Почему у электроники низкий предел температуры?

Помимо конденсации, почему электронные компоненты обычно имеют предел низких температур? Например, мой ноутбук говорит что-то вроде температуры от -10 ° C до 75 ° C во время использования.

Я могу понять верхний предел температуры, поскольку вещи, вероятно, растают!

Но почему холод такой плохой?

Помимо батарей, какие компоненты будут экстремально холодные повреждения и как?

Будет ли его использование увеличивать урон?

Будет ли использование оборудования компенсировать этот урон (поскольку он нагревается от использования)?

Кроме того, я говорю об экстремальных температурах ниже -50 ° C, так что конденсация все еще остается проблемой?

Примечание: я не храню его, так что это не дубликат другого вопроса.

Примечание 2: я говорю не о полупроводниках, а вообще говоря.

Однажды я разработал усилитель, который будет колебаться при -10 ° C. Я исправил это, изменив дизайн, чтобы добавить больше запаса по фазе. В этом случае колебания не вызвали какого-либо повреждения, но схема не работала хорошо в этом состоянии, и это вызвало ошибки. Эти ошибки исчезли при более высоких температурах.

Некоторые пластики трескаются при замерзании. Сухой лед имеет температуру -78,5 ° C, и я разбил много пластика сухим льдом. Например, я уничтожил совершенно хороший ледяной сундук, который треснул на маленькие кусочки в том месте, где у меня был кусок сухого льда.

В конструкциях для поверхностного монтажа дифференциальный температурный коэффициент расширения между деталями, припаянными к монтажной плате и монтажной плате, может вызывать большие напряжения. Отношение напряжение-деформация-температура часто едва работает в указанном температурном диапазоне. Когда оборудование включено, горячие компоненты могут изменить форму и сломать хрупкий пластик, как мой старый ледяной сундук.

Если оборудование находится ниже 0 ° C, а затем вы берете его в хороший теплый и влажный офис, вода будет конденсироваться на платах и ​​может вызвать проблемы. Предположительно, подобное может случиться с морозом, в зависимости от погоды. Когда тает мороз, могут возникнуть проблемы.

Утром, когда я получаю оборудование, которое перевозилось воздушным грузом, я предполагаю, что в последнее время было очень холодно, и я оставил его на несколько часов, чтобы он медленно прогревался и оставался сухим, прежде чем открыть ящик в офисе.

Включение очень холодной передачи может быть интересным. Некоторые ограничивающие ток компоненты, такие как PTC или PPTC , будут пропускать намного больше тока.

Смазочные материалы в двигателях, таких как вентиляторы и дисководы, также могут быть проблемой.

Я могу дать вам ответ, потому что я был одним из тех, кто написал или проверил спецификации полупроводниковых ИС.

С юридической и этической точки зрения я мог подписать только параметры, в рамках которых мы убедились, что IC / процессор будет работать. И тогда мой начальник, и его / его начальник, и все остальные увидят доказательства испытаний, и они тоже подпишут эти ограничения.

Я не мог с этической или юридической точки зрения подписать, что партия процессоров будет работать при -100 ° С, если я не поставлю их через набор тестов при -100 ° С.

Если вы решите использовать свое оборудование при -50 C, оснащенное процессором, на котором я подписан, с низким порогом -15 C, моя компания больше не будет иметь никаких обязательств перед этим процессором. Вы нарушили гарантию.

Тестирование при -50 С намного дороже, чем тестирование при -15 С. Я должен убедиться, что на самом деле тестовый участок -50 С-. Это тоже очень опасно.

Кроме того, для работы ИС при экстремально низких температурах требуется специальная / герметичная упаковка. В качестве крайнего примера, пластиковая упаковка может привести к появлению трещин или структурных компромиссов, когда мы наливаем на них жидкий азот.

Различное расширение между матрицей и упаковкой может оторвать матрицу от места ее крепления или растрескивать матрицу.

Существуют стресс-тесты, которые включают моделирование изменений температуры в функционировании ИС. Скажем, ваш ноутбук сидит в машине при замерзшей температуре -10 С. Вы включаете его, и в течение 5 минут он достигает температуры 85 С. И всю зиму вы делали это каждый вечер. Как насчет головного устройства и компьютера-контроллера, который находится в вашем автомобиле, который вы будете водить в течение следующих 15 лет, подверженных таким колебаниям каждую зиму в северной части штата Мэн?

Было слишком много механических проблем, с которыми приходилось сталкиваться моим коллегам по машиностроению, когда речь шла об экстремально низких температурах. Итак, какую низкую температуру вы бы хотели, чтобы мы проверили, и сколько еще вы, как потребитель, готовы платить за это испытание при низкой температуре?

Мы не можем просто протестировать один или два блока, чтобы убедиться в отсутствии механических проблем, таких как несовместимость между матрицей и упаковкой, в отличие от людей, которые на своих материнских платах экспериментируют с разгоном с помощью одного или двух процессоров, купленных у ebay. Мы должны спроектировать приемлемое статистическое распределение и план выборки, который будет входить в это распределение, который будет применяться к потоку микросхем, протекающих через линию продуктов.

Иногда законность ограничений может быть довольно сложной, когда правительственное агентство США требует от OEM-представителя присутствия своего представителя, пока мы тестируем эти микросхемы / процессоры, что может занять несколько дней для партии. Этот представитель подпишет, что мы действительно проводили такие испытания при таких ограничениях. Вот так процессор за 100 долларов будет стоить правительству США 2000 долларов.

Таким образом, если бы правительственное агентство США каким-либо образом решило эксплуатировать оборудование, выходящее за рамки проверенных и проверенных ограничений, мы больше не были бы юридически ответственны за любые неудачи или будущие неисправности.

Помимо батарей и, возможно, компонентов ЖКД, как правило, не повреждается напрямую, даже при очень низких температурах. Если температура изменяется до экстремальных значений, особенно быстро, возможны физические повреждения из-за несовпадающего сокращения с температурой или температурных градиентов.

Однако работа при низких температурах может быть невозможна - компоненты меняются с температурой до такой степени, что они могут перестать работать надежно, могут не запуститься или могут полностью выйти из строя. Коэффициент усиления биполярных транзисторов падает с температурой. Гораздо ниже примерно 50K большинство биполярных частей перестают работать полностью из-за замерзания носителя. Электролитические колпачки не любят температуры намного ниже нуля, и их изменения (более высокое ESR и более низкая емкость) могут привести к повреждению других частей. Цифровые части CMOS могут функционировать более или менее нормально, но аналоговые части чипа могут выйти из строя или не работать (например, тактовый генератор или BOR или ADC в микро).

Еще более странные вещи случаются, когда вы приближаетесь к абсолютному нулю - например, при 4,2 К (жидкий гелий) 1N4148 может создать генератор релаксации. Становитесь еще холоднее, и обычный припой может потерять все сопротивление, которое звучит здорово, пока вы не пойманы в ловушку магнитного потока.

Основная проблема заключается в том, что плотность «свободных» носителей заряда в полупроводниках сильно зависит от температуры. Когда температура падает достаточно низко, просто не хватает доступных носителей, чтобы позволить транзисторам и т. Д. Функционировать, и эффективное последовательное сопротивление объемного полупроводника также возрастает. Общий коэффициент полезного действия схемы падает ниже того, что допустил инженер-конструктор, и он больше не может соответствовать техническим характеристикам.

Температурный предел, связанный с реальной микросхемой, больше связан с тепловым расширением / сокращением, чем с такими вещами, как плавление.

IC состоит из разных материалов. Матрица, подложка, связующие провода, метод склеивания, ножки и корпус. При изменении температуры эти разные материалы расширяются / сжимаются и будут разрываться на части от других материалов, не изменяющихся с той же скоростью.

Тогда у вас есть качество допинга, больше проблем на краю пластины. Это означает, что фактические характеристики по данным (время нарастания, задержка распространения и т. Д.) Не соответствуют заявленному минимуму / максимуму, так как подвижность электронов различна (производители обычно делают ИС и проводят испытания при военной температуре. Если это не удается , протестируйте при промышленной температуре. Если это также не помогло, протестируйте при коммерческой температуре ... Если это не удастся, они удаляют его и добавляют к своим показателям урожайности).

Тогда у вас есть специфика повреждения ... Кремний не имеет нижнего предела по сравнению с полупроводниковыми. Он имеет верхний предел при 175 ° C, где он будет поврежден.

ЖК-дисплеи будут образовывать кристаллы и разрушаться при экстремальных температурах, и диэлектрики конденсаторов начинают разрушаться.

Другие проблемы при таких низких температурах заключаются, например, в том, что ЖК-дисплеи замерзают и имеют очень медленную реакцию.

И более важным моментом для современных IC- технологий является эффект, который замедляет их при более низких температурах (см. Решение проблем синхронизации / инверсии температуры в много-вольтной и многовольтной областях ).

Я также нашел эту интересную статью, в которой есть некоторые другие важные моменты, касающиеся проблем с низкой температурой: Разработка электроники для холодных сред .

Несколько причин:

• во многих случаях - вы можете использовать компоненты ниже минимальной температуры, просто не ожидайте, что параметры будут такими же, как указано в таблице
• конденсаторы сжимаются - расстояние между электродами будет меняться
• электролит в конденсаторе может замерзнуть и емкость изменится

• многие электронные устройства сделаны из разных материалов, и они могут действовать как биметаллический разрыв при изменении температуры в широком диапазоне. Во многих случаях производители делают все возможное, чтобы избежать этого, используя материалы с аналогичным коэффициентом теплового расширения, но иногда это невозможно или просто не требуется

  

  Я предполагаю, что именно поэтому устройства высокой мощности работают в условиях высокой температуры. Например, некоторые CREE-диоды сливаются при температуре 85 ° C (185 ° F).

Иногда речь идет не о минимальной температуре, иногда о том, насколько широк температурный диапазон .

Если ваше устройство должно работать при очень низких температурах - вам следует прочитать об аллотропном превращении олова .

В частности, кремний зависит от теплового возбуждения его легирующих примесей и действует как полупроводник, что делает природу его полупроводниковых свойств сильно зависящей от температуры. Это дает вам принципиально низкий рабочий предел и довольно узкий диапазон температур, над которыми вы можете создать свою микросхему. Если вам нужна электроника, которая работает в широком диапазоне температур, вы не используете кремний. Электроника из галлия арснида работает вплоть до милликельвина и ниже, но намного дороже.

Резисторы сконструированы из смеси материалов с различными тепловыми свойствами, так что тепловые эффекты сводятся на нет и дают значение сопротивления, которое является приблизительно постоянным по температуре, в указанном диапазоне.

Вне указанного температурного диапазона сопротивление резистора может и будет сильно отличаться от указанного значения.

Интересно, что прецизионные резисторы иногда уравновешивают оставшуюся температурную зависимость с зависимостью от размерной деформации: поскольку подложка сжимается или растет с температурой, деформация на резистивном элементе меняет свое сопротивление, компенсируя некоторые из оставшихся температурных зависимостей резистивного элемента. материал.

Другим фактором является цифровая синхронизация при низких температурах. Цифровые схемы обычно работают быстрее при более низких температурах, но синхронизация схемы может не работать (например, внутренние регистры могут выйти из строя из-за нарушений времени удержания), поэтому схема не будет функционировать должным образом. В ноутбуке жесткий диск, вероятно, не будет работать из-за механических проблем (например, головки не правильно совмещаются по дорожкам диска).

В общем, чем холоднее, тем быстрее переходят полупроводниковые соединения, а чем холоднее, тем лучше. -50C на самом деле довольно скромный, большие проблемы случаются гораздо ниже.

Но многое может пойти не так. Температурные циклы в течение дня могут привести к тепловым нагрузкам. Конденсация может возникнуть и вызвать реальные проблемы, особенно когда холодная поверхность попадает в теплый влажный воздух.

Так что ваш вопрос действительно неполный. Если бы его хранили в термокамере при -50 ° С, ваш ноутбук, вероятно, был бы весьма счастлив до бесконечности. Но если переместиться в -50 ° C и выйти из него, у вас будет много проблем. Абсолютная температура является одним из факторов, как и диапазон влажности, диапазон температур и величина физического удара при низких температурах.