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.
źródło
Odpowiedzi:
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.
źródło
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.
źródło
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.
Jak podano w powyższym linku
„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). ”
„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.
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
źródło