeje się szybko, ale powietrze itp. Wokół niej zajmie trochę czasu. części komercyjne zatrzasną się, jeśli zrobią się zbyt zimne, a następnie stopią się, jeśli nie wykryjesz bieżącego poboru i wyłączysz je.
old_timer

Odpowiedzi:

42

2. edycja! Zmodyfikowałem moją odpowiedź na temat półprzewodników na podstawie odpowiedzi jk poniżej, przeczytaj historię, jeśli chcesz zobaczyć nieprawidłowe bity, które zmodyfikowałem!


Wszystko staje się dziwne w pewnych granicach. To znaczy, oczywiście, rezystancja poprawia się w przewodnikach, ale wzrasta w półprzewodnikach, a ta zmiana wpływa na działanie układu scalonego. Pamiętaj, że sposób, w jaki tranzystory działają w oparciu o to, że możesz modyfikować ich rezystancję, a jeśli temperatura spada tak nisko, że nie możesz już dłużej zmniejszać ich rezystancji, masz problem! Wyobraź sobie, że nagle twój półprzewodnik stał się właściwie rezystorem ... jak go kontrolujesz? Nie zachowuje się już tak samo! Teraz jestem trochę zdezorientowany, gdzie otrzymujesz -25 ° C, ponieważ specyfikacja przemysłowa / wojskowa powinna ustawić ją na -40 ° C dla minimalnej temperatury pracy.

Ale jeśli chodzi o pytanie kosmiczne, mogę na nie odpowiedzieć, pracując w laboratorium kosmicznym! Ogólnie rzecz biorąc, masz trzy problemy termiczne w kosmosie:

1) W kosmosie emitujesz tylko ciepło. Promieniowanie to straszny sposób na pozbycie się ciepła. W atmosferze przewodzisz ciepło do otaczającego powietrza, co znacznie ułatwia chłodzenie. Więc w kosmosie musisz założyć duże radiatory, aby przenosić ciepło na większe powierzchnie radiacyjne.

2) Jeśli masz komponent, który nie generuje ciepła, przestrzeń z przyjemnością pozwoli ci naprawdę się ochłodzić! Ogólnie rzecz biorąc, masz aktywne elementy grzewcze, aby zatrzymać komponenty, które nie wytwarzają więcej ciepła niż promieniują, ale mają ograniczenia termiczne.

3) Huśtawki cieplne są powszechne, ponieważ wychodzisz i ponownie wchodzisz w promienie słoneczne. Dlatego musisz mieć aktywne zarządzanie ciepłem, w którym masz duży radiator, który może emitować ciepło, gdy jest gorący, i grzejnik, gdy nie jest.

Możesz również uzyskać urządzenia o rozszerzonym zakresie temperatur, które idą coraz niżej, ale prawie zawsze jest limit. Niektóre z nich są przeznaczone do tego, gdzie niska temperatura pęknie matrycę, ponieważ metal skurczy się bardziej niż plastik (lub odwrotnie), dlatego też podają limity przechowywania!

Limit dotyczy głównie materiałów. Masz również tendencję do otrzymywania kosmicznych wiórów wykonanych z ceramiki do pakowania, co może również podnieść lub obniżyć ograniczenia termiczne.

W każdym razie mam nadzieję, że to ci wyjaśni. Mogę spróbować odpowiedzieć na inne pytania, ale przyznam, że fizyka półprzewodników niskotemperaturowych nie jest moją mocną stroną!


1. edycja:

Oto link do wpisu w Wikipedii, że w niższych temperaturach jest mniej elektronów, które są wystarczająco wzbudzone, aby wygenerować przepływ prądu przez sieć półprzewodnikową. To powinno dać ci dobre wyobrażenie o tym, dlaczego opór staje się wyższy i dlaczego 0 Kelvinów nigdy nie byłoby opcją.

Kit Scuzz
źródło
1
Ciekawa lektura! Myślę, że rzeczywiście druty łączące pękają w plastikowych opakowaniach z powodu skurczu.
jippie
Naprężenie CTE na złotym drucie wiążącym jest jednym z czynników poniżej zamarzania. Rozszerzanie się wilgoci W zamarzaniu, jeśli jakikolwiek dostanie się do niej.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75,
To nie temperatura zabije IC w kosmosie, to promieniowanie gamma, o które musisz się martwić.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
4
Jest wiele rzeczy, które zabiją IC w kosmosie. Latch-upy z powodu promieniowania są zdecydowanie problemem, ale przeprowadzili pewne testy, a niewielki rozmiar produkcji nowoczesnych tranzystorów sprawił, że są one znacznie bardziej odporne niż stare obwody (co dziwne). Ale tak czy inaczej, nie jestem pewien, czy możesz wyróżnić jedną rzecz dotyczącą środowiska kosmicznego i powiedzieć: „TO! To sprawi, że będzie to trudne”. To wszystko jest trudne (nie wspominając nawet o problemach związanych z odgazowaniem, które sprawiają, że złącza ocynkowane są okropnym wyborem) i wszystko po to, aby cię tam zabrać. Przestrzeń jest trudna!
Kit Scuzz,
1
W atmosferze nie tylko przewodzisz ciepło do powietrza, ale także używasz konwekcji, aby odprowadzać to gorące powietrze z dala od źródła ciepła. Dwie metody chłodzenia w cenie jednej ... która jest darmowa.
MBraedley,
14

Odpowiedź Kit jest kompletna, jeśli chodzi o komponenty w kosmosie, ale pomyślałem, że rozwinę trochę na półprzewodnikach w porównaniu z przewodnikami (bardzo luźno bez matematyki).

Rezystancja przewodów maleje wraz ze spadkiem temperatury. Jest to luźne, ponieważ opór pochodzi od swobodnie płynących elektronów spowalnianych przez wibracje w sieci krystalicznej, przez którą przepływają. Niższa temperatura oznacza mniej wibracji.

Rezystancja półprzewodników rośnie wraz ze spadkiem temperatury. Jest to luźne, ponieważ przede wszystkim nie mają swobodnego elektronu do przenoszenia ładunku w niskich temperaturach. W miarę ocieplania otrzymują więcej nośników ładunku, co waży dodatkową odporność na zwiększone wibracje w konstrukcji.

Wreszcie nadprzewodniki polegają na dziwnym zjawisku kwantowym. Albo w bardzo bardzo niskich temperaturach i / lub przez to, że ich wolne elektrony ograniczają się do filmu 2d zamiast do bryły 3d, co umożliwia fizyce zadziwienie.

jk.
źródło
czy to oznacza, że ​​elektronika bez półprzewodników będzie ogólnie bardziej niezawodna niż elektronika półprzewodników w ekstremalnie niskiej temperaturze?
Lie Ryan,
3
@LieRyan Czy to nie zależy od tego, czego używasz zamiast tego? Na przykład lampy próżniowe pracujące w środowisku o bardzo niskiej temperaturze wydają się mieć wysokie ryzyko awarii z powodu ekstremalnej różnicy temperatur między środowiskiem wewnętrznym (filamentami) a otoczeniem, chyba że zostaną podjęte inne środki.
CVn
Tak, minęło trochę czasu odkąd wziąłem fizykę urządzeń ... Dzięki za korektę!
Kit Scuzz,
4

dodał Aerospace Vehicle Systems Institute (AVSI) przeprowadził badania nad tym pytaniem.

„Dokładne podejście ilościowe w zakresie fizyki awarii do niezawodności układu scalonego” Ich wnioski opierają się na fizyce i analizie przyczyn źródłowych, zwłaszcza że rozmiary obiektów zmniejszyły się o rząd wielkości w ciągu ostatnich 30 lat.

1) ElectroMigration (EM) (zanieczyszczenie półprzewodnika spowodowane powolnym wyciekiem jonów metali)

2) Zależny od czasu rozkład dielektryczny (TDDB) lub powolne tunelowanie ścieżki przewodnika przez izolator tlenkowy ze słabych pól (i promieniowania gamma)

3) Wtrysk gorącego nośnika (HCI) , gdy koncentracja dziur przeskakuje barierę dielektryczną w pułapkach ładunkowych wykorzystywanych przez komórki pamięci do trwałej zmiany stanu pamięci spowodowanego promieniowaniem stopniowo erodującym margines aż do awarii.

4) Niestabilna niestabilność temperaturowa (NBTI) Naprężenia NBTI, które przesuwają napięcia progowe tranzystora PMOS, stały się bardziej widoczne, gdy geometria tranzystora osiąga 90 nm i poniżej, i pogłębiają się przez statyczne pułapki ładunkowe o długiej trwałości wystarczające do spowodowania awarii.

Te CZTERY POWODY powyżej są najbardziej powszechne w przypadku układów scalonych w przestrzeni kosmicznej, a także układów scalonych konsumenckich. Przestrzeń kosmiczna ma więcej czynników promieniujących i środowiskowych. Prawo Moore'a przyspieszyło także nowe tryby awarii.

Historycznie, najczęstszym ogólnym powodem, dla którego układy scalone starej technologii były ograniczone, musiał być ograniczony zakres temperatur z powodu pracy z opakowaniem i obciążeniem środowiskowym.

Szok termiczny, kondensacja i szybkie parowanie, a także analogowe skutki dryfu termicznego Consumer IC są ograniczone w 0 ~ 85 ° C w plastikowych obudowach z tego właśnie powodu. Nie jest to idealne uszczelnienie i możliwe jest wnikanie wilgoci. Ale nawet ceramiczne układy pasywne ze szkła hartowanego przestrzennie mają ograniczenia termiczne. Oprócz wymienionych poniżej problemów z wilgocią przeczytaj najnowsze potwierdzone problemy powyżej.

Zakończ edycję

Jeśli z czasem jest wystarczająca ilość cząsteczek wilgoci, która zamarza i pęka podłoże, to się nie udaje. Jeśli działa dobrze w stanie zamrożonym z zamrożonymi cząsteczkami wilgoci, a następnie topnieje i powoduje korozję lub wyciek i zawodzi. To Twoja wina. Niektóre plastikowe uszczelnienia są nieco lepsze, a samonagrzewanie zapobiega zamarzaniu niektórych poniżej pewnych temperatur, co również zmniejsza migrację wilgoci.

Na najwyższym poziomie efekt popcorm powoduje, że wilgoć wysadza wióry, a czarny epoksyd poprawił się znacznie w ciągu ostatnich 40 lat dzięki Sumitomo. Przezroczysta żywica epoksydowa nie jest tak dobra i jest stosowana w niektórych obudowach LED lub urządzeniach IR. Tak więc diody LED muszą pozostać zapakowane przed lutowaniem. Nowoczesne konstrukcje dużych silników LED bez złotych drutów z wąsami są oceniane do pewnego RH @ Temp w nieskończoność, a reszta stanowi ryzyko po kilku dniach otwartego narażenia na wysoką RH. Naprawdę jest to uzasadnione ryzyko i tak złe, jak zranienie ich ESD, z tym wyjątkiem, że przecina złoty drut.

Właśnie dlatego wszystkie części kosmiczne lub wojskowe o zakresie temperatur są zwykle ceramiczne z powłoką szklaną na ołowiu, a części konsumenckie mają temperaturę 0 ° C.

Wszelkie wyjątki, takie jak zakres temperatur przemysłowych i wojskowych, wynikają z bardziej rygorystycznych specyfikacji wymaganych dla wojska w szerszym zakresie temperatur niż przemysłowe, ale oba działają w szerokim zakresie, ale nie są gwarantowane specyfikacje analogowe.

CMOS działa szybciej na zimno niż na gorąco. TTL bawi się szybciej niż zimno, a temperatura połączeń spada, aby rozproszyć mniej ciepła. Testowałem dyski twarde HDD 8 "na torbie suchego lodu <-40'C po godzinie tylko po to, aby wojsko udowodniło, że działa, ale nie ma gwarancji z kondensacją zapobiegającą wypadkowi głowy (łożyska silnika pisnęły kilka razy) kilka sekund .... ale przekroczenie 0 ° C od zamarzania idzie w górę ... to ryzyko wilgotności.


dodano odniesienia do czasopisma jako dowód. Ograniczającym współczynnikiem niezawodności, który wpływa na temperaturę WSZYSTKICH układów scalonych (zwłaszcza dużych układów, takich jak mikrokontrolery), jest bardziej mechaniczne opakowanie niż funkcja półprzewodnika. Istnieją setki artykułów na temat niezawodności, aby to wyjaśnić. Istnieją również artykuły wyjaśniające, dlaczego istnieje rozbieżność limitów niskich temperatur. Niektóre zostały obniżone z -40 ° C z dobrego powodu, a te z 0 ° C mogą być z złych powodów. Chociaż nie stwierdzono wyraźnie, że zysk jest powodem, młodsi inżynierowie niewłaściwie stosują HALT w niewłaściwy sposób, aby rozszerzyć kwalifikowane zakresy zagrożone z powodu nieporozumień dotyczących migracji chemicznej i naprężeń strukturalnych. Mądrzejsze firmy obniżą wartość z dobrych powodów, które poprę poniższymi referencjami.

1. Hermetycznie zamknięte właściwości nie są zjawiskami cyfrowymi.

Jest analogiczny i odnosi się do ilości wnikania lub wycieku wilgoci atomowo owija się w mechaniczne opakowanie.
wprowadź opis zdjęcia tutaj Jak podano w powyższym linku

  1. „wewnętrzne odgazowanie może indukować tworzenie się kondensacji kropelek wody, pogarszając w ten sposób działanie urządzenia, a nawet prowadząc do awarii urządzenia”. 2. "wyprodukowane uszczelnienia były początkowo hermetyczne, ale miały tendencję do katastrofy podczas długotrwałego moczenia i cyklicznej zmiany temperatury w soli fizjologicznej ze względu na różnicę CTE między ścianą szklanej kapsułki (5,5 × 10–6 / ◦C) a 90% Przepływ Pt – 10% Ir (8,7 × 10–6 / ◦C). ”

  2. „Na podstawie nomogramu na ryc. 6 widać, że przy 1,0 atm i 0 ° C stężenie wilgoci potrzebne do tworzenia kropel wody wynosi 6000 ppm. Przy poziomach poniżej tego odsetka pary wodnej krople cieczy nie będą w stanie W związku z tym większość materiałów i procesów zgrzewania dobiera się tak, aby utrzymać wewnętrzne środowisko opakowania na poziomie lub poniżej 5000 ppm wilgoci przez cały okres użytkowania urządzenia. ” Jednak zanieczyszczenie może to zmienić. wprowadź opis zdjęcia tutaj

Mógłbym napisać książkę na ten temat, ale wiele innych już to zrobiło, więc po prostu odwołam się do literatury, która potwierdzi, że moja odpowiedź jest prawidłowa .

Słowa kluczowe z linkami

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
źródło
1
Nie sądzę, że jest to powód, dla którego obwody nie będą działać poniżej określonej temperatury. Z pewnością dlatego cykliczne zmiany temperatury na układach scalonych zakończą ich życie i dlaczego wilgoć spowoduje problemy podczas produkcji, ale nie o to pytano ...
Kit Scuzz
Nie tylko podczas, ale i później. Odpowiadam tylko na twoje pytanie. Proszę zobaczyć dowód dodany do mojej odpowiedzi. Wnikanie wilgoci, naprężenia, CTE itp. I pakowanie są funkcjonalnymi ograniczeniami wszystkich dróg IC przed omówionymi wcześniej teoretycznymi limitami. Staram się pozostać uziemiony i odpowiedni.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Nie przeczę, że twoja odpowiedź jest prawidłowa i nie próbuję być wredny! (przepraszam, jeśli odchodzę w ten sposób) Wnikanie wilgoci podczas zmiany temperatury i produkcji jest problemem, który może powodować wiele problemów. Próbuję powiedzieć, że nie odpowiada na pytanie zadane w tym wątku, a mianowicie „dlaczego jest minimalna temperatura robocza?”.
Kit Scuzz,
3
Nie wierzę, że utwardzany radiacyjnie procesor c6701 TI podaje minimalną temperaturę -55 ° C z powodu problemów z wilgocią. Jeśli mam c6701 na satelicie na orbicie GEO, gdzie nie ma już wilgoci, to zawodzi w temperaturze -70 ° C z przyczyn elektrycznych i mechanicznych niezależnych od wilgoci. I myślę, że pytający pytał więcej o tego typu awarie niż o awarię wilgoci indukowaną cyklicznie temperaturą (stąd konkretne pytanie o systemy kosmiczne).
Kit Scuzz,
Gdybyś zapytał o konkretną część, dałbym konkretną odpowiedź. Ponieważ twoje zapytanie dotyczyło dziwnych temperatur -10 ° C i innych wojskowych układów scalonych innych niż standardowe oraz uogólnionego pytania o niektóre mikroprocesory, udzieliłem domyślnej poprawnej odpowiedzi. Jeśli chcesz uzyskać odpowiednią odpowiedź na jeden p / n, zadaj nowe pytanie. BTW Pamiętam, kiedy zapłaciłem 500 $ za hybrydowy przetwornik cyfrowo-analogowy Burr Brown 883B przy 12 MHz, który miał kontrolę X-RAY itp. I nadal miał brakujące kody z cyfrowego szumu uziemienia z wewnętrznych sterowników binarnych zmieniających napięcie odniesienia ... FYI
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75