Co dokładnie „zużywa się” i uszkadza pod wpływem ciepła?

Powszechnie wiadomo, że ciepło jest szkodliwe dla elektroniki. Ta stale wysoka temperatura zmniejsza oczekiwany okres użytkowania części komputera, nawet jeśli same się nie przegrzewają.

Jeśli na przykład w komputerze jest element izolujący kurz, „odcina” go od zwykłego przepływu powietrza. Co powoduje wyższe „zużycie” w wyższych temperaturach? Widziałem kondensatory ciekłe wymienione jako części ulegające szybszemu uszkodzeniu, im wyższa ich temperatura robocza, z powodu wzrostu ciśnienia i wynikającego z niego wycieku. Czy to jest poprawne? Ale z pewnością istnieje wiele innych rzeczy? Czy mógłbyś wymienić jakieś?

Tak naprawdę istnieją dwa różne rodzaje stresu temperaturowego, cyklicznego i podtrzymywanego ciepła.

Prawie każda część jest podatna na awarie z powodu dużej liczby cykli temperatur. Każdy inny rodzaj materiału w części rozszerza się i kurczy w różnym tempie. Oczywiście pakiety są zaprojektowane tak, aby to uwzględnić, a materiały są wybierane lub specjalnie formułowane do typowych reakcji rozszerzalności cieplnej, ale mimo to występują naprężenia. W końcu te naprężenia przykładane w tę iz powrotem wystarczająco często coś zepsują.

Trwałe ciepło jest inne. Krzem przestaje być półprzewodnikiem, dlatego tranzystory krzemowe przestają działać w temperaturze około 150 ° C. Podgrzewanie IC do tej temperatury nie zaszkodzi bezpośrednio, poza tym, że nie będzie działać zgodnie z przeznaczeniem. Jednak to „nie działa zgodnie z przeznaczeniem” może obejmować nadmierne prądy, które następnie powodują więcej ciepła. W końcu coś się topi, a część zostaje nieodwracalnie uszkodzona. Niektóre układy scalone, takie jak współczesne procesory, mają tak wysoką gęstość, że nie pozbycie się ciepła nawet przez kilka sekund z matrycy może spowodować stopienie się czegoś. Zastanów się nad wielkością wysokiej klasy matrycy procesorowej w porównaniu z końcem lutownicy, a następnie zastanów się, że do matrycy można wrzucić 10s Watów i że lutownica osiąga temperatury topnienia lutu przy tym samym poziomie mocy. Pozbycie się ciepła jest poważnym problemem w przypadku takich układów. Dlatego obecnie są wyposażone w zintegrowane radiatory i wentylatory. Zdejmij radiator i wentylator, a twój procesor w krótkim czasie wzniesie toast. Lub wyłącza się, aby się chronić. Tak czy inaczej, komputer nie będzie działał.

Kondensatory elektrolityczne różnią się od większości innych elementów elektronicznych tym, że z czasem ulegają uszkodzeniu. Ciepło to przyspiesza. Uruchomienie korka elektrolitycznego w temperaturze 100 ° C, nawet bez cyklu, spowoduje jego degradację znacznie szybciej niż w temperaturze 50 ° C.

Nikt nie wspomniał o elektromigracji, więc dodam to. Awaria okablowania układu scalonego z powodu elektromigracji jest przyspieszana przez temperaturę i jest niezależna od cykli włączania / wyłączania.

Jeśli tranzystor działa w tej samej stałej temperaturze, faktycznie będzie działał niezawodnie przez wiele lat. Ciągłe nagrzewanie i chłodzenie części powoduje mikropęknięcia z powodu nierównomiernej rozszerzalności cieplnej różnych materiałów w urządzeniu. Właśnie dlatego telewizory lampowe ewoluowały, aby mieć stały podgrzewacz sieciowy przy niskiej mocy, nawet gdy telewizor jest wyłączony. Gorąco na zimno, zimno na gorąco kilka razy dziennie, 10 000 cykli w ciągu kilku lat ... to spowodowało awarię telewizora.

Nie ma to jednak wpływu na słynne równanie Arrheniusa (wyższa funkcja współczynnika awaryjności temperatury). Większość części fizycznych, takich jak wspomniany kondensator, jest zgodna z równaniem Arrheniusa. Należy zauważyć, że w przypadku niektórych urządzeń cykl jest przyczyną awarii bardziej niż temperatury.

Moje jedyne zmartwienie, proszę, powiedzcie ten fakt chłopakom MTBF w Lockheed. Równania niezawodności nie mają współczynnika liczby cykli, więc po prostu „zastanawiają się”, dlaczego niektóre satelity zawodzą, a inne nie.

Mogę wymyślić kilka przykładów, w których ciepło odgrywa rolę w degradacji części:

1) Kondensatory elektrolityczne, jak ci się nie udało. Z upływem czasu elektrolit powoli odparowuje, a parowanie to jest przyspieszane przez temperaturę części (zarówno środowiskową, jak i samo generowaną na podstawie strat ESR).

2) Transoptory cierpią z powodu degradacji CTR (współczynnik transferu prądu) w miarę starzenia się; można to racjonalnie kontrolować, napędzając je tak słabo, jak pozwala na to konstrukcja, i mając narzut na projekt w celu zmniejszenia CTR.

3) Kondensatory ceramiczne klasy II ulegają starzeniu dielektrycznemu, tracąc z czasem pojemność. Można to „naprawić”, ogrzewając części poza ich punkt Curie przez kilka godzin, ale nie jest to coś, co można zrobić, gdy część jest w obwodzie. (Johansen Dielectrics twierdzi, że temperatura odgrywa rolę w tym starzeniu się, ale nie dostarcza twardych danych)