Я смотрел на некоторые микроконтроллеры и видел, что у них есть «странные» минимальные рабочие температуры, например, -25 градусов или -10 градусов и т. Д. Но я не могу понять, почему существует минимум, максимум Я понимаю, потому что все тает и ломается, сопротивление увеличивается, делая сигналы слишком слабыми. Но когда вы идете на холодную сторону. Все становится все лучше и лучше, сопротивление уменьшается, все становится стабильнее. Но все же ... минимальная рабочая температура составляет -25 градусов ... Почему это не 0 Кельвин?
Поскольку я думал о марсоходе и других спутниках, когда они находятся за солнцем, они работают при температуре около 0-50 кельвинов, марсоходе ... согласно вики, становится холодно до -87 ° C (- 125 ° F). И это все еще намного холоднее, чем -25 градусов.
Итак, кто-нибудь может объяснить мне, почему микроконтроллеры имеют минимальную рабочую температуру? Чем тщательнее, тем лучше.
источник
Ответы:
2-е редактирование! Модифицировал мой ответ о полупроводниках, основываясь на ответе jk ниже, прочитайте историю, если хотите увидеть неправильные биты, которые я модифицировал!
Все становится странным в определенных пределах. Я имею в виду, конечно, что сопротивление в проводниках улучшается, но в полупроводниках оно увеличивается, и это влияет на работу ИС. Помните, что работа транзисторов основана на том, что вы можете изменять их сопротивление, и если температура падает настолько низко, что вы больше не можете уменьшить их сопротивление, у вас есть проблема! Представьте, что ваш полупроводник внезапно стал резистором ... как вы управляете им? Он больше не ведет себя так же! Теперь я немного сбит с толку тем, где вы получаете -25 ° C, так как в промышленной / военной спецификации это должно быть при -40 ° C для минимальной рабочей температуры.
Но на космический вопрос, я могу ответить на него, работая в космической лаборатории! В общем, у вас есть три тепловые проблемы в космосе:
1) В космосе вы излучаете только тепло. Радиация - это ужасный способ избавиться от жары. В атмосфере вы отводите тепло в воздух вокруг себя, что значительно облегчает охлаждение. Таким образом, в космосе вы должны надеть большие радиаторы, чтобы нагревать большие радиационные поверхности.
2) Если у вас есть компонент, который не генерирует тепло, то пространство будет радо, если вы действительно охладите! Как правило, у вас есть активные нагревательные элементы для хранения компонентов, которые не выделяют больше тепла, чем излучают, но имеют тепловые ограничения.
3) Колебания тепла распространены, потому что вы выйдете и снова войдете в солнечные лучи. Таким образом, вам необходимо иметь активное управление температурой, когда у вас есть большой радиатор, который может излучать тепло, когда он горячий, и обогреватель, когда его нет.
Вы также можете получить устройства с расширенным диапазоном температур, которые становятся все ниже и выше, но всегда есть предел. Некоторые из них для того, где холодная температура сломает матрицу, потому что металл сократится больше, чем пластмасса (или наоборот), поэтому они также указывают пределы для хранения!
Предел в основном в материалах. Вы также склонны получать для упаковки чипы, изготовленные из керамики по номинальной стоимости, которые также могут повышать или понижать температурные пределы.
Во всяком случае, я надеюсь, что это объясняет это для вас. Я могу попытаться ответить на любые другие вопросы, но я признаю, что физика низкотемпературных полупроводников не моя сильная сторона!
1-е редактирование:
Вот ссылка на статью в Википедии об идее, что при более низких температурах меньше электронов, которые достаточно возбуждены, чтобы генерировать поток тока через решетку полупроводника. Это должно дать вам хорошее представление о том, почему сопротивление становится выше, и почему 0 Кельвина никогда не были бы выбором.
источник
Ответ Кит совершенно прав насчет компонентов в космосе, но я подумал, что я немного расширю полупроводники против проводников (очень свободно без математики).
Сопротивление проводников уменьшается с падением температуры. Это слабо, потому что сопротивление приходит от свободно текущих электронов, которые замедляются вибрациями в кристаллической решетке, через которую они протекают. Чем ниже температура, тем меньше вибрации.
Сопротивление полупроводников увеличивается с падением температуры. Это вольно, потому что у них нет свободного электрона для переноса заряда при низких температурах. Когда они нагреваются, они получают больше носителей заряда, и это увеличивает дополнительное сопротивление из-за повышенной вибрации в конструкции.
Наконец, сверхпроводники полагаются на странное квантовое явление. Либо при очень очень низких температурах, и / или благодаря тому, что их свободные электроны ограничены двухмерной пленкой, а не трехмерным телом, что позволяет физике становиться все более странным.
источник
добавлено, Институт аэрокосмических систем транспортных средств (AVSI) провел исследование по этому вопросу.
«Точный количественный подход к физике отказов к надежности интегральных микросхем» Их выводы основаны на анализе физики и первопричин, особенно с учетом того, что размеры элементов сократились на несколько порядков за последние 30 лет.
1) ElectroMigration (EM) (загрязнение полупроводника из-за медленной утечки металлических ионов)
2) Зависимый от времени пробой диэлектрика (TDDB) или медленное туннелирование пути проводника через оксидный изолятор от слабых полей (и гамма-излучения)
3) Инжекция горячих носителей (HCI) , когда концентрация дырок перепрыгивает диэлектрический барьер в ловушках заряда, используемых ячейками памяти для постоянного изменения состояния памяти, вызванного излучением, постепенно разрушающим запас до отказа.
4) Отрицательная нестабильность температуры смещения (NBTI) Напряжения NBTI, которые сдвигают пороговые напряжения транзистора PMOS, стали более заметными, когда геометрия транзистора достигает 90 нм и ниже и усугубляется статическими длительными ловушками заряда, достаточными для возникновения отказа.
Эти ЧЕТЫРЕ ПРИЧИНЫ, приведенные выше, являются наиболее распространенными в настоящее время для ИС дальнего космоса, а также потребительских ИС. В космосе больше факторов радиации и стресса окружающей среды. Закон Мура также ускорил эти новые способы отказа.
Исторически сложилось так, что наиболее распространенная общая причина, по которой старые технологии IC были ограничены в температурном диапазоне, связана с работой в условиях упаковки и воздействия окружающей среды.
По этой причине температурный шок, конденсация и быстрое испарение, а также аналоговые эффекты теплового дрейфа. Потребительские ИС ограничены 0 ~ 85 ° C в пластиковых корпусах. Это не идеальное уплотнение и проникновение влаги возможно. Но даже пассивированные космическим стеклом керамические ИС имеют температурные пределы. В дополнение к проблемам с влажностью, указанным ниже, прочтите последние подтвержденные проблемы выше.
Конец редактирования
Если со временем появляется достаточное количество молекул влаги, и он замерзает и растрескивается на подложке, он выходит из строя. Если он работает нормально в замороженном состоянии с замороженными молекулами влаги, а затем оттаивает, вызывает коррозию или протечку и выходит из строя. Это твоя ошибка. Некоторые пластиковые уплотнения немного лучше, а самонагревание предотвращает замерзание ниже определенной температуры, что также уменьшает миграцию влаги.
В конце концов, эффект попкорма заставляет влагу взорвать стружку, а марка черной эпоксидной смолы значительно улучшилась за последние 40 лет благодаря Sumitomo. Прозрачная эпоксидная смола не так хороша и используется в некоторых светодиодных корпусах или инфракрасных устройствах. Поэтому перед пайкой светодиоды должны оставаться сухими. Современные конструкции больших светодиодных двигателей без проводов с золотым вискером рассчитаны на определенную RH @ Temp на неопределенный срок, в то время как остальные представляют риск после нескольких дней открытого воздействия высокой RH. На самом деле это действительный риск и такой же вред, как и ранение ОУР, за исключением того, что оно срезает золотую проволочную связь.
Вот почему все детали космического или военного назначения, как правило, изготавливаются из керамики со стеклянным покрытием на проводах, а потребительские детали рассчитаны на 0 ° C.
Любые исключения, такие как промышленный и военный температурный диапазон, обусловлены более жесткими характеристиками, необходимыми для военных в более широком временном диапазоне, чем промышленный, но оба они работают в широком диапазоне, просто не гарантированные аналоговые характеристики.
CMOS работает быстрее холодного, чем горячего. TTL нагревается быстрее, чем холод, и температура перехода падает, чтобы рассеивать меньше тепла. Я протестировал 8-дюймовые жесткие диски HDD над сумкой с сухим льдом <-40 ° C через час только для военных, чтобы доказать, что это работает, но нет никаких гарантий с конденсацией, предотвращающей столкновение с головой ... (подшипники двигателя визжали в течение нескольких секунд ... но прохождение 0 ° C от замерзания идет вверх ... это риск влажности.
добавлены журнальные ссылки для доказательства. Ограничивающим фактором надежности, который влияет на температуру ВСЕХ интегральных микросхем (особенно больших микросхем, таких как микроконтроллеры), является механическая упаковка, а не функция полупроводника. Есть сотни статей о надежности, чтобы объяснить это. Существуют также статьи, объясняющие, почему существуют отклонения от пределов низких температур. Некоторые из них недооценены с -40 ° C по уважительной причине, а те , которые продлены с 0 ° C, могут быть по плохим причинам. Хотя явно не указано, что прибыль является причиной, младшие инженеры неправильно применяют HALT, чтобы расширить квалифицированные диапазоны, подверженные риску, из-за неправильного понимания химической миграции и структурных напряжений, которые существуют. В то время как более разумные компании будут переоценивать причины, которые я приведу ниже.
1. Герметичные свойства не являются цифровыми явлениями.
Он является аналоговым и относится к количеству проникновения или утечки влаги, которые атомно впадают в механическую упаковку.
Как указано в ссылке выше
«внутреннее выделение газа может вызывать образование конденсата капель воды, что ухудшает производительность устройства и даже приводит к выходу устройства из строя». 2. «Полученные уплотнения изначально были герметичными, но имели тенденцию к катастрофической неудаче при длительном замачивании и циклическом изменении температуры в физиологическом растворе из-за разницы в CTE между стенкой стеклянной капсулы (5,5 × 10–6 / ◦C) и 90% Pt – 10% ИК-проход (8,7 × 10–6 / ◦C) ».
«Из номограммы на рис. 6 видно, что при 1,0 атм и 0 ° C концентрация влаги, необходимая для образования капель воды, составляет 6000 ч / млн. При уровнях ниже этого процентного содержания водяных паров капли жидкости не смогут Таким образом, большинство материалов и процессов уплотнения выбираются так, чтобы поддерживать внутреннюю упаковочную среду на уровне или ниже 5000 ppm влаги в течение всего срока службы устройства ". Однако загрязнение может изменить это.
Я мог бы написать книгу на эту тему, но тогда уже многие другие уже написали, поэтому я просто буду ссылаться на некоторую литературу, которая докажет, что мой ответ верен .
Ключевые слова со ссылками
источник