Por que os eletrônicos têm um limite de baixa temperatura?

Além da condensação, por que os componentes eletrônicos geralmente têm um limite de temperatura baixo? Por exemplo, meu laptop diz algo como -10 ° C a 75 ° C de temperatura durante o uso.

Eu posso entender o limite de alta temperatura, pois as coisas provavelmente vão derreter!

Mas por que o frio é uma coisa tão ruim?

Além das baterias, quais componentes danificam o frio extremo e como?

O uso aumentará o dano?

O uso do equipamento compensará esse dano (à medida que se aquece com o uso)?

Além disso, estou falando de temperaturas extremas abaixo de -50 ° C, então a condensação ainda é um problema?

Nota: não o estou armazenando, portanto não é uma duplicata de outra pergunta.

Nota 2: Não estou falando de semicondutores, mas de um modo geral.

Certa vez, projetei um amplificador que oscilaria a -10 ° C. Corrigi-o alterando o design para adicionar mais margem de fase. Nesse caso, a oscilação não causou nenhum dano, mas o circuito não funcionou bem nessa condição e causou erros. Esses erros desapareceram em temperaturas mais altas.

Alguns plásticos racham quando congelam. O gelo seco é de -78,5 ° C e eu quebrei muito plástico com gelo seco. Por exemplo, eu destruí um baú de gelo perfeitamente bom, que se partiu em pedaços no local onde havia um pedaço de gelo seco.

Nos projetos de montagem em superfície, o coeficiente de temperatura diferencial de expansão entre as peças soldadas à placa de circuito e a placa de circuito pode causar grandes tensões. A relação tensão-tensão-temperatura geralmente quase não funciona na faixa de temperatura especificada. Quando o equipamento é ligado, os componentes quentes podem mudar de forma e quebrar o plástico quebradiço, como meu antigo baú de gelo.

Se o equipamento estiver abaixo de 0 ° C e você o levar a um escritório quente e úmido, a água condensará nas placas de circuito e poderá causar problemas. Presumivelmente, uma coisa semelhante pode acontecer com a geada, dependendo do clima. Quando o gelo derrete, pode haver problemas.

Quando recebo de manhã um equipamento que foi transportado como carga aérea, suponho que esteja muito frio recentemente e deixo-o descansar por algumas horas para me aquecer lentamente e ficar seco antes de abrir a caixa no escritório.

Ligar uma engrenagem muito fria pode ser interessante. Alguns componentes limitadores de corrente, como um PTC ou PPTC , passam muito mais atuais.

Os lubrificantes em motores como ventiladores e unidades de disco também podem ser um problema.

Eu posso lhe dar uma resposta porque eu fui um dos que escreveu ou verificou as especificações dos CIs de semicondutores.

Legal e eticamente falando, eu só podia assinar os parâmetros dentro dos quais verificamos que o IC / processador funcionaria. E então meu chefe, seu chefe e todos os outros veriam a evidência dos testes, e eles também concordariam com essas restrições.

Eu não poderia assinar ética ou legalmente que um lote de processadores funcionaria a -100 ° C, se eu não os tivesse colocado no conjunto de testes a -100 ° C.

Se você optar por usar seu equipamento a -50 ° C, equipado com o processador em que terminei a sessão com um limite baixo de -15 ° C, minha empresa não terá mais nenhuma obrigação com esse processador. Você violou a garantia.

Testar a -50 ° C é muito mais caro do que testar a -15 ° C. Eu precisaria verificar se o local de teste é realmente -50 ° C--. Também é muito perigoso.

Além disso, é necessária uma embalagem hermética / especial para que os CIs operem em temperaturas extremamente baixas. Como exemplo extremo, as embalagens plásticas podem desenvolver rachaduras ou comprometimentos estruturais quando despejamos nitrogênio líquido nelas.

A expansão diferencial entre a matriz e a embalagem pode rasgá-la do local de fixação ou rachar a matriz.

Existem testes de estresse que incluem a simulação de variações de temperatura no funcionamento do CI. Digamos que seu laptop esteja no carro em temperaturas congeladas de -10 ° C. Você o liga e em 5 minutos atinge uma temperatura de 85 ° C. Durante todo o inverno, você fazia isso todas as noites. E a unidade principal e o controlador de computador que fica no seu carro, que você dirige pelos próximos 15 anos sujeito a essas flutuações todo inverno no norte do Maine?

Havia muitos problemas mecânicos com os quais meus colegas de engenharia mecânica tinham que lidar quando se tratava de testes de temperatura extremamente baixa. Então, qual a temperatura baixa que você deseja que verifiquemos e quanto mais você, como consumidor, está disposto a pagar por esse teste de baixa temperatura?

Não podemos apenas testar uma ou duas unidades para verificar a ausência de problemas mecânicos, como incompatibilidades entre a matriz e a embalagem, ao contrário das pessoas que usam hot rods nas placas-mãe experimentando overclock com os meros um ou dois processadores que compraram no ebay. Temos que projetar a distribuição estatística aceitável e o plano de amostragem que se encaixaria nessa distribuição, que se aplicaria a um fluxo de CIs fluindo pela linha de produtos.

Ocasionalmente, a legalidade das restrições pode estar bastante envolvida, onde a agência governamental dos EUA exige que o OEM tenha seu representante presente enquanto testamos esses ICs / processadores, o que pode levar alguns dias para um lote. Esse representante concordaria que de fato havíamos realizado esses testes com tais restrições. É assim que um processador de US $ 100 custaria ao governo dos EUA US $ 2000.

De modo que, se a agência governamental dos EUA de alguma forma decidisse operar o equipamento além das restrições testadas e verificadas, não seríamos mais legalmente responsabilizados por quaisquer contratempos ou mau funcionamento futuro.

Além de talvez baterias e talvez os componentes do LCD geralmente não sejam danificados diretamente, mesmo com temperaturas frias extremas. Se as temperaturas forem alteradas para extremos, especialmente rapidamente, pode haver danos físicos devido à contração incompatível com gradientes de temperatura ou temperatura.

No entanto, a operação em temperaturas frias pode não ser possível - os componentes mudam com a temperatura, a ponto de deixarem de funcionar de maneira confiável, podem não iniciar ou sair completamente. O ganho de transistores bipolares diminui com a temperatura. Muito abaixo de 50K, a maioria das peças bipolares para de funcionar completamente por causa do congelamento do transportador. As tampas eletrolíticas não gostam de temperaturas muito abaixo do ponto de congelamento e suas alterações (maior ESR e menor capacitância) podem causar danos a outras partes. As peças digitais do CMOS podem funcionar mais ou menos bem, mas as partes analógicas de um chip podem ficar fora de especificação ou deixar de funcionar (como o oscilador de relógio ou BOR ou ADC em um micro).

Coisas ainda mais estranhas acontecem quando você se aproxima do zero absoluto - a 4,2K (hélio líquido), por exemplo, um 1N4148 pode fazer um oscilador de relaxamento. Fique ainda mais frio e a solda comum pode perder toda a resistência, o que soa muito bem até você ficar preso no fluxo magnético.

O problema básico é que a densidade dos portadores de carga "livres" nos semicondutores é uma forte função da temperatura. Quando a temperatura cai o suficiente, simplesmente não há portadores disponíveis suficientes para permitir que os transistores etc. funcionem, e a resistência efetiva em série do semicondutor a granel também aumenta. O ganho geral do circuito fica abaixo do que o engenheiro de projeto permitiu, e ele não pode mais atender às suas especificações de desempenho.

O limite de temperatura associado a um IC real tem mais a ver com expansão / retração térmica do que com derretimento.

Um CI é composto de diferentes materiais. A matriz, o substrato, os fios de ligação, o método de ligação, as pernas e o corpo. À medida que a temperatura muda, esses diferentes materiais se expandem / contraem e se separam de outros materiais que não mudam na mesma taxa.

Você tem qualidade de doping, mais um problema na borda da bolacha. Isso significa que as características reais em relação à folha de dados (tempo de subida, atraso de propagação etc.) não atendem ao mínimo / máximo declarado, pois a mobilidade dos elétrons é diferente (os fabricantes geralmente fazem um CI e testam em temperatura militar. , teste em temperatura industrial.Se isso também falhar, teste em temperatura comercial ... Se falhar, eles o descartam e o adicionam aos seus números de rendimento).

Então você tem as especificidades dos danos ... O silício não possui um limite inferior para a semicondução. Tem um limite superior a 175 ° C, onde será danificado.

Os LCDs formarão cristais e quebrarão a temperaturas extremas e igualmente dielétricos nos capacitores começarão a quebrar.

Outros problemas em temperaturas tão baixas são, por exemplo, que os LCDs estão congelando e têm uma reação muito lenta.

E o ponto mais importante para as modernas tecnologias de CI é um efeito que as torna mais lentas em temperaturas mais baixas (consulte Lidando com desafios de tempo / domínio de tensão múltipla e tensão múltipla no domínio / inversão de temperatura ).

Eu também encontrei este artigo interessante, que tem alguns outros pontos importantes em relação a problemas de baixa temperatura: Design de eletrônicos para ambientes frios .

Poucas razões:

• em muitos casos - você pode usar componentes abaixo da temperatura mínima, mas não espere que os parâmetros sejam os mesmos especificados na folha de dados
• capacitores encolherão - a distância entre os eletrodos mudará
• eletrólito no capacitor pode congelar e a capacidade mudará

• muitos dispositivos eletrônicos são feitos de materiais diferentes e podem agir como ruptura bimetálica quando você altera a temperatura em uma ampla faixa. Em muitos casos, os fabricantes fazem o possível para evitar isso usando materiais com coeficiente de expansão térmica semelhante, mas às vezes isso é impossível ou simplesmente não é necessário

  

  Eu acho que é por isso que os dispositivos de alta potência são armazenados em alta temperatura. Por exemplo - alguns diodos CREE são colocados em bin a 85 ° C (185 ° F).

Às vezes, não se trata de temperatura mínima; às vezes, é sobre a amplitude da faixa de temperatura .

Se seu dispositivo deve funcionar em temperaturas muito baixas - você deve ler sobre a transformação alotrópica do estanho .

O silício, em particular, depende da excitação térmica de seus dopantes para atuar como um semicondutor, tornando a natureza de suas propriedades semicondutoras altamente dependentes da temperatura. Isso fornece um limite operacional baixo fundamental e uma faixa de temperatura bastante estreita, na qual você pode projetar seu chip para trabalhar. Se você precisar de componentes eletrônicos que funcionem em uma ampla faixa de temperatura, não use silício. A eletrônica de gálio Arsnide opera em milikelvin e abaixo, mas é muito mais cara.

Os resistores são projetados com uma mistura de materiais com diferentes propriedades térmicas, para que os efeitos térmicos sejam cancelados e forneçam um valor de resistência aproximadamente constante em relação à temperatura, dentro da faixa especificada.

Fora da faixa de temperatura especificada, a resistência de um resistor pode e irá divergir bastante do valor especificado.

Por uma questão de interesse, os resistores de precisão às vezes equilibram a dependência de temperatura restante com uma dependência de deformação dimensional: conforme o substrato encolhe ou cresce com a temperatura, a tensão no elemento resistivo altera sua resistência, compensando parte da dependência de temperatura restante do resistivo material.

Outro fator é o tempo digital em baixas temperaturas. Os circuitos digitais normalmente funcionam mais rapidamente em temperaturas mais baixas, mas o tempo do circuito pode falhar (por exemplo, os registros internos podem falhar devido a violações do tempo de espera), para que o circuito não funcione corretamente. Em um laptop, o disco rígido provavelmente não funcionaria devido a problemas mecânicos (por exemplo, os cabeçotes não se alinham corretamente sobre as faixas do disco).

Em geral, mais frio torna as junções de semicondutores mais rápidas e mais frio é melhor. -50C é bastante modesto, na verdade, os grandes problemas acontecem muito mais baixos.

Mas muita coisa pode dar errado. A ciclagem de temperatura durante o dia pode levar a tensões térmicas. A condensação pode surgir e causar problemas reais, principalmente quando uma superfície fria atinge o ar quente e úmido.

Portanto, sua pergunta está realmente incompleta. Se armazenado em uma câmara térmica a -50 ° C, seu laptop provavelmente ficaria feliz por tempo indeterminado. Mas, se você entrar e sair de -50 ° C, há muito espaço para problemas. A temperatura absoluta é um fator, assim como a faixa de umidade, a faixa de temperaturas e a magnitude do choque físico em baixas temperaturas.