Elektroniklerde neden düşük bir sıcaklık sınırı var?

Yoğuşmanın yanı sıra, elektronik bileşenler neden genellikle düşük bir sıcaklık sınırına sahiptir? Örneğin, dizüstü bilgisayarım kullanım sırasında -10 ° C ila 75 ° C sıcaklık aralığında bir şeyler söylüyor.

Yüksek sıcaklık limitini anlayabiliyorum, çünkü muhtemelen eriyecek!

Ama neden soğuk bu kadar kötü bir şey?

Akülerin dışında hangi bileşenler aşırı soğuktan zarar görür ve nasıl?

Bunu kullanmak hasarı arttırır mı?

Ekipmanı kullanmak bu hasarı giderir mi (kullanımdan ısınırken)?

Ayrıca, -50 ° C'nin altındaki aşırı sıcaklıklardan söz ediyorum, bu yüzden yoğuşma hala bir sorun mu?

Not: Saklamıyorum, bu nedenle başka bir sorunun kopyası değildir.

Not 2: Yarı iletkenlerden bahsetmiyorum ama genel olarak konuşuyorum.

Bir keresinde -10 ° C'de salınacak bir amplifikatör tasarladım. Daha fazla faz marjı eklemek için tasarımı değiştirerek düzelttim. Bu durumda, salınım herhangi bir hasara neden olmadı, ancak devre bu durumda iyi çalışmadı ve hatalara neden oldu. Bu hatalar yüksek sıcaklıklarda kayboldu.

Bazı plastikler donarken çatlarlar. Kuru buz -78.5 ° C'dir ve kuru buzlu çok fazla plastik kırdım. Örneğin, içinde bir parça kuru buz bulunduğum noktada küçük parçalara ayrılmış mükemmel bir buz sandıklarını yok ettim.

Yüzeye montaj tasarımlarında, devre kartıyla lehimlenen parçalarla devre kartı arasındaki fark sıcaklık genleşme katsayısı büyük gerilimlere neden olabilir. Gerilme-gerinim-sıcaklık ilişkisi genellikle belirtilen sıcaklık aralığında zorlukla çalışır. Ekipman çalıştırıldığında, sıcak bileşenler şeklini değiştirebilir ve eski buz sandık gibi kırılgan plastiği kırabilir.

Ekipman 0 ° C'nin altındaysa ve onu sıcak, nemli bir ofise götürürseniz, devre kartlarında su yoğunlaşır ve sorunlara neden olabilir. Tahminen hava şartlarına bağlı olarak don olaylarında da benzer bir şey olabilir. Don eridiğinde, problem olabilir.

Hava kargo olarak taşınan sabah ekipmanımı aldığımda, son zamanlarda çok soğuk olduğunu kabul ediyorum ve ofisteki kutuyu açmadan önce yavaşça ısınması ve kuru kalması için birkaç saat kadar oturmasına izin verdim.

Çok soğuk vitesi açmak ilginç olabilir. PTC veya PPTC gibi bazı akım sınırlayıcı bileşenler çok daha fazla akım geçirir .

Fanlar ve disk sürücüleri gibi motorlardaki yağlayıcılar da bir sorun olabilir.

Size bir cevap verebilirim, çünkü yarı iletken IC'lerin özelliklerini yazan veya doğrulayanlardan biriydim.

Yasal ve etik olarak konuşursak, yalnızca IC / işlemcinin çalışacağını doğruladığımız parametreleri imzalayabilirdim. Sonra patronum ve patronu ve herkes testlerin kanıtlarını görecek ve onlar da bu kısıtlamaları imzalayacaklardı.

-100 ° C'deki testler grubuna koymasaydım, bir grup işlemcinin -100 ° C'de çalışacağını etik ya da yasal olarak imzalayamadım.

Ekipmanınızı -50 C’de kullanmayı seçtiyseniz, -15 C’lik düşük bir eşikle imzaladığım işlemci ile donatılmış olarak, şirketim artık bu işlemci için herhangi bir yükümlülüğe sahip olmayacaktı. Garantiyi bozdun.

-50 ° C'de test yapmak, -15 ° C'de test etmekten çok daha pahalıdır, test bölgesinin gerçekten -50 ° C olduğunu doğrulamam gerekir. Aynı zamanda çok tehlikelidir.

Bunun yanı sıra, IC'lerin aşırı düşük sıcaklıklarda çalışması için özel / hermetik ambalaj gerekir. Aşırı bir örnek olarak, plastik ambalajlar üzerine sıvı azot döktüğümüzde çatlaklar veya yapısal tehlikeler ortaya çıkabilir.

Kalıp ve ambalaj arasındaki farksal genleşme, kalıbı bağlantı bölgesinden koparabilir veya kalıbı kırabilir.

IC'nin çalışmasında sıcaklık değişimlerini simüle eden stres testleri vardır. Dizüstü bilgisayarınızın arabanızda -10 ° C'lik donmuş sıcaklıklarda oturduğunu söyleyin. Açtıktan sonra 5 dakika içerisinde 85 ° C sıcaklığa ulaşırsınız. Ve bütün kış boyunca bunu her akşam yaptınız. Peki ya önümüzdeki 15 yıl boyunca kullanacağınız ve her kış kuzey Maine'de bu tür dalgalanmalara maruz kalacağınız, arabanızda oturan bilgisayar ve ana ünite ne durumda?

Aşırı düşük sıcaklık testi söz konusu olduğunda, makine mühendisliği meslektaşlarımın uğraşması gereken çok fazla mekanik sorun vardı. Peki, bu düşük sıcaklık testi için ne kadar düşük bir ısıyı doğrulamamızı istersiniz ve tüketici olarak ne kadar daha fazla ekstra talep ediyorsunuz?

Anakartlarını ebay'dan aldıkları bir veya iki işlemci ile overclock yapmayı deneyen sıcak çubuk kullananların aksine, kalıp ve paketleme arasındaki uyumsuzluklar gibi mekanik sorunların olmadığını doğrulamak için yalnızca bir veya iki üniteyi test edemiyoruz. Ürün hattında akan bir IC akışına uygulanacak olan kabul edilebilir istatistiksel dağıtımı ve bu dağılıma düşen örnekleme planını tasarlamak zorundayız.

Bazen, ABD hükümeti ajansının OEM'in bir parti için birkaç gün sürebilecek olan IC'leri / işlemcileri test ederken temsilcilerinin hazır bulunmasını istediği durumlarda kısıtlamaların yasallığı daha karmaşık olabilir. Bu temsilci, bu tür kısıtlamalarda gerçekten de böyle testler yaptığımızı işaret edecektir. 100 $ 'lık bir işlemci ABD’nin 2000 $' a yükselmesine neden oldu.

Öyleyse, ABD hükümeti ajansı bir şekilde test edilmiş ve doğrulanmış kısıtlamaların ötesinde ekipmanı çalıştırmaya karar verirse, artık herhangi bir yanlışlık veya gelecekteki arızadan yasal olarak sorumlu olmayacağız.

Bataryalardan başka, belki de LCD bileşenleri, aşırı soğuk havalarda bile doğrudan doğrudan hasar görmez. Sıcaklıklar aşırı hızlara, özellikle de hızlı bir şekilde değiştirilirse, sıcaklık veya sıcaklık gradyanları ile uyuşmayan kasılma nedeniyle fiziksel hasar olabilir.

Bununla birlikte, işlem , düşük sıcaklıklarda mümkün- bileşenler artık başlangıç olmayabilir, güvenilir bir şekilde çalışabilir veya tamamen sonlandırılabilir noktasına ve sıcaklık değiştirme olmayabilir. Bipolar transistörlerin kazancı sıcaklıkla düşer. 50K'nın çok altında, çoğu bipolar parça taşıyıcı donması nedeniyle tamamen çalışmıyor. Elektrolitik kapaklar donma noktasının altındaki sıcaklıklardan hoşlanmaz ve değişiklikleri (daha yüksek ESR ve düşük kapasitans) diğer parçaların zarar görmesine neden olabilir. Dijital CMOS parçaları daha fazla veya daha az tamam olarak işlev görebilir, ancak bir yonganın analog kısımları spesifikasyondan çıkabilir veya çalışmaz (mikroda saat osilatörü veya BOR veya ADC gibi).

Mutlak sıfıra yaklaştığınızda daha da tuhaf şeyler olur - 4.2K'da (sıvı helyum), örneğin, bir 1N4148 gevşetici bir osilatör yapabilir. Daha da soğuk ve sıradan lehim tüm direnci kaybedebilir, bu manyetik akı sıkışana kadar gerçekten harika sesler.

Temel sorun, yarı iletkenlerdeki "serbest" yük taşıyıcıların yoğunluğunun sıcaklığın güçlü bir işlevi olmasıdır. Sıcaklık yeterince düştüğünde, transistörlerin, vb. Çalışmasına izin verecek yeterli taşıyıcı yoktur ve dökme yarı iletkenlerin etkin seri direnci de artar. Devrenin genel kazancı, tasarım mühendisinin izin verdiği miktarın altına düşer ve artık performans özelliklerini karşılayamaz.

Gerçek bir IC ile ilişkili sıcaklık limitinin erime gibi şeylerden daha fazla termal genleşme / geri çekme ile ilgisi vardır.

Bir IC farklı malzemelerden oluşur. Kalıp, substrat, bağlar, yapıştırma yöntemi, bacaklar ve vücut. Sıcaklık değiştikçe, bu farklı malzemeler genişler / daralır ve aynı oranda değişmeyen diğer malzemelerden kopar.

Daha sonra doping kalitesine sahipsiniz, daha çok gofretin kenarında bir sorun var. Bu, veri sayfasına karşı gerçek özelliklerin (yükselme süresi, yayılma gecikmesi vb.), Elektronların hareketliliği farklı olduğu için (imalatçılar genellikle bir IC yapar ve askeri sıcaklıkta test ederler) belirtilen minimum / maksimum değerleri karşılamadığı anlamına gelir. , Endüstriyel sıcaklıkta test edin, eğer başarısız olursa, ticari sıcaklıkta test edin ... Başarısız olursa, hurdaya çıkarırlar ve verim sayılarına eklerler).

O zaman hasarın özelliklerine sahipsin ... Silisyumun yarı iletkenliği düşük bir sınırı yok. Zarar göreceği 175 ° C'de üst sınır vardır.

LCD'ler kristal oluşturacak ve aşırı sıcaklıklarda parçalanacak ve kapasitörlerdeki eşit dielektrikler bozulmaya başlayacaktır.

Bu gibi düşük sıcaklıktaki diğer problemler, örneğin LCD'lerin donması ve gerçekten yavaş reaksiyon göstermesidir.

Ve modern IC teknolojileri için daha önemli olan nokta , onları daha düşük sıcaklıklarda daha yavaş yapan bir etkidir (bkz. Çok Vt ve çok voltajlı alan zamanlaması / sıcaklık inversiyonu zorluklarıyla başa çıkmak ).

Ayrıca düşük sıcaklık problemleriyle ilgili bazı önemli noktaları olan bu ilginç makaleyi de buldum: Soğuk ortamlar için elektronik tasarım .

Birkaç sebep:

• Çoğu durumda - minimum sıcaklık altındaki bileşenleri kullanabilirsiniz, sadece parametrelerin veri sayfasında belirtilenlerle aynı olmasını beklemeyin.
• kapasitörler büzülecek - elektrotlar arasındaki mesafe değişecek
• kapasitördeki elektrolit donabilir ve kapasite değişebilir

• birçok elektronik cihaz farklı malzemelerden imal edilmiştir ve geniş bir sıcaklık aralığında değiştiğinizde bimetal kırılması gibi davranabilirler . Üreticiler çoğu durumda benzer ısıl genleşme katsayısına sahip malzemeler kullanarak bu durumdan kaçınmak için ellerinden geleni yaparlar, ancak bazen bu imkansız ya da sadece gerekli değildir

  

  Sanırım bu, yüksek güçlü cihazların yüksek sıcaklıkta bindirilmelerinin sebebidir. Örneğin - bazı CREE diyotları 85 ° C (185 ° F) 'de bindirilir.

Bazen minimum sıcaklıkla ilgili değildir, bazen sıcaklık aralığının genişliği kadardır .

Cihazınızın çok düşük sıcaklıklarda çalışması gerekiyorsa - kalay allotropik dönüşüm hakkında okumalısınız .

Özellikle silikon, yarı iletken özelliklerinin niteliğini yüksek sıcaklığa bağımlı kılan, yarı iletken olarak hareket etmek için katkı maddelerinin termal uyarılmasına dayanmaktadır. Bu size temel bir düşük çalışma limiti ve çipinizi üzerinde çalışacak şekilde tasarlayabileceğiniz oldukça dar bir sıcaklık aralığı verir. Geniş bir sıcaklık aralığında çalışan elektronik cihazlara ihtiyacınız varsa, silikon kullanmazsınız. Gallium Arsnide elektroniği millikelvin ve altına kadar çalışır, ancak çok daha pahalıdır.

Dirençler, farklı ısıl özelliklere sahip malzemelerden oluşan bir karışım ile tasarlanmıştır, böylece ısıl etkiler iptal edilir ve belirtilen aralıkta sıcaklığa göre yaklaşık sabit bir direnç değeri verir.

Belirtilen sıcaklık aralığının dışında, bir rezistansın direnci, belirtilen değerden çılgınca sapabilir ve değişebilir.

İlgilendiği gibi, hassas dirençler bazen kalan sıcaklık bağımlılığını boyutsal bir gerilim bağımlılığı ile dengeler: Substrat sıcaklıkla büzülür veya büyürken, dirençli elemanın üzerindeki gerilim, rezistifin kalan sıcaklık bağımlılığının bir kısmı için dengeye gelir malzeme.

Diğer bir faktör düşük sıcaklıklarda dijital zamanlamadır. Dijital devreler genellikle düşük sıcaklıklarda daha hızlı çalışır, ancak devre zamanlaması başarısız olabilir (örn. Bekleme ihlalleri nedeniyle dahili kayıtlar başarısız olabilir), bu nedenle devre düzgün çalışmayabilir. Bir dizüstü bilgisayarda HDD, mekanik sorunlar nedeniyle çalışmayabilir (örneğin, kafalar disk rayları üzerinde doğru şekilde hizalanmaz).

Genel olarak, daha soğuk, yarı iletken bağlantılarını daha hızlı yapar ve daha soğuk daha iyidir. -50C oldukça mütevazı, büyük sorunlar çok daha düşük olur.

Fakat bir sürü yanlış gidebilir. Gün boyunca sıcaklık döngüsü, termal gerilmelere neden olabilir. Yoğuşma, özellikle soğuk bir yüzey ılık nemli havaya çarptığında gerçek sorunlara neden olabilir.

Demek sorunuz gerçekten eksik. -50C de bir termal odada saklanırsa, dizüstü bilgisayarınız süresiz olarak oldukça mutlu olur. Fakat -50C'ye girip çıkarsa, sorun için çok yer var. Mutlak sıcaklık, nem aralığı, sıcaklık aralığı ve düşük sıcaklıklarda fiziksel şokun büyüklüğü gibi bir faktördür.