Warum hat die Elektronik eine niedrige Temperaturgrenze?

Warum haben elektronische Bauteile, abgesehen von Kondensation, normalerweise eine niedrige Temperaturgrenze? Zum Beispiel sagt mein Laptop im Betrieb etwas in der Größenordnung von -10 ° C bis 75 ° C.

Ich kann die hohe Temperaturgrenze verstehen, da die Dinge wahrscheinlich schmelzen werden!

Aber warum ist Kälte so schlimm?

Welche Komponenten, abgesehen von Batterien, können extreme Kälteschäden verursachen und wie?

Wird es den Schaden erhöhen?

Wird die Verwendung der Ausrüstung diesen Schaden ausgleichen (wenn sie sich nach dem Gebrauch erwärmt)?

Außerdem spreche ich von extremen Temperaturen unter -50 ° C. Ist Kondensation also immer noch ein Problem?

Hinweis: Ich speichere es nicht, damit es kein Duplikat einer anderen Frage ist.

Anmerkung 2: Ich spreche nicht von Halbleitern, sondern allgemein.

Ich habe einmal einen Verstärker entworfen, der bei -10 ° C oszilliert. Ich habe es behoben, indem ich das Design geändert habe, um mehr Phasenreserve hinzuzufügen. In diesem Fall verursachte die Oszillation keinen Schaden, aber die Schaltung funktionierte in diesem Zustand nicht gut und verursachte Fehler. Diese Fehler verschwanden bei höheren Temperaturen.

Einige Kunststoffe brechen beim Einfrieren. Trockeneis hat -78,5 ° C und ich habe viel Plastik mit Trockeneis gebrochen. Zum Beispiel habe ich eine vollkommen gute Eiskiste zerstört, die an der Stelle, an der ich ein Stück Trockeneis hatte, in kleine Stücke gerissen ist.

Bei Oberflächenmontagekonstruktionen kann der unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizient zwischen den mit der Leiterplatte verlöteten Teilen und der Leiterplatte große Spannungen verursachen. Das Spannungs-Dehnungs-Temperatur-Verhältnis funktioniert häufig kaum über den angegebenen Temperaturbereich. Wenn das Gerät eingeschaltet wird, können die heißen Komponenten ihre Form ändern und den spröden Kunststoff zerbrechen, ähnlich wie bei meiner alten Eiskiste.

Wenn die Temperatur des Geräts unter 0 ° C liegt und Sie es in ein angenehm warmes, feuchtes Büro bringen, kondensiert Wasser auf den Leiterplatten und kann Probleme verursachen. Vermutlich kann bei Frost je nach Witterung etwas Ähnliches passieren. Wenn der Frost schmilzt, kann es zu Problemen kommen.

Wenn ich morgens Geräte erhalte, die als Luftfracht befördert wurden, gehe ich davon aus, dass es in letzter Zeit sehr kalt war, und ich lasse es einige Stunden herumstehen, um mich langsam aufzuwärmen und trocken zu bleiben, bevor ich die Box im Büro öffne.

Das Einschalten eines sehr kalten Gangs könnte interessant sein. Einige strombegrenzende Komponenten, wie z. B. ein PTC oder PPTC , lassen viel mehr Strom durch.

Die Schmiermittel in Motoren wie Lüftern und Festplatten können ebenfalls ein Problem darstellen.

Ich kann Ihnen eine Antwort geben, weil ich einer von denen war, die die Spezifikationen von Halbleiter-ICs geschrieben oder überprüft haben.

Rechtlich und ethisch gesehen konnte ich nur die Parameter abmelden, bei denen wir überprüft haben, ob der IC / Prozessor funktionieren würde. Und dann würden mein Chef und ihr / sein Chef und alle anderen die Beweise für die Tests sehen und auch sie würden diese Einschränkungen unterschreiben.

Ich könnte aus ethischen oder rechtlichen Gründen nicht davon ausgehen, dass eine Charge von Prozessoren bei -100 ° C arbeiten würde, wenn ich sie nicht durch die Testsuite bei -100 ° C gestellt hätte.

Wenn Sie Ihr Gerät bei -50 ° C mit dem von mir abgemeldeten Prozessor und einem niedrigen Schwellenwert von -15 ° C verwenden möchten, wäre mein Unternehmen diesem Prozessor gegenüber nicht mehr verpflichtet. Sie haben die Garantie verletzt.

Das Testen bei -50 ° C ist viel teurer als das Testen bei -15 ° C. Ich müsste sicherstellen, dass die Teststelle tatsächlich -50 ° C ist. Es ist auch sehr gefährlich.

Außerdem ist eine spezielle / hermetische Verpackung erforderlich, damit ICs bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten können. Als extremes Beispiel könnten Kunststoffverpackungen Risse oder strukturelle Kompromisse entwickeln, wenn wir flüssigen Stickstoff darauf gießen.

Eine unterschiedliche Ausdehnung zwischen der Düse und der Verpackung kann die Düse von ihrer Befestigungsstelle abreißen oder die Düse zerbrechen.

Es gibt Stresstests, bei denen Temperaturschwankungen in der Funktionsweise des IC simuliert werden. Angenommen, Ihr Laptop sitzt bei gefrorenen Temperaturen von -10 ° C in Ihrem Auto. Sie schalten ihn ein und erreichen innerhalb von 5 Minuten eine Temperatur von 85 ° C. Und das haben Sie den ganzen Winter über jeden Abend getan. Was ist mit der Headunit und dem Computer-Controller, die in Ihrem Auto sitzen und die Sie die nächsten 15 Jahre fahren würden, und die jeden Winter in Nord-Maine solchen Schwankungen ausgesetzt sind?

Es gab zu viele mechanische Probleme, mit denen sich meine Kollegen im Maschinenbau befassen mussten, wenn es um Tests bei extrem niedrigen Temperaturen ging. Also, wie niedrig ist die Temperatur, die wir überprüfen sollen, und wie viel mehr sind Sie als Verbraucher bereit, für diese Niedrigtemperaturprüfung zu zahlen?

Wir können nicht nur ein oder zwei Geräte testen, um festzustellen, ob es keine mechanischen Probleme wie Inkompatibilitäten zwischen Chip und Verpackung gibt. Wir müssen die akzeptable statistische Verteilung und den Stichprobenplan entwerfen, der in diese Verteilung fallen würde und der für einen Strom von ICs gelten würde, die durch die Produktlinie fließen.

Gelegentlich kann die Rechtmäßigkeit der Auflagen eher ins Gewicht fallen, wenn die US-Regierungsbehörde vom OEM verlangt, dass sein Vertreter anwesend ist, während wir diese ICs / Prozessoren testen, was für eine Charge einige Tage dauern kann. Dieser Vertreter würde unterschreiben, dass wir solche Tests tatsächlich unter solchen Bedingungen durchgeführt haben. So würde ein 100-Dollar-Prozessor die US-Regierung 2000 Dollar kosten.

Wenn sich die US-amerikanische Regierungsbehörde dazu entschließt, die Geräte außerhalb der getesteten und überprüften Grenzen zu betreiben, können wir nicht länger rechtlich für Pannen oder zukünftige Fehlfunktionen verantwortlich gemacht werden.

Abgesehen von Batterien und LCD-Komponenten werden diese im Allgemeinen auch bei extremer Kälte nicht direkt beschädigt. Wenn die Temperaturen besonders schnell extrem werden, kann dies zu physischen Schäden aufgrund einer nicht übereinstimmenden Kontraktion mit der Temperatur oder Temperaturgradienten führen.

Ein Betrieb bei kalten Temperaturen ist jedoch möglicherweise nicht möglich. Komponenten ändern sich mit der Temperatur bis zu dem Punkt, an dem sie möglicherweise nicht mehr zuverlässig funktionieren, nicht mehr anlaufen oder möglicherweise ganz ausfallen. Die Verstärkung von Bipolartransistoren nimmt mit der Temperatur ab. Unterhalb von ca. 50K funktionieren die meisten bipolaren Teile nicht mehr, da der Träger einfriert. Elektrolytkappen mögen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt nicht, und ihre Änderungen (höherer ESR und geringere Kapazität) können zur Beschädigung anderer Teile führen. Digitale CMOS-Teile funktionieren möglicherweise mehr oder weniger in Ordnung, aber die analogen Teile eines Chips sind möglicherweise fehlerhaft oder funktionieren nicht (wie der Taktoszillator oder BOR oder ADC in einem Mikro).

Noch verrückteres passiert, wenn Sie sich dem absoluten Nullpunkt nähern - bei 4,2 K (flüssiges Helium) kann beispielsweise ein 1N4148 einen Relaxationsoszillator erzeugen. Noch kälteres und gewöhnliches Lot kann jeglichen Widerstand verlieren, was sich wirklich gut anhört, bis der magnetische Fluss eingeklemmt wird.

Das Grundproblem besteht darin, dass die Dichte der "freien" Ladungsträger in Halbleitern eine starke Funktion der Temperatur ist. Wenn die Temperatur niedrig genug ist, gibt es nicht genug verfügbare Ladungsträger, damit die Transistoren usw. funktionieren können, und der effektive Serienwiderstand des Bulk-Halbleiters steigt ebenfalls an. Die Gesamtverstärkung der Schaltung liegt unter den vom Konstrukteur zugelassenen Werten und kann die Leistungsspezifikationen nicht mehr erfüllen.

Die Temperaturgrenze, die mit einem tatsächlichen IC verbunden ist, hat mehr mit thermischer Expansion / Retraktion zu tun als mit Dingen wie Schmelzen.

Ein IC besteht aus verschiedenen Materialien. Die Matrize, das Substrat, die Bonddrähte, die Bondmethode, die Beine und der Körper. Wenn sich die Temperatur ändert, dehnen sich diese unterschiedlichen Materialien aus / ziehen sich zusammen und zerreißen sich von anderen Materialien, die sich nicht mit der gleichen Geschwindigkeit ändern.

Sie haben dann Qualität der Dotierung, eher ein Problem am Rand des Wafers. Das bedeutet, dass die tatsächlichen Eigenschaften des Datenblatts (Anstiegszeit, Ausbreitungsverzögerung usw.) nicht dem angegebenen Minimum / Maximum entsprechen, da die Beweglichkeit der Elektronen unterschiedlich ist (Hersteller erstellen normalerweise einen IC und testen ihn bei militärischer Temperatur. Wenn dies fehlschlägt , Test bei Industrietemperatur. Wenn dies ebenfalls fehlschlägt, Test bei kommerzieller Temperatur ... Wenn dies fehlschlägt, wird es verschrottet und zu den Ertragszahlen hinzugefügt.

Dann haben Sie die Besonderheiten des Schadens ... Silizium hat keine Untergrenze für Halbleiter. Es gibt eine Obergrenze bei 175 ° C, bei der es beschädigt wird.

LCDs bilden Kristalle und brechen bei extremen Temperaturen zusammen. Ebenso beginnen Dielektrika in Kondensatoren zusammenzubrechen.

Andere Probleme bei so niedrigen Temperaturen sind zum Beispiel, dass LCDs einfrieren und sehr langsam reagieren.

Und der wichtigere Punkt für moderne IC- Technologien ist ein Effekt, der sie bei niedrigeren Temperaturen langsamer macht (siehe Umgang mit Timing- / Temperaturinversionsherausforderungen im Multi-Vt- und Multi-Voltage-Bereich ).

Ich fand auch diesen interessanten Artikel, der einige andere wichtige Punkte in Bezug auf Niedrigtemperaturprobleme enthält: Entwurfselektronik für kalte Umgebungen .

Einige Gründe:

• In vielen Fällen können Komponenten unterhalb der Mindesttemperatur verwendet werden. Erwarten Sie jedoch nicht, dass die Parameter mit den Angaben im Datenblatt übereinstimmen
• Kondensatoren schrumpfen - der Abstand zwischen den Elektroden ändert sich
• Elektrolyt im Kondensator kann einfrieren und die Kapazität ändert sich

• Viele elektronische Geräte bestehen aus unterschiedlichen Materialien und können bei Temperaturänderungen in weiten Bereichen wie ein Bimetallbruch wirken . In vielen Fällen tun die Hersteller alles, um dies zu vermeiden, indem sie Materialien mit ähnlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten verwenden. Manchmal ist dies jedoch unmöglich oder nicht erforderlich

  

  Ich denke, dies ist der Grund, warum Hochleistungsgeräte bei hohen Temperaturen in Gruppen zusammengefasst werden. Beispiel: Einige CREE-Dioden sind bei 85 ° C (185 ° F) gruppiert.

Manchmal geht es nicht um die Mindesttemperatur, manchmal geht es darum, wie groß der Temperaturbereich ist .

Wenn Ihr Gerät bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten soll, sollten Sie sich über die allotrope Zinnumwandlung informieren .

Insbesondere Silizium ist darauf angewiesen, dass seine Dotierstoffe thermisch angeregt werden, um als Halbleiter zu wirken, was die Art seiner Halbleitereigenschaften in hohem Maße von der Temperatur abhängig macht. Dies gibt Ihnen eine grundlegende untere Betriebsgrenze und einen relativ engen Temperaturbereich, über den Sie Ihren Chip für die Bearbeitung entwerfen können. Wenn Sie eine Elektronik benötigen, die über einen großen Temperaturbereich funktioniert, verwenden Sie kein Silizium. Die Elektronik von Gallium Arsnide arbeitet bis zu Millikelvin und darunter, ist jedoch viel teurer.

Widerstände bestehen aus einer Materialmischung mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften, so dass sich die thermischen Effekte aufheben und über den angegebenen Bereich einen Widerstandswert ergeben, der in Bezug auf die Temperatur annähernd konstant ist.

Außerhalb des angegebenen Temperaturbereichs kann und wird der Widerstandswert eines Widerstands stark vom angegebenen Wert abweichen.

Es ist von Interesse, dass Präzisionswiderstände manchmal die verbleibende Temperaturabhängigkeit mit einer Dimensionsdehnungsabhängigkeit ausgleichen: Wenn das Substrat mit der Temperatur schrumpft oder wächst, ändert die Dehnung des Widerstandselements seinen Widerstand, wodurch ein Teil der verbleibenden Temperaturabhängigkeit des Widerstands ausgeglichen wird Material.

Ein weiterer Faktor ist das digitale Timing bei niedrigen Temperaturen. Digitale Schaltkreise laufen normalerweise bei niedrigeren Temperaturen schneller, aber das Timing des Schaltkreises kann ausfallen (z. B. können interne Register aufgrund von Verstößen gegen die Haltezeit ausfallen), sodass der Schaltkreis nicht richtig funktioniert. In einem Laptop würde die Festplatte wahrscheinlich aufgrund mechanischer Probleme nicht funktionieren (z. B. wenn die Köpfe nicht richtig über den Plattenspuren ausgerichtet sind).

Im Allgemeinen macht kälter Halbleiterübergänge schneller und kälter ist besser. -50C ist eigentlich ziemlich bescheiden, die großen Probleme treten viel seltener auf.

Aber vieles kann schief gehen. Temperaturwechsel während des Tages können zu thermischen Belastungen führen. Insbesondere wenn eine kalte Oberfläche auf warme feuchte Luft trifft, kann Kondensation entstehen und echte Probleme verursachen.

Ihre Frage ist also wirklich unvollständig. Wenn Ihr Laptop bei -50 ° C in einer Wärmekammer aufbewahrt wird, ist er wahrscheinlich unendlich glücklich. Wenn Sie jedoch bei -50 ° C ein- und ausgehen, ist viel Platz für Probleme. Die absolute Temperatur ist ein Faktor, ebenso wie der Feuchtigkeitsbereich, der Temperaturbereich und das Ausmaß des physikalischen Schocks bei niedrigen Temperaturen.