Temperatura mínima de funcionamiento - ¿Espacio exterior?

Question

He estado mirando algunos microcontroladores y he visto que tienen unas temperaturas mínimas de funcionamiento "raras", como -25 grados o -10 grados, etc. Pero no entiendo muy bien por qué hay un mínimo, un máximo sí lo entiendo porque todo se funde y se rompe, la resistencia aumenta haciendo las señales demasiado débiles. Pero cuando vas al lado frío. Todo mejora, la resistencia se reduce, todo se vuelve más estable. Pero aún así... la temperatura mínima de funcionamiento es de -25 grados... ¿Por qué no es 0 Kelvin?

Porque estaba pensando en el mars-rover y otros satélites, cuando están detrás del sol están operando a casi 0-50 kelvin, el mars-rover... según la wiki se enfría hasta 87 °C (125 °F). Y esto sigue siendo mucho más frío que -25 grados.

Entonces, ¿alguien puede explicarme por qué los microcontroladores tienen una temperatura mínima de funcionamiento? Cuanto más detallado sea, mejor.

Answer 1

¡2ª Edición! He modificado mi respuesta sobre los semiconductores basándome en la respuesta de jk, ¡lee el historial si quieres ver las partes que he modificado!

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Todo se vuelve extraño dentro de ciertos límites. Es decir, la resistencia mejora en los conductores, pero aumenta en los semiconductores, y ese cambio afecta al funcionamiento del CI. Recuerda que el funcionamiento de los transistores se basa en que puedes modificar su resistencia, y si la temperatura baja tanto que ya no puedes disminuir su resistencia, ¡tienes un problema! Imagina que de repente tu semiconductor se convierte esencialmente en una resistencia... ¿cómo lo controlas? ¡Ya no se comporta de la misma manera! Ahora estoy un poco confundido en cuanto a la obtención de los -25°C, ya que la especificación industrial/militar debería ponerlo a -40°C para la temperatura mínima de funcionamiento.

Pero en cuanto a la pregunta sobre el espacio, puedo responderla porque trabajo en un laboratorio espacial. En general, hay tres problemas térmicos en el espacio:

1) En el espacio, sólo se irradia calor. La radiación es una forma terrible de deshacerse del calor. En la atmósfera, conduces el calor al aire que te rodea, lo que facilita mucho el enfriamiento. Por lo tanto, en el espacio hay que poner grandes disipadores para llevar el calor a superficies radiantes más grandes.

2) Si tienes un componente que no genera calor, el espacio está encantado de dejarte pasar mucho frío. En general, lo que se hace es tener elementos de calefacción activos para mantener los componentes que no generan más calor del que irradian pero que tienen límites térmicos.

3) Las oscilaciones de calor son comunes porque saldrás y volverás a entrar en los rayos del sol. Por lo tanto, es necesario tener una gestión térmica activa en la que haya un gran disipador que pueda irradiar calor cuando esté caliente, y un calentador para cuando no lo esté.

También se pueden conseguir dispositivos de rango de temperatura extendido que van más abajo y más arriba, pero prácticamente siempre hay un límite. Algunos de ellos son para los casos en que la temperatura fría agrieta la matriz porque el metal se encoge más que el plástico (o viceversa), por lo que también indican los límites para el almacenamiento.

El límite está sobre todo en los materiales. También se tiende a obtener chips de cerámica con clasificación espacial para el embalaje, lo que también puede aumentar o disminuir los límites térmicos.

En fin, espero que eso te lo explique. Puedo intentar responder a cualquier otra pregunta, pero admito que la física de los semiconductores de baja temperatura no es mi fuerte.

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1ª edición:

Aquí hay un enlace a una entrada de la wikipedia sobre la idea de que a temperaturas más bajas hay menos electrones que se excitan lo suficiente como para generar un flujo de corriente a través de una red de semiconductores. Esto debería darte una buena idea de por qué la resistencia se vuelve más alta, y por qué 0 Kelvin nunca habría sido una opción.

Answer 2

La respuesta de Kit es totalmente acertada en cuanto a los componentes en el espacio, pero he pensado en ampliar un poco el tema de los semiconductores frente a los conductores (de forma muy aproximada y sin matemáticas).

La resistencia de los conductores disminuye con el descenso de la temperatura. Esto se debe a que la resistencia se debe a que los electrones que fluyen libremente son frenados por las vibraciones de la red cristalina por la que fluyen. Una temperatura más baja significa menos vibraciones.

La resistencia de los semiconductores aumenta con el descenso de la temperatura. Esto se debe, en primer lugar, a que no tienen electrones libres para transportar carga a bajas temperaturas. A medida que se calientan, obtienen más portadores de carga y esto compensa la resistencia extra por el aumento de la vibración en la estructura.

Por último, los superconductores dependen de un extraño fenómeno cuántico. Ya sea a temperaturas muy muy frías y/o por tener sus electrones libres confinados en una película 2d en lugar de un sólido 3d, lo que permite que la física se vuelva más extraña.

Answer 3

añadido El Instituto de Sistemas de Vehículos Aeroespaciales (AVSI) ha investigado esta cuestión.

"Enfoque cuantitativo preciso de la física del fallo para la fiabilidad de los circuitos integrados" Sus conclusiones se basan en la física y en el análisis de la causa raíz, especialmente porque el tamaño de las características se ha reducido en órdenes de magnitud en los últimos 30 años.

1. ElectroMigración (EM) (contaminación del semiconductor por fuga lenta de iones metálicos)

2. Ruptura dieléctrica dependiente del tiempo (TDDB) o la lenta tunelización de un camino conductor a través del aislante de óxido de los campos débiles ( y la radiación gamma )

3. Inyección de portadores en caliente (HCI) Cuando una concentración de agujeros salta una barrera dieléctrica en las trampas de carga utilizadas por las células de memoria para alterar permanentemente el estado de la memoria causada por la radiación erosionando gradualmente el margen hasta el fallo.

4. Inestabilidad de la temperatura de polarización negativa (NBTI) Las tensiones NBTI, que desplazan los voltajes umbrales de los transistores PMOS, se han vuelto más prominentes a medida que las geometrías de los transistores alcanzan los 90 nm y menos, y se ven agravadas por las trampas de carga estática de larga duración, suficientes para causar fallos.

Estas CUATRO RAZONES anteriores son las más comunes ahora con los CI del espacio profundo, así como con los CI del consumidor. El espacio tiene más radiación y factores de estrés ambiental. La Ley de Moore también ha acelerado estos nuevos modos de fallo.

Históricamente, la razón genérica más común para que los CI de tecnología antigua estuvieran limitados en el rango de temperatura se debe a que funcionan con embalaje y estrés ambiental.

El choque térmico, la condensación y la evaporación rápida, así como los efectos análogos de la deriva térmica Los CI de los consumidores están limitados a 0~85'C en las cajas de plástico por esta misma razón. No es un sellado perfecto y la entrada de humedad es posible. Pero incluso los circuitos integrados cerámicos pasivados con vidrio endurecido tienen límites térmicos. Además de los problemas de humedad indicados a continuación, lea los problemas más recientes confirmados más arriba.

Fin de la edición

Si hay suficientes moléculas de humedad con el tiempo y se congela y agrieta el sustrato falla.. Si está funcionando bien en un estado congelado con moléculas de humedad congeladas y luego se descongela y causa corrosión o fugas y falla. Es su culpa. Algunos sellos de plástico son ligeramente mejores y el autocalentamiento evita que algunos se congelen por debajo de ciertas temperaturas, lo que también reduce la migración de la humedad.

En el extremo superior , el efecto popcorm hace que la humedad sople virutas y el grado de epoxi negro ha mejorado significativamente en los últimos 40 años debido a Sumitomo. El epoxi transparente no es tan bueno y se utiliza en algunas cajas de LED o dispositivos IR. Por lo tanto, los LEDs deben mantenerse secos antes de soldarlos. Los diseños modernos de los grandes motores de LED sin las uniones de alambre de bigote de oro están clasificados para una cierta RH @ Temp indefinidamente, mientras que el resto son un riesgo después de unos días de exposición abierta a la alta RH. Realmente es un riesgo válido y tan malo como herirlos ESD, excepto que cizalla el wirebond de oro.

Por eso todas las piezas de rango de temperatura espacial o militar tienden a ser de cerámica con recubrimiento de vidrio en los cables y las piezas de consumo están clasificadas a 0'C.

Cualquier excepción, como el rango de temperatura industrial y militar, se debe a las especificaciones más estrictas que se necesitan para los militares en un rango de temperatura más amplio que el industrial, pero ambos funcionan en un amplio rango, sólo que no se garantizan las especificaciones analógicas.

El CMOS funciona más rápido en frío que en caliente. El TTL funciona más rápido en caliente que en frío y las temperaturas de unión bajan para disipar menos calor. He probado unidades de disco HDD 8" sobre una bolsa de hielo seco < -40'C después de una hora solo para los militares para probar que funciona, pero no hay garantías con la condensación que previene el choque de la cabeza... ( los cojinetes del motor chirriaron por unos segundos tho.... pero pasando 0'C de la congelación subiendo... eso es un riesgo de humedad.

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añadiendo las referencias de las revistas como prueba. El factor limitante de la fiabilidad que afecta a la temperatura de TODOS los circuitos integrados (especialmente los chips grandes, como los microcontroladores) es el embalaje mecánico más que la función del semiconductor. Hay cientos de artículos sobre fiabilidad que explican esto. También hay artículos que explican por qué hay una variación de los límites de baja temperatura. Algunos están descalificados a partir de -40'C por una buena razón, y los extendidos de 0'C pueden ser por malas razones. Aunque no se diga explícitamente que el beneficio es la razón, los ingenieros noveles aplican incorrectamente el HALT para ampliar los rangos de calificación en riesgo por no entender la migración química y las tensiones de la estructura que existen. Mientras que las empresas más sabias volverán a aplicar las buenas razones, que apoyaré con referencias más adelante.

1. Las propiedades herméticas no son un fenómeno digital.

Es analógico y se relaciona con la cantidad de ingreso o fuga de humedad atómica en un paquete mecánico.
Como se indica en el enlace anterior

1. "la desgasificación interna puede inducir la formación de condensación de gotas de agua, comprometiendo así el rendimiento del dispositivo e incluso provocando su fallo". 2." Los sellos producidos eran herméticos inicialmente, pero tendían a fallar catastróficamente durante el remojo prolongado y los ciclos de temperatura en solución salina debido a la diferencia en el CTE entre la pared de la cápsula de vidrio (5,5 × 10-6/◦C) y el 90% de Pt-10% de Ir (8,7 × 10-6/◦C). "

2. " A partir del nomograma de la Fig. 6, se observa que a 1,0 atm y 0◦C, la concentración de humedad necesaria para formar gotas de agua es de 6.000 ppm. A niveles inferiores a este porcentaje de vapor de agua, no se podrán formar gotas de líquido. De ahí que la mayoría de los materiales y procesos de sellado se seleccionen para mantener el entorno interno del envase a un nivel de humedad igual o inferior a 5.000 ppm durante la vida útil del dispositivo." Sin embargo, la contaminación puede alterar esto.

Podría escribir un libro sobre este tema, pero muchos otros ya lo han hecho, así que me limitaré a hacer referencia a algunos textos, que demostrarán mi la respuesta es válida .

Palabras clave con enlaces

• molde curado posterior al molde resina epoxi OCN MFR bifenilo contracción absorción de humedad paquete fiabilidad termoanálisis análisis mecánico dinámico
• Fiabilidad del envase resistencia a la humedad y fiabilidad de la unión bola/costura
• Fallos inducidos por la entrada de humedad en los envases
• fallos inducidos térmicamente a alta temperatura por la humedad
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