Почему диапазон температур промышленной и военной продукции такой высокий?

Из Википедии общий диапазон температур для электрических компонентов:

Коммерческий: от 0 до 70 ° C

Промышленный: от -40 до 85 ° C

Военные: от -55 до 125 ° C

Я могу понять нижнюю часть (-40 ° C и -55 ° C), поскольку такие температуры существуют в холодных странах, таких как Канада или Россия, или на больших высотах, но более высокая часть (85 ° C или 125 ° C) является немного запутанно для некоторых частей.

Нагрев транзисторов, конденсаторов и резисторов очень понятен, но некоторые микросхемы имеют примерно постоянное низкое тепловыделение (например, логические элементы)

1. Если я рассматриваю микроконтроллер или работаю в пустыне Сахара при температуре окружающей среды 50 ° C (не знаю, есть ли на земле более высокая температура), зачем мне 125 или 85 ° C? Тепло, накапливаемое из-за потери мощности внутри, не должно составлять 50 ° C или 70 ° C, в противном случае коммерческая часть сразу выйдет из строя, например, при температуре 25 ° C?

2. Если я живу в умеренном климате, где температура может колебаться только в диапазоне 0–35 ° C в течение всего года, и при проектировании промышленной продукции только для одной и той же страны (без экспорта) я могу использовать компоненты коммерческого качества (при условии отсутствия сертификации, законодательства , а ответственность существует, и только инженерная этика управляет вашими действиями)?

Максимальная температура, которую испытывает кремний, может быть намного больше, чем температура окружающей среды. Температура окружающей среды 50 ° C, конечно, бывает. Это всего 122 ° F. Я лично испытал это в заповеднике дикой природы Кофа к северу от Юмы, Аризона. Вам нужно проектировать в худшем случае, а не в желаемом. Допустим, температура окружающей среды может составлять 60 ° C (140 ° F).

Это само по себе не является большой проблемой, но вы сами этого не получите. Возьмите тот же термометр, который показывает 60 ° C на открытом воздухе, и поместите его в металлический ящик, сидящий на земле на солнце. Будет намного жарче.

Я видел, как кто-то жарил яйцо на капоте автомобиля на солнце в Фениксе, штат Аризона. Конечно, это был трюк, специально созданный для этой цели. Автомобиль был припаркован под прямым углом, кусок капота был наклонен под прямым углом и выкрашен в черный цвет. Тем не менее, это все еще показывает, что просто кусок металла, сидящий на солнце, может стать очень горячим.

Однажды я оставил машину на стоянке в аэропорту Лас-Вегаса на несколько дней. Я оставил одну из этих дешевых шариковых ручек с ручками на приборной панели, частично торчащую из-за боков. Когда я вернулся, ручка была согнута под углом 90 ° к краю приборной панели. Я не знаю, при какой температуре такие ручки тают, но ясно, что в закрытой коробке это становится намного горячее, чем температура окружающей среды.

Если вы оставили какой-то дешевый бытовой прибор на приборной панели на солнце, и он не сработал, вы, вероятно, будете немного раздражены, а затем бросите его и замените. Если летом контроллер вашего масляного насоса перестал работать из-за перегрева, вы бы потеряли много денег, были бы очень расстроены и, вероятно, купили бы замену в другой компании, которая более серьезно относится к качеству. Если ваша система ПРО перестала работать из-за того, что вы развернули ее в пустыне Ирака, а не на каком-нибудь удобном полигоне в Массачусетсе, где она была разработана, вы были бы мертвы. Чиновники по закупкам, которые не будут уволены, будут очень осторожны, чтобы все электроники работали при высокой температуре, и настаивали на том, чтобы их тестировали в этих условиях.

Во-первых, военная техника стоит дорого. Вы можете позволить себе на самом деле проверить вещи на высокие температуры, только если ваш клиент готов заплатить. Военные клиенты, как правило, имеют бюджеты, о которых нормальные люди могут только мечтать.

Тогда, очевидно, если вы поместите IC в ракету, вы, возможно, не захотите, чтобы эта вещь потерпела неудачу, если ваша ракета нагревается от горящего конца или от фрикционного конца. То же самое относится и к вещам, которые могут быть помещены в спутник, межконтинентальную ракету и т. Д.: Как только вы попадете в космос и окажетесь в тени земли, вещи могут стать действительно холодным. Военные и аэрокосмические компании (которые обычно представляют собой одни и те же компании) - это типичное место, где можно ожидать, что устройство выдержит большую G ускорения, будет горячим, холодным, горячим или холодным в течение нескольких секунд, но все еще должно быть чрезвычайно хорошо интегрированы и легки, а затраты просто не имеют большого значения по сравнению с риском:

Основное отличие (за исключением того, как физическое управление температурой осуществляется) заключается в том, что эти три группы приложений выполняют различные виды оценки риска:

• Устройство бытового / коммерческого уровня : 1/5000 ваших телевизоров выходят из строя в течение пяти лет, потому что некоторые микросхемы слишком долго прогревались. Плохо. Многие клиенты просто получат нового. Для остальных 1/10000 клиентов вам нужно будет обслуживать (рассчитать это по стоимости вашего продукта) или жить с ухудшенным изображением (что вам на самом деле не нужно, потому что ваши конкуренты делают то же самое). Таким образом, наличие большего запаса прочности в ваших проектах не имеет особого смысла, так же как и тестирование компонентов на грани допустимых условий окружающей среды. Вы находитесь на рынке, где цена важнее всего, а процент отказов в основном беспокоит финансы производителя.
• устройство промышленного класса : ваш клиент - это тот, кто устанавливает очень дорогую производственную линию на ваш продукт. Допустим, производственная линия Volkswagen стоит 8 часов, потому что ваша IC не работает. Это очень солидная потеря, которую вы только что причинили. VW захочет доплатить, просто чтобы убедиться, что его поставщики проверят компоненты на всех средах, которые могут произойти, и даже чуть дальше, чтобы сохранить этот риск управляемым.
• устройство автомобильной комплектации : на карту поставлены человеческие жизни. Это не так важно, как тот факт, что автомобили вибрируют, как ад, сложны, как ад, становятся частично горячими, как ад, и выкатываются в миллионы , что означает, что выяснение того, что любой компонент становится немного горячим, чтобы работать надежно (даже если это просто что-то некритическое для безопасности) означает, что вам может понадобиться обслуживать много автомобилей, что действительно дорого, и вы фактически рискуете имиджем своего бренда. У каждой страны есть свои предубеждения против «этого производителя автомобилей с дрянной надежностью и плохой электроникой», и это серьезно подрывает их продажи.
• Устройство военного уровня : Ну, обещание военных - быть готовым всегда и везде. Они не будут рисковать, если что-то потерпит неудачу только потому, что не попросили всех поставщиков выполнить экстремальные экологические требования. Вот как они катятся - не оставляйте ничего, чтобы рисковать, особенно если ваше приложение в любом случае дорого обходится (например, реактивные истребители) или развертывается десятками тысяч и по-прежнему критически важно для жизни и задач (например, военное оборудование связи).

Военная (и аэрокосмическая в целом) техника часто бывает:

1. В непредусмотренном отсеке, что означает охлаждение оборудования проводимостью. Конвекционное охлаждение теряет смысл на 30 000 футов, так как очень мало молекул воздуха для передачи тепла конвекцией. Гораздо сложнее эффективно передавать тепло только за счет теплопроводности.

2. В зоне бликов (подумайте только под навесом в истребителе) и в этой области может быть очень жарко.

3. В отсеке, где температура окружающей среды может превышать 70 ° С.

4. В переднем крае крыла, температура которого может варьироваться от условий обледенения (значительно ниже нуля) до очень высоких (при Мах 2 или около того, трение даже нескольких доступных молекул все еще очень велико, поэтому космический челнок было разработано управление теплом для повторного входа).

Нет ничего необычного в том, что в течение коротких периодов времени (например, 30 минут) требуется минимальная температура на границе карты 85 ° C, и для повышения температуры соединения до 120 ° C или более требуется не так много ресурсов процессора (чтобы назвать только один тип устройства).

Подводя итог, можно сказать, что военная и аэрокосмическая среда действительно суровые (как, впрочем, и скважинные применения).

Как отмечают другие, полностью квалифицированные детали военного класса могут быть дорогими (в 10 раз дороже коммерческого эквивалента, а в некоторых случаях и более); в ответ на это некоторые производители ввели программы скрининга пластиковых деталей, которые все еще имеют премию, но не так много, как предыдущие решения.

[Обновить]

В ответ на комментарий о граничных температурах платы приведем типичное шасси с кондуктивным охлаждением:

Внешняя часть корпуса известна как холодная стена (где мы можем знать температуру), и она может быть просто металлической или иметь другие методы поддержания достаточно хорошо известной температуры.

Теперь вот типичная карта с тепловыми лестницами:

Они часто изготавливаются из алюминия (это дешево и имеет хорошие тепловые параметры), и лестницы находятся в контакте с боковыми краями шкафа выше; поскольку между наружной и внутренней частью коробки будет некоторый перепад тепла, для этой внутренней тепловой лестницы устанавливается требование выдерживать температуру для печатной платы, как вы можете видеть на краю карты .

Поскольку тепло должно поступать от компонентов к этому моменту, для печатной платы на горячем компоненте (например, процессоре или графическом процессоре) весьма характерно достигать 95 ° С или более при краевой температуре карты 85 ° С (которая часто является специфической требование).

Термостойкость большинства ароматов FR-4 составляет $0.4 \frac {W} {mK}$ поэтому в этом типе карты будет много внутренних металлических слоев.

В некоторых ситуациях нам может понадобиться термически покрытая печатная плата, которая, хотя и дорогая, может быть единственным способом получения тепла.

В нескольких других комментариях и ответах упоминалось, что электронные схемы должны быть в корпусах, и их собственное производство тепла делает его горячим. Это не было подчеркнуто достаточно. Для промышленного, коммерческого и автомобильного оборудования электронные схемы часто необходимо запечатывать в плотно закрытых корпусах, чтобы не допустить всевозможных загрязнений. Кроме того, более высокие уровни мощности являются общими. Есть много органов управления двигателем, управления процессом нагрева и мощные приводы различных видов. Микроконтроллеры должны работать в одном корпусе с таким оборудованием. В коммерческих зданиях контроллеры двигателей и микроконтроллеры для отопления вентиляционного и холодильного оборудования часто устанавливаются в крышных шкафах, которые не контролируются температурой.

Общепромышленное оборудование нагревается из-за собственного тепла. Типичное повышение температуры внутри корпуса составляет 20-30 градусов С. Если поместить в здание без кондиционера, температура легко поднимается до 70-80 градусов, а иногда даже промышленного диапазона недостаточно. В таких случаях используются все виды охлаждения: пассивная конвекция, принудительная конвекция, водяное охлаждение и т. Д.

Почему они так высоко? поскольку окружающая среда высока, и не все будет находиться в хорошей окружающей среде с контролируемой температурой ... Это нужно людям, электроника не берет самолеты ... детали, прикрепленные к кожуху двигателя, будут иметь температуру 85 ° C. На высоте части фюзеляжа будут испытывать -55С.

Это все о тестировании в режиме выжигания. При изготовлении кремниевая пластина имеет некоторые дефекты, и каждый элемент должен пройти окончательную проверку. Поэтому у них есть так называемая камера обжига для тестирования (я не знаю о существовании замораживания, вероятно, не требуется), где устанавливаются различные температуры в соответствии с назначением рынка.

У потребителя большинство микросхем выживают также при наличии дефекта. В промышленности те, у кого большая дефектная пластина, выйдут из строя, в военной комнате горения выйдут из строя только те, у кого небольшой дефект.

Так что если вам повезет, вы можете получить потребительскую часть, которая хороша как военная. Я забыл упомянуть - тест, как правило, разрушительный для дефектных частей.

Как я понимаю, вы делаете 3 вопроса. Один основной вопрос и 2 подвопроса (1,2).

Ответ на главный вопрос заключается в том, что промышленные и военные продукты могут фактически испытывать указанный температурный диапазон, и пользователи хотят быть уверены, что продукты не подведут , если их использовать в данном температурном диапазоне.

Ответ на подвопрос 1 заключается в том, что есть два дополнительных параметра, которые необходимо учитывать: а) рассеиваемая мощность, б) запас прочности.
Для того, чтобы чип мог рассеивать мощность, его температура окружающей среды должна быть на 35C ниже, чем его внутренняя температура. Кроме того, следует допустить, что запас прочности на 25 ° C ниже максимальной требуемой температуры. Чтобы учесть эти требования, продукт, предназначенный для использования при температуре окружающей среды 50 ° С, должен быть способен работать при температуре не ниже 110 ° С (50 + 35 + 25). Таким образом, требование компонентов, которые работают при 125C, кажется очень разумным.

Ответ на подвопрос 2 - нет , вы не должны использовать компоненты коммерческого качества , это не оставляет никакого запаса прочности ! Вам нужно использовать промышленный сорт или лучше.

Простой ответ (с горячей стороны, на которой сосредоточен ваш вопрос), который в лучшем случае привязан к некоторым из существующих ответов, заключается в том, что рассеивание мощности устройства может легко получить температуру устройства до (или выше) номинальной температура. Работа дизайнеров состоит в том, чтобы попытаться сохранить устройство в функциональном диапазоне; если устройство рассчитано на 50 ° C и работает в среде с температурой 50 ° C, оно не может рассеивать ЛЮБУЮ мощность, поэтому оно не может работать без какой-либо активной системы охлаждения.

Устройство 125C в той же 50C имеет запас по температуре 75C, позволяющий рассеивать мощность при любом тепловом сопротивлении, которое применяется к системе.

Другая причина: потому что они могут быть!

Для космических применений им наверняка понравится больше (для гораздо более низкой температуры).

Редактировать из-за необъяснимого понижения голосов:

Может быть, этот ответ был слишком коротким для кого-то. Позвольте мне объяснить немного больше.

Вот страница с указаниями.

• Верхний предел самого фактического кремния обычно составляет 150 ° С. Таким образом, предел упаковки не может быть 150 ° C - 125 ° C является разумным пределом, если упаковка и энергопотребление позволяют это.
• Нижний предел фактического кремния сам по приведенной выше ссылке составляет около -117 ° C (100 ° C). На практике слишком далеко от точки проектирования интегральных схем.
• Если пределы для коммерческих и промышленных цепей больше, то возникает вопрос экономики: больше устройств придется выбросить. Итак, еще раз - чтобы сохранить продукты экономически интересными для коммерческого и промышленного применения, эксплуатационные ограничения должны быть ограничены - они не могут быть экономически более высокими (что менее верно сегодня, чем это было в прошлом, когда были определены эти пределы).
• Там нет космического класса, потому что рынок маленький, а также потому, что они научились работать с другими классами - например, электроника размещена в центре спутника, где температура находится в пределах и не слишком сильно меняется. Они также используют специальные конструкции - в частности, устройства, защищенные от радиации [излучение может попасть в ядро ​​спутника] и технологию, которая менее подвержена излучению.