Ich habe mir einige Mikrocontroller angeschaut und festgestellt, dass sie "komische" Mindestbetriebstemperaturen haben, wie -25 Grad oder -10 Grad usw. Aber ich kann nicht wirklich verstehen, warum es ein Minimum, ein Maximum gibt Ich verstehe, weil alles schmilzt und zusammenbricht, der Widerstand zunimmt und die Signale zu schwach werden. Aber wenn du auf die kalte Seite gehst. Alles wird besser und besser, der Widerstand wird verringert, alles wird stabiler. Aber dennoch ... die minimale Betriebstemperatur beträgt -25 Grad ... Warum ist es nicht 0 Kelvin?
Weil ich an den Mars-Rover und andere Satelliten dachte, wenn sie hinter der Sonne sind, arbeiten sie mit fast 0-50 Kelvin, dem Mars-Rover ... laut Wiki wird es so kalt wie -87 ° C (- 125 ° F). Und das ist immer noch sehr viel kälter als -25 Grad.
Kann mir jemand erklären, warum Mikrocontroller eine minimale Betriebstemperatur haben? Je gründlicher desto besser.
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Antworten:
2nd Edit! Geändert meine Antwort über Halbleiter basierend auf der Antwort von jk unten, lies den Verlauf, wenn du die falschen Bits sehen willst, die ich geändert habe!
In gewissen Grenzen wird alles komisch. Ich meine, sicher, der Widerstand in Leitern verbessert sich, aber in Halbleitern erhöht er sich, und diese Änderung wirkt sich auf die Funktionsweise des IC aus. Denken Sie daran, dass die Funktionsweise von Transistoren davon abhängt, dass Sie ihren Widerstand ändern können. Wenn die Temperatur so stark abfällt, dass Sie ihren Widerstand nicht mehr verringern können, liegt ein Problem vor! Stellen Sie sich vor, dass Ihr Halbleiter plötzlich im Wesentlichen zu einem Widerstand wurde ... wie steuern Sie ihn? Es verhält sich nicht mehr so! Jetzt bin ich ein bisschen verwirrt, wo Sie die -25 ° C bekommen, wie die Industrie / Militär-Spezifikation sollte es für die minimale Betriebstemperatur auf -40 ° C setzen.
Aber für die Weltraumfrage kann ich das beantworten, wenn ich in einem Weltraumlabor arbeite! Im Allgemeinen gibt es drei thermische Probleme im Weltraum:
1) Im Weltraum strahlen Sie nur Wärme aus. Strahlung ist ein schrecklicher Weg, um Hitze loszuwerden. In der Atmosphäre leiten Sie Wärme in die Luft um Sie herum, was das Abkühlen erheblich erleichtert. Im Weltraum müssen Sie also große Kühlkörper anbringen, um die Wärme in größere Strahlungsflächen zu leiten.
2) Wenn Sie eine Komponente haben, die keine Wärme erzeugt, ist der Raum glücklich, Sie wirklich friggin 'kalt werden zu lassen! Im Allgemeinen haben Sie aktive Heizelemente, um Komponenten zu schützen, die nicht mehr Wärme erzeugen als sie ausstrahlen, aber thermische Grenzen haben.
3) Hitzeschwankungen sind häufig, da Sie die Sonnenstrahlen verlassen und wieder betreten. Daher ist ein aktives Wärmemanagement erforderlich, bei dem ein großer Kühlkörper vorhanden ist, der Wärme abstrahlt, wenn es heiß ist, und eine Heizung, wenn es nicht vorhanden ist.
Sie können auch Geräte mit erweitertem Temperaturbereich erhalten, die immer niedriger werden, aber es gibt so gut wie immer eine Grenze. Einige von ihnen sind für den Fall vorgesehen, dass die kalte Temperatur die Matrize reißt, weil das Metall stärker schrumpft als der Kunststoff (oder umgekehrt), weshalb sie auch Lagerungsbeschränkungen aufführen!
Die Grenze liegt meist in Materialien. Sie neigen auch dazu, platzsparende Chips aus Keramik für die Verpackung zu erhalten, wodurch die thermischen Grenzen ebenfalls angehoben oder abgesenkt werden können.
Wie auch immer, ich hoffe das erklärt es für dich. Ich kann versuchen, andere Fragen zu beantworten, aber ich gebe zu, dass die Physik von Niedertemperatur-Halbleitern nicht meine Stärke ist!
1. Änderung:
Hier ist ein Link zu einem Wikipedia-Eintrag über die Idee, dass bei niedrigeren Temperaturen weniger Elektronen angeregt werden, um einen Stromfluss durch ein Halbleitergitter zu erzeugen. Dies sollte Ihnen eine gute Vorstellung davon geben, warum der Widerstand höher wird und warum 0 Kelvin niemals eine Option gewesen wäre.
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Die Antwort von Kit ist in Bezug auf Komponenten im Weltraum absolut richtig, aber ich dachte, ich würde etwas mehr über Halbleiter vs. Leiter sagen (sehr locker ohne die Mathematik).
Der Leiterwiderstand nimmt mit sinkender Temperatur ab. Dies ist lose, weil der Widerstand von den frei fließenden Elektronen herrührt, die durch Vibrationen in dem Kristallgitter, durch das sie fließen, verlangsamt werden. Niedrigere Temperatur bedeutet weniger Vibrationen.
Der Widerstand von Halbleitern nimmt mit sinkender Temperatur zu. Dies ist locker, weil sie überhaupt kein freies Elektron haben, um bei niedrigen Temperaturen geladen zu werden. Wenn sie erwärmt werden, erhalten sie mehr Ladungsträger, was den zusätzlichen Widerstand gegen erhöhte Vibrationen in der Struktur erhöht.
Schließlich stützen sich Supraleiter auf ein merkwürdiges Quantenphänomen. Entweder bei sehr sehr kalten Temperaturen und / oder indem ihre freien Elektronen auf einen 2D-Film anstatt auf einen 3D-Feststoff beschränkt werden, wodurch die Physik seltsamer wird.
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Das Aerospace Vehicle Systems Institute (AVSI) hat diese Frage untersucht.
"Präziser quantitativer Ansatz der Ausfallphysik zur Zuverlässigkeit integrierter Schaltungen" Ihre Schlussfolgerungen basieren auf der Physik und der Ursachenanalyse, insbesondere da die Strukturgrößen in den letzten 30 Jahren um Größenordnungen geschrumpft sind.
1) Elektromigration (EM) (Kontamination des Halbleiters durch langsames Austreten von Metallionen)
2) Zeitabhängiger dielektrischer Durchschlag (TDDB) oder langsames Tunneln einer Leiterbahn durch den Oxidisolator von schwachen Feldern (und Gammastrahlung)
3) Hot Carrier Injection (HCI) , wenn eine Konzentration von Löchern eine dielektrische Barriere in Ladungsfallen überspringt, die von Speicherzellen verwendet werden, um den durch Strahlung verursachten Speicherzustand dauerhaft zu verändern, wobei der Rand allmählich bis zum Versagen erodiert wird.
4) Negative Vorspannungstemperatur-Instabilität (NBTI) NBTI-Spannungen, die PMOS-Transistor-Schwellenspannungen verschieben, sind stärker ausgeprägt, wenn die Transistorgeometrien 90 nm und weniger erreichen und durch statische Ladungsfallen mit langer Dauer verstärkt werden, die einen Ausfall verursachen.
Diese VIER GRÜNDE sind derzeit sowohl bei Deep-Space-ICs als auch bei Consumer-ICs am weitesten verbreitet. Der Weltraum weist mehr Strahlungs- und Umweltstressfaktoren auf. Moores Gesetz hat auch diese neuen Fehlermodi beschleunigt.
In der Vergangenheit war der häufigste Grund für die Beschränkung des Temperaturbereichs bei ICs mit alter Technologie der Betrieb mit Verpackungs- und Umweltbelastungen.
Thermoschock, Kondensation und schnelle Verdampfung sowie analoge Effekte der thermischen Drift Consumer IC sind aus diesem Grund in Kunststoffgehäusen auf 0 bis 85 ° C begrenzt. Es ist keine einwandfreie Abdichtung und ein Eindringen von Feuchtigkeit ist möglich. Aber auch raumgehärtete glaspassivierte Keramik-ICs haben thermische Grenzen. Lesen Sie zusätzlich zu den unten aufgeführten Feuchtigkeitsproblemen die zuletzt bestätigten Probleme oben.
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Wenn im Laufe der Zeit genügend Feuchtigkeitsmoleküle vorhanden sind und das Substrat gefriert und reißt, versagt es. Wenn es in gefrorenem Zustand mit gefrorenen Feuchtigkeitsmolekülen einwandfrei funktioniert und dann auftaut und Korrosion oder Auslaufen verursacht und versagt. Es ist deine Schuld. Einige Kunststoffdichtungen sind etwas besser und die Eigenerwärmung verhindert, dass einige unter bestimmten Temperaturen einfrieren. Dies verringert auch die Migration von Feuchtigkeit.
Am oberen Ende sorgt der Popcorm-Effekt dafür, dass Feuchtigkeit die Späne wegbläst, und der schwarze Epoxid-Grad hat sich in den letzten 40 Jahren aufgrund von Sumitomo erheblich verbessert. Clear Epoxy ist nicht so gut und wird in einigen LED-Gehäusen oder IR-Geräten verwendet. Daher müssen LEDs vor dem Löten trocken gepackt bleiben. Moderne Designs großer LED-Motoren ohne Gold-Whisker-Wirebonds werden auf unbestimmte Zeit für eine bestimmte relative Luftfeuchtigkeit eingestuft, während der Rest nach einigen Tagen offener Exposition gegenüber hoher relativer Luftfeuchtigkeit ein Risiko darstellt. Wirklich ist es ein gültiges Risiko und so schlimm wie die Verletzung von ESD, außer es schert das Golddrahtbond.
Aus diesem Grund sind alle Teile im Weltraum- oder Militärbereich in der Regel Keramik mit Glasbeschichtung auf den Zuleitungen, und Verbraucherteile sind mit 0 ° C bewertet.
Ausnahmen wie der industrielle und der militärische Temperaturbereich sind auf strengere Spezifikationen zurückzuführen, die für das Militär über einen größeren Temperaturbereich als der industrielle Bereich erforderlich sind, aber beide funktionieren über einen weiten Bereich, jedoch ohne garantierte analoge Spezifikationen.
CMOS läuft schneller kalt als heiß. TTL funktioniert schneller heiß als kalt und die Sperrschichttemperatur sinkt, um weniger Wärme abzuleiten. Ich habe HDD 8 "-Laufwerke nach einer Stunde über einer Tüte Trockeneis <-40 ° C getestet, damit das Militär beweist, dass es funktioniert, aber es gibt keine Garantien dafür, dass Kondensation einen Kopfcrash verhindert. (Die Motorlager quietschten für einige Sekunden Sekunden später ... aber 0 ° C nach dem Gefrieren steigen ... das ist ein Feuchtigkeitsrisiko.
Journalreferenzen zum Nachweis hinzugefügt. Der einschränkende Zuverlässigkeitsfaktor, der die Temperatur ALLER integrierten Schaltkreise (insbesondere großer Chips wie Mikrocontroller) beeinflusst, ist die mechanische Verpackung mehr als die Funktion des Halbleiters. Es gibt Hunderte von Artikeln zur Zuverlässigkeit, die dies erklären. Es gibt auch Artikel, in denen erklärt wird, warum die Grenzwerte für niedrige Temperaturen unterschiedlich sind. Einige werden aus gutem Grund von -40 ° C herabgestuft, und diejenigen, die von 0 ° C heraufgesetzt werden, können aus schlechten Gründen sein. Obwohl nicht ausdrücklich angegeben, dass Gewinn ein Grund ist, wenden Nachwuchsingenieure HALT falsch an, um qualifizierte Bereiche zu erweitern, die durch Missverständnisse der chemischen Migration und Strukturspannungen gefährdet sind. Während klügere Unternehmen mit guten Gründen nachlassen, die ich mit Referenzen unten unterstützen werde.
1. Hermetisch versiegelte Eigenschaften sind kein digitales Phänomen.
Sie ist analog und bezieht sich auf die Menge des Eindringens oder des Feuchtigkeitsverlusts, die atomar in eine mechanische Baugruppe gelangen.
Wie im obigen Link angegeben
"Die interne Ausgasung kann zur Bildung von Kondenswassertropfen führen, wodurch die Geräteleistung beeinträchtigt wird und letztendlich ein Geräteausfall verursacht wird." 2. "Die hergestellten Dichtungen waren anfangs hermetisch, versagten jedoch bei längerem Einweichen und Temperaturwechsel in Kochsalzlösung aufgrund des Unterschieds im WAK zwischen der Wand der Glaskapsel (5,5 × 10−6 / ◦C) und 90% katastrophal. Pt – 10% Ir-Durchführung (8,7 × 10–6 / ◦C). "
Aus dem Nomogramm in 6 ist ersichtlich, dass bei 1,0 atm und 0 ° C die zur Bildung von Wassertröpfchen erforderliche Feuchtigkeitskonzentration 6.000 ppm beträgt. Bei Konzentrationen unter diesem Prozentsatz an Wasserdampf können Flüssigkeitstropfen nicht Daher werden die meisten Materialien und Versiegelungsverfahren so ausgewählt, dass die interne Verpackungsumgebung für die Lebensdauer der Vorrichtung bei oder unter 5.000 ppm Feuchtigkeit bleibt. " Eine Kontamination kann dies jedoch ändern.
Ich könnte ein Buch zu diesem Thema schreiben, aber dann haben es schon so viele andere, dass ich nur auf Literatur verweisen werde, die beweisen wird, dass meine Antwort gültig ist .
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