É possível ter um MCU trabalhando a -55 graus, com especificação de -40 a 85 graus no ambiente de trabalho?

Ouvi dizer que alguém mencionou o método de triagem: ter 10 MCUs trabalhando a -55 graus e descobrir os que podem funcionar corretamente, jogando fora os quebrados.

O método é aplicável? Estou preocupado que o MCU possa funcionar corretamente a -55 graus no meu teste de triagem e falhar no ambiente de trabalho real.

Caso contrário, quais poderiam ser as soluções possíveis? Estamos usando o stm32f4, devido ao seu desempenho DSP muito bom. Os MCUs que trabalham a -55 graus que descobrimos não possuem DSPs e só podem trabalhar em baixas frequências em torno de 20MHz.

A maneira grosseira de garantir que você não esteja no limite da operação seria testá-lo fora do alcance. Por exemplo, você pode testar as peças a -65 ° C na tensão em uma velocidade de clock mais alta e em uma tensão mais alta / mais baixa que o normal.

Provavelmente, o fabricante não realiza testes em temperaturas extremas, mas eles sabem quanta margem é necessária sob condições de teste e testam para isso. Eles também sabem como garantir que estão testando tudo . Você não sabe nada disso. Por exemplo, algo como um oscilador pode funcionar até -40 ° C e, uma vez iniciado, funciona a temperaturas muito baixas, mas alguns podem falhar ao iniciar a -45 ° C. Uma instrução específica pode começar a falhar primeiro devido a algumas condições de tempo.

Se o fabricante puder fornecer unidades qualificadas para essa temperatura, seria melhor. Ou faça lobby para um requisito descontraído. Ou coloque aquecedores lá para garantir uma temperatura mínima após um período de aquecimento aceitável (talvez inibir a operação até que sejam alcançadas temperaturas aceitáveis).

Provavelmente, se as peças precisarem atender a uma faixa de temperatura mais baixa militar, você realmente precisa ter certeza de que funciona de maneira confiável.

Como você disse, é impossível saber se você degradou a unidade durante os testes fora da faixa de temperatura. Você tem duas opções:

1. Entre em contato com o fabricante, perguntando-lhe que temperaturas extremas as peças devem suportar. Porque você deve ter notado que as faixas de temperatura são muito semelhantes. Os fabricantes podem escolher uma faixa de temperatura que seja comumente especificada, que seja viável e, no entanto, atraente para os clientes em potencial, depois testá-la para essa faixa de temperatura, mesmo que achem que as peças possam ser mais robustas. O teste é caro. Se eles milagrosamente responderem, garanto que nunca responderão com certeza e dirão que é de sua responsabilidade se suas peças morrerem. No entanto, você pode ficar mais tranquilo ao testar sua unidade e usá-la nessa faixa de temperatura estendida, dependendo do seu objetivo de confiabilidade.
2. Use aquecedores, sensores de temperatura e um sistema de controle (que pode ser o mesmo microcontrolador + um driver) para controlar a temperatura dentro dos limites estabelecidos. Você tem a sorte de querer operar em baixas temperaturas, o que é mais fácil e mais barato para a mesma diferença de temperatura ambiente. Honestamente, isso não é muito problemático para um sistema muito mais confiável. Basta fazer cálculos aproximados para os requisitos de energia do aquecedor, depois soldar um resistor de energia e um termistor perto do seu chip, adicionar um driver para o aquecedor (que pode ser um transistor simples) e controlar os de um controlador integral proporcional em execução em baixa frequência em segundo plano. Essa é uma equação a ser resolvida, ~ 5-6 componentes e ~ 10 linhas de código. Você nem precisa usar o controle PI, comparadores com histerese podem fazer o trabalho.

O que você está se referindo às vezes é chamado de 'uprating'. É o oposto de 'desclassificação', o que você faria com alguns ou todos os seus componentes, dependendo das necessidades de aplicativos e confiabilidade.

Aqui está um artigo antigo sobre o assunto da revolta. A recomendação deles no final é boa - entre em contato com o fabricante para entender o que pode ser afetado pela operação em baixa temperatura. Eles nunca garantirão a operação fora de seus limites (a menos que você seja um grande cliente estratégico / para eles), mas poderão fornecer algumas orientações sobre o que eles mais se preocupariam, o que poderia ajudá-lo a formular um bom teste / tela de vida.

A resposta real depende de muitos fatores. Verá ciclos térmicos (entre quente e frio) ou apenas operará a -55 ° C? A ciclagem térmica induz falhas mecânicas em fios bond e embalagens IC. É um aplicativo "único" versus "missão crítica", isto é, quais são as conseqüências de se ver uma falha. Se for uma unidade única (sendo construída uma única unidade para uso a curto prazo), você poderá testar algumas unidades. Se for uma situação de missão crítica, ou a peça será operada permanentemente a uma temperatura baixa, você provavelmente desejará gastar mais esforço na qualificação.

Triagem como essa tem sido feita para aplicações militares há anos. O importante é entender onde está o verdadeiro "penhasco" no desempenho das peças. Todos podemos concordar que as peças provavelmente não terão desempenho a -200C. E todos nós provavelmente concordamos que as peças provavelmente terão um bom desempenho a -41C (fora da faixa de operação do STM32F). O fabricante colocou uma faixa de proteção em sua faixa de operação de componentes.

As perguntas relevantes são: você pode descobrir onde está a faixa de proteção (e inclui a faixa de temperatura mais baixa desejada) e isso nunca mudará entre vários lotes.

Descobrir isso exigirá o teste de muitas partes para obter boas estatísticas sobre a confiabilidade das peças em baixa temperatura e como é a distribuição de suas falhas, para que você possa prever se o modo de falha provavelmente aparecerá na sua implementação. E então, quando seu produto estiver em produção, você precisará monitorar o desempenho das peças com algum tipo de amostra de aceitação .

Uma abordagem alternativa para tudo isso é instalar um aquecedor e usar o sensor de temperatura da matriz do STM32F como feedback no loop de controle do aquecedor. Não ajuda para um arranque a frio, mas se for uma unidade em funcionamento contínuo, pode estar tudo bem.

Estou assumindo que o MCU é CMOS, embora você não diga isso. Todos os MCUs sofrem de problemas de auto-aquecimento, o que limita a temperatura operacional máxima. Por exemplo, um iPhone com o carregador conectado pode parecer cerca de 50 ° C ao toque, mas ter 125 ° C ou mais internamente ao operar. Portanto, o limite de teste para o seu MCU, normalmente controlado durante a qualificação com um termoframe, garantirá que o limite do projeto esteja correto. Uma vez abaixo desse limite, os atrasos nos transistores serão reduzidos, o que introduz a possibilidade de riscos de corrida. Além disso, a concentração intrínseca de portadores reduzirá o que afetará a mobilidade. Se o seu MCU tiver conversores A / D ou D / A, suas características, por exemplo, erro máximo, podem aumentar ou não funcionar.

Reduzir a frequência não ajudará em nada (isso pode ajudar com alta temperatura). A principal desvantagem do uso do dispositivo fora do seu alcance é que, mesmo que a probabilidade de erro seja baixa, ainda será significativo com a execução de milhões de instruções por segundo. Se você não for muito cuidadoso com o consumo de energia, poderá desativar as rotinas de economia de energia em seu código (como interrupção, suspensão etc.) e isso resultará em um pequeno efeito de autoaquecimento, que poderá ser aprimorado com isolamento espesso. . No entanto, se o seu dispositivo precisar trabalhar com temperaturas muito baixas e altas, isso seria um problema.

A pré-qualificação do dispositivo não será de grande ajuda, a menos que você tenha acesso a lotes lentos e rápidos do fabricante; estes serão extremos de doping e outros parâmetros, como espessura de metal, para avaliar a confiabilidade.

Se você tiver um orçamento limitado, poderá licenciar seu próprio processador da ARM ou de um de seus concorrentes e endurecê-lo para suas próprias especificações de temperatura. Isso é conhecido como uma abordagem de ferramenta própria do cliente (COT). Se necessário, você também pode licenciar o IP e os periféricos do controlador de memória. Uma alternativa seria procurar um fabricante especializado em customização e solicitar que pré-qualificasse o produto necessário em uma faixa de temperatura estendida.

Um fabricante que faz a personalização terá acesso a todos os bancos de dados de CAD (Projeto Auxiliado por Computador) necessários para verificar um chip. É então simples revalidar o design a uma temperatura mais baixa. No entanto, eles podem depender de um segundo fornecedor para caracterizar o silício a uma temperatura fora da faixa usual. Isso requer uma ampla variedade de simulações do SPICE e experimentos de caracterização de biblioteca associados, que podem estar fora do escopo do que eles estão dispostos a fazer para todos, exceto o maior cliente. Como parte desse processo, a termelétrica mencionada anteriormente pode ser usada para verificar se os lotes divididos ainda passam nos vetores de teste na temperatura baixa especificada. Isso também pode resultar em uma perda de rendimento, conforme mencionado por outras respostas.