Ist es möglich, dass eine MCU bei -55 Grad mit einer Spezifikation von -40 bis 85 Grad arbeitet?

Ich habe gehört, dass jemand die Methode des Screenings erwähnt hat: 10 MCUs bei -55 Grad arbeiten zu lassen und diejenigen herauszufinden, die richtig funktionieren können, und die kaputten wegzuwerfen.

Ist die Methode anwendbar? Ich mache mir Sorgen, dass die MCU bei meinem Screening-Test bei -55 Grad ordnungsgemäß funktioniert und in der realen Arbeitsumgebung versagt.

Wenn nicht, welche Lösungen könnten möglich sein? Wir verwenden stm32f4 aufgrund seiner sehr guten DSP-Leistung. Die MCUs, die bei -55 Grad arbeiten, haben keine DSPs und können nur bei niedrigen Frequenzen um 20 MHz arbeiten.

Der grobe Weg, um sicherzustellen, dass Sie nicht am Rande des Betriebs sind, besteht darin, ihn außerhalb des Bereichs zu testen. Beispielsweise können Sie die Teile bei -65 ° C bei einer Spannung mit einer höheren Taktrate und einer höheren / niedrigeren Spannung als normal testen.

Der Hersteller testet wahrscheinlich nicht selbst bei extremen Temperaturen, aber er weiß, wie viel Spielraum unter Testbedingungen erforderlich ist, und er testet dies. Sie wissen auch, wie sie sicherstellen können, dass sie alles testen . Sie wissen nichts davon. Zum Beispiel kann so etwas wie ein Oszillator bis zu -40 ° C einwandfrei funktionieren und nach dem Start bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten, aber einige können möglicherweise nicht bei -45 ° C starten. Ein bestimmter Befehl kann aufgrund einiger Zeitbedingungen zuerst fehlschlagen.

Wenn der Hersteller Geräte liefern kann, die für diese Temperatur qualifiziert sind, ist dies am besten. Oder Lobby für eine entspannte Anforderung. Oder setzen Sie Heizungen ein, um nach einer akzeptablen Aufwärmphase eine Mindesttemperatur zu gewährleisten (möglicherweise den Betrieb unterbrechen, bis akzeptable Temperaturen erreicht sind).

Wenn die Teile einen niedrigeren militärischen Temperaturbereich erfüllen müssen, müssen Sie wirklich sicher sein, dass sie zuverlässig funktionieren.

Wie Sie sagten, ist es unmöglich zu sagen, ob Sie das Gerät während der Tests außerhalb seines Temperaturbereichs verschlechtert haben. Sie haben zwei Möglichkeiten:

1. Wenden Sie sich an den Hersteller und fragen Sie ihn, welchen extremen Temperaturen die Teile standhalten sollten. Weil Sie vielleicht bemerkt haben, dass die Temperaturbereiche sehr ähnlich sind. Die Hersteller können einen allgemein festgelegten Temperaturbereich wählen, der machbar und dennoch für potenzielle Kunden attraktiv ist, und dann diesen Temperaturbereich testen, obwohl sie der Meinung sind, dass die Teile robuster sein könnten. Testen ist teuer. Wenn sie auf wundersame Weise antworten, garantiere ich, dass sie niemals mit Sicherheit antworten werden und sie werden sagen, dass es in Ihrer eigenen Verantwortung liegt, wenn Ihre Teile sterben. Abhängig von Ihrem Zuverlässigkeitsziel können Sie jedoch sicherer sein, Ihr Gerät zu testen und in diesem erweiterten Temperaturbereich zu verwenden.
2. Verwenden Sie Heizungen, Temperatursensoren und ein Steuerungssystem (das derselbe Mikrocontroller + ein Treiber sein kann), um die Temperatur innerhalb festgelegter Grenzen zu steuern. Sie haben das Glück, bei niedrigen Temperaturen arbeiten zu wollen, was bei gleicher Umgebungstemperaturdifferenz einfacher und billiger ist. Ehrlich gesagt ist dies kein großes Problem für ein viel zuverlässigeres System. Führen Sie einfach grobe Berechnungen für den Leistungsbedarf des Heizgeräts durch, löten Sie dann einen Leistungswiderstand und einen Thermistor in der Nähe Ihres Chips, fügen Sie einen Treiber für das Heizgerät hinzu (bei dem es sich möglicherweise um einen einfachen Transistor handelt) und steuern Sie diese über einen Proportional-Integral-Regler, der mit läuft niedrige Frequenz im Hintergrund. Das ist 1 zu lösende Gleichung, ~ 5-6 Komponenten und ~ 10 Codezeilen. Sie müssen nicht einmal die PI-Regelung verwenden, Komparatoren mit Hysterese könnten die Arbeit erledigen.

Was Sie meinen, wird manchmal als "Aufwertung" bezeichnet. Es ist das Gegenteil von "Derating", das Sie je nach Anwendung und Zuverlässigkeitsanforderungen an einigen oder allen Ihrer Komponenten vornehmen würden.

Hier ist ein alter Artikel zum Thema Uprating. Die Empfehlung am Ende ist gut - wenden Sie sich an den Hersteller, um zu erfahren, welche Auswirkungen ein Betrieb bei niedriger Temperatur haben kann. Sie garantieren niemals einen Betrieb außerhalb ihrer Grenzen (es sei denn, Sie sind ein großer / strategischer Kunde für sie), können jedoch möglicherweise eine Anleitung geben, worüber sie am meisten besorgt sind, was Ihnen bei der Formulierung eines guten Lebenstests / Bildschirms helfen könnte.

Die wirkliche Antwort hängt von Tonnen von Faktoren ab. Wird es thermische Zyklen geben (zwischen heiß und kalt) oder nur bei -55 ° C arbeiten? Thermische Zyklen führen zu mechanischen Fehlern in Bonddrähten und IC-Gehäusen. Ist es eine "einmalige" oder "geschäftskritische" Anwendung, dh was sind die Konsequenzen eines Fehlers? Wenn es sich um eine einmalige Einheit handelt (einzelne Einheit wird für den kurzfristigen Gebrauch gebaut), können Sie möglicherweise einige Einheiten testen. Wenn es sich um eine geschäftskritische Situation handelt oder das Teil dauerhaft bei niedriger Temperatur betrieben wird, möchten Sie wahrscheinlich mehr Aufwand für die Qualifizierung betreiben.

Ein solches Screening wird seit Jahren für militärische Anwendungen durchgeführt. Es ist wichtig zu verstehen, wo sich die eigentliche "Klippe" in der Teileleistung befindet. Wir sind uns alle einig, dass die Teile bei -200 ° C wahrscheinlich nicht funktionieren werden. Und wir können uns wahrscheinlich alle einig sein, dass die Teile bei -41 ° C (außerhalb des STM32F-Betriebsbereichs) wahrscheinlich einwandfrei funktionieren werden. Der Hersteller hat ein Schutzband für den Betriebsbereich seiner Komponenten angebracht.

Die relevanten Fragen sind: Können Sie herausfinden, wo sich das Schutzband befindet (und enthält es Ihren gewünschten niedrigeren Temperaturbereich) und wird es sich jemals über mehrere Lose hinweg ändern?

Um dies herauszufinden, müssen viele Teile getestet werden, um gute Statistiken über die Zuverlässigkeit der Teile bei niedriger Temperatur und die Verteilung ihrer Fehler zu erhalten. So können Sie vorhersagen, ob der Fehlermodus in Ihrer Implementierung wahrscheinlich auftritt. Sobald Ihr Produkt in Produktion ist, müssen Sie die Teileleistung mit einer Art Akzeptanzmuster überwachen .

Ein alternativer Ansatz für all dies besteht darin, eine Heizung zu installieren und den Matrizentemperatursensor des STM32F als Rückmeldung im Heizungsregelkreis zu verwenden. Hilft nicht für einen Kaltstart, aber wenn es sich um ein kontinuierlich laufendes Gerät handelt, ist es möglicherweise in Ordnung.

Ich gehe davon aus, dass die MCU CMOS ist, obwohl Sie dies nicht sagen. Alle MCUs leiden unter Problemen mit der Selbsterwärmung, die die maximale Betriebstemperatur begrenzen. Zum Beispiel könnte sich ein iPhone mit angeschlossenem Ladegerät bei Berührung um etwa 50 ° C anfühlen, während des Betriebs intern jedoch 125 ° C oder mehr. Das Testlimit für Ihre MCU, das normalerweise während der Qualifizierung mit einem Thermostream gesteuert wird, garantiert also, dass das Designlimit in Ordnung ist. Sobald Sie diesen Grenzwert unterschreiten, verringern sich die Transistorverzögerungen, was die Möglichkeit von Renngefahren mit sich bringt. Zusätzlich wird die intrinsische Trägerkonzentration verringert, was sich auf die Mobilität auswirkt. Wenn Ihre MCU über A / D- oder D / A-Wandler verfügt, können sich deren Eigenschaften, z. B. maximaler Fehler, erhöhen oder überhaupt nicht funktionieren.

Das Verringern der Frequenz hilft überhaupt nicht (dies kann bei hohen Temperaturen helfen). Der Hauptnachteil bei der Verwendung des Geräts außerhalb seines Bereichs besteht darin, dass selbst wenn die Fehlerwahrscheinlichkeit gering ist, sie immer noch signifikant ist, wenn Millionen von Anweisungen pro Sekunde ausgeführt werden. Wenn Sie sich nicht zu sehr mit dem Stromverbrauch befassen, können Sie die Energiesparroutinen in Ihrem Code deaktivieren (z. B. Anhalten, Ruhezustand usw.). Dies führt zu einem geringen Eigenerwärmungseffekt, der durch die Verwendung einer dicken Isolierung verstärkt werden kann . Wenn Ihr Gerät jedoch sowohl bei sehr niedrigen als auch bei hohen Temperaturen arbeiten muss, ist dies ein Problem.

Die Vorqualifizierung Ihres Geräts ist nur dann hilfreich, wenn Sie Zugriff auf langsame und schnelle Lose Ihres Herstellers haben. Dies sind extreme Dotierungs- und andere Parameter wie die Metalldicke, um die Zuverlässigkeit zu bewerten.

Wenn Sie ein dickes Budget haben, können Sie Ihren eigenen Prozessor von ARM oder einem seiner Konkurrenten lizenzieren und ihn selbst auf Ihre eigene Temperaturspezifikation härten. Dies wird als Customer Own-Tooling (COT) -Ansatz bezeichnet. Bei Bedarf können Sie auch die IP-Adresse und die Peripheriegeräte des Speichercontrollers lizenzieren. Eine Alternative wäre, sich an einen Hersteller zu wenden, der sich auf Anpassungen spezialisiert hat, und ihn zu bitten, Ihr gewünschtes Produkt über einen erweiterten Temperaturbereich vorzuqualifizieren.

Ein Hersteller, der Anpassungen vornimmt, hat Zugriff auf alle CAD-Datenbanken (Computer Aided Design), die zur Überprüfung eines Chips erforderlich sind. Es ist dann einfach, das Design bei einer niedrigeren Temperatur erneut zu validieren. Sie können jedoch auf einen zweiten Anbieter angewiesen sein, um das Silizium bei einer Temperatur außerhalb des üblichen Bereichs zu charakterisieren. Dies erfordert eine umfangreiche Palette von SPICE-Simulationen und zugehörigen Experimenten zur Charakterisierung von Bibliotheken, die möglicherweise außerhalb des Bereichs liegen, zu dem sie für alle außer dem größten Kunden bereit sind. Als Teil dieses Prozesses kann der zuvor erwähnte Thermostrom verwendet werden, um zu überprüfen, ob die geteilten Chargen ihre Testvektoren bei der von Ihnen angegebenen niedrigen Temperatur noch bestehen. Dies kann auch zu einem Ertragsverlust führen, wie in anderen Antworten erwähnt.