Eu estive observando alguns microcontroladores e vi que eles têm temperaturas mínimas de operação "estranhas", como -25 graus ou -10 graus etc. Mas não consigo entender por que existe um mínimo, um máximo Eu entendo porque tudo derrete e quebra, a resistência aumenta, tornando os sinais muito fracos. Mas quando você vai para o lado frio. Tudo fica cada vez melhor, a resistência é reduzida, tudo fica mais estável. Mas ainda assim ... a temperatura operacional mínima é de -25 graus ... Por que não é 0 Kelvin?
Porque eu estava pensando sobre o mars-rover e outros satélites, quando eles estão atrás do sol, eles operam a quase 0-50 kelvin, o mars-rover ... de acordo com o wiki, ele fica tão frio quanto -87 ° C (- 125 ° F). E isso ainda é muito mais frio que -25 graus.
Então, alguém pode me explicar por que os microcontroladores têm temperatura operacional mínima? Quanto mais completo, melhor.
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Respostas:
2ª Edição! Modifiquei minha resposta sobre semicondutores com base na resposta de jk abaixo, leia o histórico se quiser ver os bits errados que modifiquei!
Tudo fica estranho dentro de certos limites. Quero dizer, claro, a resistência melhora nos condutores, mas aumenta nos semicondutores, e essa mudança afeta o funcionamento do CI. Lembre-se de que da maneira que os transistores funcionam com base em que você pode modificar a resistência deles, e se a temperatura cair tão baixo que você não poderá mais diminuir a resistência deles, você terá um problema! Imagine que de repente seu semicondutor se tornou essencialmente um resistor ... como você o controla? Já não se comporta da mesma maneira! Agora estou um pouco confuso sobre onde você está conseguindo os -25 ° C, pois as especificações industriais / militares devem colocá-lo em -40 ° C para a temperatura operacional mínima.
Mas para a questão espacial, posso responder enquanto trabalho em um laboratório espacial! Em geral, você tem três preocupações térmicas no espaço:
1) No espaço, você irradia apenas calor. A radiação é uma maneira terrível de se livrar do calor. Na atmosfera, você conduz calor para o ar ao seu redor, o que facilita muito o resfriamento. Portanto, no espaço, é necessário colocar grandes dissipadores de calor para obter o calor em superfícies radiativas maiores.
2) Se você tem um componente que não gera calor, o espaço fica feliz em deixá-lo realmente frio! Em geral, o que você faz é ter elementos de aquecimento ativos para manter componentes que não geram mais calor do que irradiam, mas têm limites térmicos.
3) As oscilações de calor são comuns porque você sai e entra novamente nos raios do sol. Portanto, você precisa ter um gerenciamento térmico ativo, onde você tem um grande dissipador de calor que pode irradiar calor quando está quente e um aquecedor para quando não está.
Você também pode obter dispositivos de faixa de temperatura estendida que vão cada vez mais altos, mas há sempre um limite. Alguns deles são para onde a temperatura fria quebrará o dado, porque o metal encolherá mais do que o plástico (ou vice-versa), e é por isso que eles também listam limites de armazenamento!
O limite é principalmente em materiais. Você também tende a obter chips com classificação espacial feitos de cerâmica para a embalagem, o que também pode aumentar ou diminuir os limites térmicos.
Enfim, espero que isso explique para você. Posso tentar responder a outras perguntas, mas admito que a física dos semicondutores de baixa temperatura não é o meu forte!
1ª Edição:
Aqui está um link para uma entrada da Wikipedia sobre a ideia de que, a temperaturas mais baixas, há menos elétrons excitados o suficiente para gerar um fluxo de corrente através de uma rede de semicondutores. Isso deve lhe dar uma boa idéia de por que a resistência se torna mais alta e por que 0 Kelvin nunca teria sido uma opção.
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A resposta de Kit é absolutamente correta quanto aos componentes no espaço, mas pensei em expandir um pouco os semicondutores versus os condutores (muito livremente sem a matemática).
A resistência dos condutores diminui com uma queda de temperatura. Isso é frouxo, porque a resistência vem dos elétrons que fluem livremente, sendo retardados pelas vibrações na estrutura cristalina pela qual estão fluindo. Abaixar a temperatura significa menos vibrações.
A resistência dos semicondutores aumenta com a queda da temperatura. Isso é pouco, porque eles não têm elétrons livres para carregar cargas a baixas temperaturas em primeiro lugar. À medida que são aquecidos, obtêm mais transportadores de carga e isso pesa resistência extra devido ao aumento da vibração na estrutura.
Por fim, os supercondutores contam com um estranho fenômeno quântico. A temperaturas muito baixas e / ou mantendo seus elétrons livres confinados a um filme 2D, em vez de um sólido 3D, permitindo que a física fique mais estranha.
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Adicionado Instituto de Sistemas de Veículos Aerospace (AVSI) realizou uma pesquisa sobre esta questão.
"Abordagem quantitativa precisa da física da falha para a confiabilidade do circuito integrado" Suas conclusões são baseadas na física e na análise de causa raiz, especialmente porque os tamanhos dos recursos diminuíram as ordens de magnitude nos últimos 30 anos.
1) Eletro-migração (EM) (contaminação de semicondutores por vazamento lento de íons metálicos)
2) Quebra dielétrica dependente do tempo (TDDB) ou o lento tunelamento de um caminho condutor através do isolador de óxido de campos fracos (e radiação gama)
3) Injeção a quente (HCI) , quando uma concentração de orifícios salta uma barreira dielétrica nas armadilhas de carga usadas pelas células de memória para alterar permanentemente o estado de memória causado pela radiação, corroendo gradualmente a margem até a falha.
4) Instabilidade de temperatura de polarização negativa (NBTI) As tensões do NBTI, que alteram as tensões do limiar do transistor PMOS, tornaram-se mais proeminentes à medida que as geometrias do transistor atingem 90 nm e abaixo e agravadas por interceptações estáticas de longa duração, suficientes para causar falhas.
As QUATRO RAZÕES acima são as mais comuns agora, com ICs de espaço profundo e ICs de consumo. O espaço tem mais radiação e fatores de estresse ambiental. A Lei de Moore também acelerou esses novos modos de falha.
Historicamente, a razão genérica mais comum para ICs de tecnologia antiga era limitada na faixa de temperatura devido à operação com embalagem e estresse ambiental.
Choque térmico, condensação e evaporação rápida, bem como efeitos analógicos do desvio térmico Consumer IC são limitados de 0 a 85 ° C em caixas de plástico por esse mesmo motivo. Não é uma vedação perfeita e é possível a entrada de umidade. Mas mesmo os ICs de cerâmica passivada por vidro temperado com espaço têm limites térmicos. Além dos problemas de umidade indicados abaixo, leia os problemas confirmados mais recentes acima.
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Se houver moléculas de umidade suficientes ao longo do tempo e congelar e rachar o substrato, ele falhará. Se estiver funcionando bem em um estado congelado com moléculas congeladas de umidade e depois descongela e causa corrosão ou vazamento e falha. É sua culpa. Algumas vedações de plástico são um pouco melhores e o auto-aquecimento impede que algumas congelem abaixo de certas temperaturas, o que também reduz a migração de umidade.
Na ponta alta, o efeito pipoca faz com que a umidade sopre os chips e o grau de epóxi preto melhorou significativamente nos últimos 40 anos devido ao Sumitomo. O Epóxi transparente não é tão bom e é usado em alguns casos de LED ou dispositivos de infravermelho. Portanto, os LEDs devem permanecer secos antes da soldagem. Os projetos modernos de grandes motores de LED sem as cordas de fio de ouro são classificados para uma certa RH @ Temp indefinidamente, enquanto o restante é um risco após alguns dias de exposição aberta à alta RH. Realmente é um risco válido e tão ruim quanto prejudicá-los contra ESD, exceto que ele corta o fio de ouro.
É por isso que todas as peças da faixa de temperatura espacial ou militar tendem a ser cerâmicas com revestimento de vidro nos fios e as peças do consumidor são classificadas em 0 ° C.
Quaisquer exceções, como o intervalo de temperatura Industrial e Militar, são devidas a especificações mais rigorosas necessárias para o Militar em um intervalo de temperatura mais amplo que o Industrial, mas ambas funcionam em um amplo intervalo, mas não garantem especificações analógicas.
O CMOS roda mais rápido do que quente. O TTL se diverte mais rapidamente do que o frio e a temperatura da junção cai para dissipar menos calor. Testei as unidades de disco rígido de HDD 8 "em um saco de gelo seco <-40'C após uma hora, apenas para os militares provarem que funciona, mas não há garantias de condensação para evitar colisões na cabeça .. (os rolamentos do motor guincharam por alguns segundos th .... mas passando 0'C de congelamento subindo ... isso é um risco de umidade.
referências de diário adicionadas para prova. O fator limitante de confiabilidade que afeta a temperatura de todos os circuitos integrados (especialmente chips grandes, como microcontroladores) é mais o empacotamento mecânico do que a função do semicondutor. Existem centenas de artigos de confiabilidade para explicar isso. Existem também artigos para explicar por que há uma variação dos limites de baixa temperatura. Alguns são desvalorizados de -40'C por um bom motivo, e aqueles estendidos de 0'C podem ser por motivos ruins. Embora não seja explicitamente declarado que o lucro é a razão, os engenheiros juniores aplicam incorretamente o HALT para estender faixas qualificadas em risco de entender mal a migração química e as tensões estruturais existentes. Embora as empresas mais sábias se refiram com boas razões, as quais apoiarei com as referências abaixo.
1. Propriedades hermeticamente fechadas não são um fenômeno digital.
É analógico e refere-se à quantidade de ingresso ou vazamento de umidade que atomicamente entra em uma embalagem mecânica.
Conforme indicado no link acima
"a eliminação de gases internos pode induzir a formação de condensação de gotículas de água, comprometendo o desempenho do dispositivo e levando à falha do dispositivo." 2. "os selos produzidos eram herméticos inicialmente, mas tendiam a falhar catastroficamente durante imersão prolongada e ciclagem de temperatura em soro fisiológico devido à diferença no CTE entre a parede da cápsula de vidro (5,5 × 10−6 / ◦C) e os 90% Passagem de Pt – 10% Ir (8,7 × 10–6 / ◦C). "
"A partir do nomógrafo da Fig. 6, pode-se observar que a 1,0 atm e 0 ° C, a concentração de umidade necessária para formar gotículas de água é de 6.000 ppm. Em níveis abaixo dessa porcentagem de vapor de água, as gotas líquidas não serão capazes de Portanto, a maioria dos materiais e processos de vedação são selecionados para manter o ambiente interno da embalagem igual ou inferior a 5.000 ppm de umidade durante a vida útil do dispositivo. " No entanto, a contaminação pode alterar isso.
Eu poderia escrever um livro sobre esse assunto, mas muitos outros já o fizeram, por isso vou apenas fazer referência a alguma literatura, que provará que minha resposta é válida .
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