¿Cómo fabricar sistemas electrónicos que funcionen por debajo de -40 °C?

Question

Me he dado cuenta de que la mayoría de los productos electrónicos funcionan hasta los 40°C. Ejemplo evidente con la página de microprocesadores de Microchip: https://www.microchip.com/ParamChartSearch/chart.aspx?branchID=1012 (compruebe las últimas columnas).

Lo que quiero

Me gustaría que esta electrónica funcionara hasta 80°C (o 110°F)

Lo que no puedo hacer

No puedo "calentar" la caja de mi circuito o incluso el propio circuito.

Algunos ejemplos

• globo meteorológico (56°C de 10km a 15km excluyendo los extremos)
• termómetro electrónico para el congelador de vacunas Pfizer (60°C a 80°C)
• Rover Perseverance (con una media de 65°C en Marte, excluyendo los extremos y excluyendo la SuperCam)
• cohetes
• aviones militares
• satélites
• etc.

Mi caso

Manejar un sistema electrónico bastante básico en un globo aéreo teledirigido a gran altura gracias al dihidrógeno o al helio. El circuito debería funcionar durante unas 7 horas.

Así que tengo 3 preguntas:

• ¿Por qué "generalmente" 40°C? ¿Por qué este valor en particular?

  ¿Por qué no 39°C, 41°C?

• ¿Podemos añadir una protección adicional para soportar sus bajas temperaturas (hasta 80°C o 110°F)?

  A veces veo en ciertos circuitos un espesor de silicona vertida sobre el circuito. Tengo entendido que existen otras alternativas como el uretano, el barniz y el acrílico. ¿Ayuda a soportar la temperatura? Supongamos que queremos hacer funcionar una placa en un congelador a 80°C.

• ¿Cómo funcionan los sistemas electrónicos espaciales?

  Por ejemplo, en el rover Perseverance, la SuperCam necesita ser calentada para mantener una temperatura superior a los 40°C. Sin embargo, el resto de las piezas no se calientan. Entonces, si funciona, ¿cómo?

Advertencia

Creo que tratar de encontrar un "parche" específico para mi caso no es una buena idea. La respuesta real podría ser muy útil y me permitiría modular mis necesidades y entender realmente cómo podría funcionar.

La pregunta es sobre TEMPERATURA . Por favor, EVITAR largo desarrollo en todo lo relacionado con:

• compatibilidad electromagnética (CEM)
• presión
• cambio rápido de temperatura
• Circuitos electrónicos desestabilizadores de rayos UV / infrarrojos / luz
• eficiencia

Sólo nos centramos en la temperatura. Puede entrar en la línea de visión:

• humedad o condensación
• formación de hielo

Answer 1

La mayoría de los semiconductores funcionarán bastante bien a -80°C, tal vez con una ganancia reducida y quizás con un aumento de la velocidad que podría afectar a un diseño marginal. La ganancia reducida puede hacer que los osciladores no funcionen, aunque si ya están en marcha pueden continuar a medida que baja la temperatura. He hecho funcionar mucha electrónica sumergida en N líquido ₂ y no hay muchos cambios inesperados de 300K a 77K. -80°C son unos 200K, así que ni siquiera la mitad de 77K. El helio líquido a 4K es otro asunto. Hay alguna información disponible en la literatura, pero conseguir garantías de los fabricantes probablemente no está en las cartas debido a la falta de mercado que les interesaría. Las cosas que están garantizadas para trabajar a temperaturas criogénicas y muy altas tienden a ser costosas. Caracterizarlos uno mismo es fácil para las piezas sencillas y muy difícil de hacer con un 100% de garantía para las piezas muy complejas.

La mayoría de los pasivos, como las resistencias, tampoco cambiarán mucho: un poco de cambio de los coeficientes de temperatura. Los condensadores cerámicos pueden cambiar mucho más.

Las cosas que no funcionan bien, o del todo, como dice fraxinus, son las pilas y los condensadores electrolíticos, y bien pueden ser limitantes. Otras cosas como el láser DPSS suelen tener un rango muy estrecho.

Según tengo entendido, el roverance tiene una fuente de calor de larga duración a bordo (una RTG de radioisótopos Pu 238), por lo que pasar demasiado frío no es un problema. Incluir un trozo de plutonio apto para armas no es un enfoque especialmente práctico en la mayoría de las aplicaciones.

Answer 2

El valor de -40 °C es más o menos una cuestión de norma. También lo es -55 °C para las especificaciones militares. -40 °C es "suficientemente bueno" para la mayoría de los usos civiles y -55 °C es aceptable para el uso militar general.

Por otro lado, la mayoría de los componentes electrónicos funcionan de forma más o menos aceptable hasta al menos -100 °C.

Sólo tienes que descubrir tú mismo lo que funciona y lo que no. El fabricante de la pieza puede ayudarle o no y usted puede permitirse o no la ayuda del fabricante.

Por otro lado, la última vez que lo comprobé, un kilo de hielo seco (dióxido de carbono sólido) cuesta menos de 10 euros. Consigue una buena ventilación (o al menos conoce los riesgos del dióxido de carbono que se evapora) y congela tu electrónica hasta -79 °C. El nitrógeno líquido se utiliza en proyectos de overclocking extremo, es mucho más frío pero también es más peligroso.

Las cosas que están casi garantizadas para fallar son los condensadores electrolíticos y las baterías.

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editar: una cosa más que es muy fácil que salga mal: enfriar y calentar rápidamente. No lo hagas, o algo se agrietará (incluso invisiblemente) y dejará de funcionar, ya sea de inmediato, o después de un tiempo (por ejemplo, cuando el agua condensada entra en la grieta)

Answer 3

Tenga cuidado de no malinterpretar lo que significan esos índices de temperatura. Cuando una pieza está clasificada para -40C, eso no significa que no vaya a funcionar por debajo de ese punto. Simplemente significa que el fabricante lo ha probado hasta esa temperatura y sólo certificará/garantizará el funcionamiento del dispositivo en ese punto o por encima de él. Los fabricantes suelen dejar un margen de seguridad decente en torno a lo que garantizan, así que lo más probable es que funcione al menos un nivel modesto por debajo de las especificaciones oficiales. Sin embargo, esto no ha sido sometido a pruebas oficiales, por lo que el fabricante no ofrece ninguna garantía.

Además, aquí hay dos límites de temperatura: una temperatura de "almacenamiento" y otra de "funcionamiento". Para algunos componentes, estos pueden ser muy diferentes. He visto componentes que pueden ser almacenados a -40C pero que requieren +5C mientras están en funcionamiento. Para algunos dispositivos, estos límites son los mismos. Asegúrate de leer bien las hojas de datos.

Los fabricantes no prueban los productos para saber dónde están sus límites térmicos específicos. Estas pruebas son caras y requieren mucho tiempo. En su lugar, realizan pruebas en un pequeño número de puntos de prueba estándar. Suelen ser -40C para los componentes estándar y -55C para las versiones de "grado militar" o "temperatura extrema". No hay mucha demanda de piezas que bajen de esa temperatura, por lo que las pruebas a temperaturas más bajas son poco frecuentes.

¿Por qué estas cifras? MIL-STD-810 cubre las normas de ensayo de los equipos militares. Según Método 502.7 - Baja temperatura La mayoría de las aplicaciones con consideraciones normales de costes de desarrollo" se prueban con una "frecuencia de ocurrencia" del 20%, lo que significa que el 20% de las horas del mes más extremo están por debajo de esa temperatura en la parte fría del mundo. La frecuencia del 20% es de -51C, y la del 10% es de -54C. Estos valores son lo suficientemente cercanos como para que, en lugar de detenerse en el umbral del 20%, se pueda bajar hasta los -55C y cubrir prácticamente todos los casos de uso de los equipos militares estándar. También existen especificaciones similares para equipos no militares. Por ejemplo, IEEE 1156.2 El "Standard for Environmental Specifications for Computer Systems" indica -40C como punto de prueba de baja temperatura. Véase también la norma IEC 60068-2-1.

Sin duda, puedes probar los componentes a los niveles que quieras. Es probable que el fabricante no lo haga por ti (al menos, no de forma gratuita), pero hay empresas de ensayos que probarán los componentes en cualquier tipo de entorno que desees. Puedes realizar o encargar tus propias pruebas térmicas que cubran cualquier rango de condiciones que esperes ver. También puede ser útil hablar con el fabricante del componente. Es posible que dispongan de piezas que ya han sido probadas para satisfacer sus necesidades pero que, debido a la escasa demanda, sólo están disponibles a través de un pedido especial. También pueden indicarle qué piezas han utilizado con éxito otros clientes en entornos de temperaturas extremas.

Answer 4

En primer lugar, considere lo que ocurrirá si supera el rango de temperatura de una pieza. El silicio, el cobre, etc, son resistentes, no se van a dañar directamente.

1. Los parámetros se desplazarán tanto que el circuito dejará de funcionar.

2. Los parámetros cambiarán, pero el circuito sigue funcionando.

3. Una expansión/contracción térmica desigual agrietará físicamente las piezas.

Y, probablemente, ocurrirán otras cosas malas, pero concentrémonos en estas.

Los componentes se fabrican generalmente en tres rangos de temperatura, comercial (0 - 70 °C), industrial (-40 - 85 °C) y militar (-55 - 125 °C). Estos rangos cubren la mayoría de las aplicaciones.

El troquel de silicona suele ser el mismo para las tres gamas. La diferencia es el embalaje y las pruebas. Las piezas no fallarán por arte de magia si se sobrepasa su rango de temperatura, yo he hecho funcionar piezas comerciales hasta los 100 °C sin problemas.

Por lo tanto, para superar el rango de temperatura militar, hay que elegir el mejor encapsulado para minimizar los problemas térmicos y tener un diseño robusto que pueda soportar los cambios de parámetros. Caracterice las piezas y desarrolle especificaciones personalizadas para los nuevos rangos de temperatura.

Los ciclos de temperatura suelen ser peores que ir a un extremo sólo una vez. La fiabilidad se reducirá, pero puede ser aceptable para un vuelo en globo de 7 horas. Determinar la fiabilidad será difícil, hay expertos que pueden ayudar a determinar lo que ocurrirá.

Si la aplicación es lo suficientemente importante, se pueden crear piezas con rangos de temperatura garantizados más altos. Serán extremadamente caras. Se han diseñado piezas especiales para operar en el fondo de los pozos de petróleo, donde la temperatura puede ser de 200 °C.

Answer 5

- Podemos añadir una protección adicional para soportar sus bajas temperaturas (hasta -80°C o ≈ -110°F)? A veces veo en ciertos circuitos un espesor de silicona vertida sobre el circuito. Tengo entendido que existen otras alternativas como el uretano, el barniz y el acrílico. ¿Ayuda a soportar la temperatura? Supongamos que queremos hacer funcionar una placa en un congelador a -80°C.

No creo que los revestimientos conformados puedan proteger contra el frío (quiero decir, la temperatura se va a abrir paso después de todo, incluso un termo súper grueso tiene sus límites). De lo que sí pueden proteger es de la condensación. El revestimiento de silicona sólo es bueno hasta -40C, mientras que el paraxileno, que debe depositarse en una cámara de vacío, es bueno hasta -200C. Tampoco estoy seguro de que la silicona sea capaz de soportar las bajas presiones que se pueden encontrar a gran altura, pero el paraxileno definitivamente sí. El paraxileno es el que utilizan los satélites y las sondas espaciales.

El poliuretano y el acrílico pueden soportar -65C. Una vez más, no sé acerca de la baja presión.