¿Por qué la gama de temperaturas de los productos industriales y militares es tan alta?

Question

Según Wikipedia, el intervalo de temperatura habitual para los componentes eléctricos es:

Comercial: de 0 a 70 °C

Industrial: -40 a 85 °C

Militar: -55 a 125 °C

Puedo entender la parte inferior (-40°C y -55°C), ya que estas temperaturas existen en países fríos como Canadá o Rusia, o a grandes altitudes, pero la parte superior (85°C o 125°C) es un poco confusa para algunas partes.

El calentamiento de transistores, condensadores y resistencias es muy comprensible, pero algunos circuitos integrados tienen una generación de calor aproximadamente constante (como las puertas lógicas).

1. Si estoy pensando en un microcontrolador que funcione en el desierto del Sahara a 50 °C de temperatura ambiente (no sé si hay temperaturas más altas en la Tierra), ¿para qué voy a necesitar 125 °C u 85 °C? ¿El calor acumulado por la pérdida de potencia en el interior no debería ser de 50 °C o 70 °C, de lo contrario la parte comercial fallaría inmediatamente en, por ejemplo, un ambiente de 25 °C?

2. Si vivo en un clima moderado en el que las temperaturas sólo pueden oscilar entre 0 y 35 °C durante todo el año, y diseño productos industriales sólo para el mismo país (no exporto), ¿podría utilizar componentes de calidad comercial (suponiendo que no existe certificación, legislación ni responsabilidad y que sólo la ética de la ingeniería rige sus acciones)?

Answer 1

La temperatura máxima que experimenta el silicio puede ser muy superior a la ambiente. 50 °C ambiente ciertamente ocurre. Eso es sólo 122 °F. He experimentado personalmente que en el refugio de vida silvestre Kofa norte de Yuma Arizona. Necesitas diseñar para el peor de los casos, no para el caso deseado. Digamos que la temperatura ambiente puede ser de 60 °C (140 °F).

Eso en sí mismo no es un gran problema, pero no se consigue solo. Coge el mismo termómetro que marca 60 °C al aire libre y ponlo en una caja metálica en el suelo al sol. Se calentará mucho más.

He visto a alguien freír un huevo en el capó de un coche al sol en Phoenix AZ. Concedido, este fue un truco deliberadamente preparado para este propósito. El coche estaba aparcado en el ángulo correcto, el pedazo de capó estaba inclinado en el ángulo correcto, y pintado de negro plano. Sin embargo, demuestra que un trozo de metal al sol puede calentarse mucho.

Una vez dejé un coche aparcado en el aeropuerto de Las Vegas durante unos días. Había dejado uno de esos bolígrafos baratos en el salpicadero, sobresaliendo parcialmente por el lateral. Cuando volví, el bolígrafo estaba doblado 90º sobre el borde del salpicadero. No sé a qué temperatura se funden estos bolígrafos, pero está claro que se calientan mucho más que el ambiente en condiciones normales en una caja cerrada.

Si dejaras una pieza barata de electrónica de consumo en el salpicadero al sol y no funcionara, probablemente te irritarías un poco, la tirarías y la sustituirías. Si el controlador de su bomba de aceite dejara de funcionar en verano porque se calienta demasiado, perdería mucho dinero, se enfadaría bastante y probablemente compraría el repuesto a otra empresa que se tome la calidad más en serio. Si tu sistema de defensa antimisiles dejara de funcionar porque lo desplegaste en el desierto de Irak en lugar de en un cómodo campo de pruebas de Massachusetts, donde fue desarrollado, estarías muerto. Los responsables de adquisiciones que no sean despedidos tendrán especial cuidado en exigir que todos los componentes electrónicos funcionen a altas temperaturas e insistirán en que se prueben en esas condiciones.

Answer 2

En primer lugar, el equipamiento militar es caro. Sólo puede permitirse probar cosas a altas temperaturas si su cliente está dispuesto a pagar. Los clientes militares suelen tener presupuestos con los que la gente normal solo puede soñar.

Entonces, obviamente, si pones un CI en un misil, puede que no quieras que esa cosa falle si tu misil se calienta por su extremo ardiente o por su extremo de fricción con el aire. Lo mismo ocurre con los componentes de un satélite, un cohete intercontinental, etc.: en cuanto llegas al espacio y estás a la sombra de la Tierra, las cosas pueden ponerse feas. realmente frío. Los sectores militar y aeroespacial (que suelen ser las mismas empresas) son los lugares en los que se espera que un dispositivo resista muchos G de aceleración, se caliente-caliente-frío-frío-caliente en cuestión de segundos, debe estar muy bien integrado y ser muy ligero, y los costes no importan mucho en comparación con el riesgo:

Sin embargo, la principal diferencia (aparte de cómo se gestiona físicamente la temperatura) es simplemente que estos tres grupos de aplicaciones realizan un tipo distinto de evaluación de riesgos:

• dispositivo de consumo/comercial : 1/5000 de sus televisores fallan en cinco años porque algún circuito integrado se ha calentado demasiado. Mala cosa. Muchos clientes se limitarán a comprar uno nuevo. Para los 1/10.000 clientes restantes, tendrá que hacer el mantenimiento (calcúlelo en el coste del producto) o vivir con una imagen degradada (que en realidad no tiene que hacer, porque sus competidores hacen lo mismo). Así que tener más margen de seguridad en tus diseños no tiene mucho sentido, tan poco como probar los componentes hasta el límite de las condiciones ambientales asumibles. Estás en un mercado en el que precio es lo más importante, y la tasa de fallos es sobre todo una preocupación para las finanzas del fabricante.
• dispositivo industrial : Su cliente es alguien que está haciendo una posible muy costosa línea de producción de su producto. Digamos que la línea de producción de Volkswagen se detiene durante 8 horas porque su CI no funciona. Esa es una cantidad muy sólida de pérdida que acabas de causar. VW estará dispuesta a pagar más para asegurarse de que sus proveedores comprueban los componentes en todos los entornos en los que es probable que se produzcan fallos, y mucho más, para que el riesgo sea asumible.
• dispositivo para automoción : Hay vidas humanas en juego. Eso no es tan importante como el hecho de que los coches vibran como el demonio, son complejos como el demonio, se calientan parcialmente como el demonio y se ruedan en millones Esto significa que descubrir que cualquier componente se calienta un poco para funcionar de forma fiable (incluso si se trata de algo que no es crítico para la seguridad) significa que es posible que tenga que reparar muchos coches, lo cual es realmente caro, y de hecho arriesgas la imagen de tu marca. Cada país tiene sus propios prejuicios contra "ese fabricante de coches de escasa fiabilidad y mala electrónica", y eso perjudica seriamente sus ventas.
• dispositivo de grado militar : Bueno, la promesa de los militares es estar preparados siempre para lo que sea. Estarán no arriesgarse a que algo falle sólo porque no pidieron a todos los proveedores que cumplieran unas especificaciones medioambientales extremas. Así es como funcionan: no hay que dejar nada al azar, sobre todo si la aplicación es muy cara (por ejemplo, los aviones de combate) o se despliega por decenas de miles y sigue siendo esencial para la vida y la misión (por ejemplo, los equipos de comunicaciones militares).

Answer 3

Los equipos militares (y aeroespaciales en general) suelen ser:

1. En una nave sin presurizar, lo que significa que la refrigeración del equipo se realiza por conducción. La refrigeración por convección pierde sentido a 30.000 pies, ya que hay muy pocas moléculas de aire para transferir calor por convección. Es mucho más difícil transferir eficazmente el calor sólo por conducción.

2. En una zona de deslumbramiento (piense justo debajo de la cubierta de un avión de combate) y esta zona puede ser muy caliente.

3. En una nave donde la temperatura ambiente puede superar los 70C.

4. En el borde de ataque de un ala, cuya temperatura puede variar desde condiciones de formación de hielo (muy por debajo de cero) hasta muy calientes (a Mach 2 o así, la fricción incluso de las pocas moléculas disponibles sigue siendo muy alta; por eso el transbordador espacial tenía una elaborada gestión del calor para la reentrada).

No es raro que la temperatura del borde de la tarjeta sea de 85C durante periodos cortos (30 minutos normalmente) y no hace falta mucha actividad del procesador (por nombrar sólo un tipo de dispositivo) para elevar la temperatura de la unión a 120C o más.

En resumen, los entornos militar y aeroespacial son realmente duros (al igual que las aplicaciones de fondo de pozo, por cierto).

Como han señalado otros, las piezas de grado militar totalmente cualificadas pueden ser caras (hasta 10 veces el coste del equivalente comercial y en algunos casos más); en respuesta a ello algunos fabricantes han instituido programas de control de las piezas de plástico, que siguen teniendo un sobreprecio, pero no tanto como las soluciones anteriores.

[Actualización]

En respuesta al comentario sobre las temperaturas de los bordes de las tarjetas, he aquí un chasis típico refrigerado por conducción:

La parte exterior del chasis se conoce como pared fría (donde podemos conocer la temperatura) y puede ser simplemente de metal o tener otros métodos para mantener una temperatura razonablemente conocida.

He aquí una tarjeta típica, con escaleras térmicas:

Suelen ser de aluminio (es barato y tiene unos parámetros térmicos decentes) y las escalerillas están en contacto con los bordes laterales de la caja de arriba; como habrá cierta diferencia de calor entre el exterior y el interior de la caja, el requisito de temperatura soportada por la placa de circuito impreso se fija en esta escalerilla térmica interna, que es, como se puede ver en el borde de la tarjeta .

Como el calor debe llegar desde los componentes hasta este punto, no es raro que la PCB en un componente caliente (como un procesador o GPU) llegue a 95C o más con una temperatura en el borde de la tarjeta de 85C (que suele ser un requisito específico).

La resistencia térmica de la mayoría de los tipos de FR-4 es de $0.4 \frac {W} {mK}$ por lo que existirán muchas capas metálicas internas en este tipo de tarjetas.

En algunas situaciones, puede ser necesario utilizar revestido térmicamente PCBs que aunque caros pueden ser la única forma de sacar el calor.

Answer 4

En otros comentarios y respuestas se ha mencionado que los circuitos electrónicos tienen que estar en recintos y que su propia producción de calor hace que haga calor allí dentro. Esto no se ha subrayado lo suficiente. En el caso de los equipos industriales, comerciales y de automoción, los circuitos electrónicos suelen tener que estar encerrados en armarios herméticos para mantener alejados todo tipo de contaminantes. Además, los niveles de potencia más altos son habituales. Hay muchos controles de motores, controles de calentamiento de procesos y potentes actuadores de diversos tipos. Los microcontroladores deben poder funcionar en los mismos recintos que este tipo de equipos. En los edificios comerciales, los controladores de motores y los microcontroladores de los equipos de calefacción, ventilación y refrigeración suelen instalarse en recintos de azotea que no tienen temperatura controlada.

Answer 5

Los equipos industriales comunes se calientan debido a su propio calor. Un aumento típico de la temperatura en el interior de un armario es de 20-30 grados C. Si se coloca en un edificio sin aire acondicionado, la temperatura sube fácilmente hacia los 70-80 grados, y a veces incluso el rango industrial no es suficiente. En estos casos se recurre a todo tipo de refrigeración: convección pasiva, convección forzada, refrigeración por agua, etc.