¿Por qué los dispositivos electrónicos tienen un límite de temperatura bajo?

Una vez diseñé un amplificador que oscilaría a -10 ° C. Lo arreglé cambiando el diseño para agregar más margen de fase. En este caso, la oscilación no causó ningún daño, pero el circuito no funcionó bien en esta condición y causó errores. Estos errores desaparecieron a temperaturas más altas.

Algunos plásticos se agrietan cuando se congelan. El hielo seco es de -78.5 ° C, y he roto muchos plásticos con hielo seco. Por ejemplo, destruí un cofre de hielo perfectamente bueno que se partió en pedazos en el lugar donde tenía un trozo de hielo seco.

En los diseños de montaje en superficie, el coeficiente de expansión de la temperatura diferencial entre la placa de partes soldadas al circuito y la placa de circuitos puede causar grandes tensiones. La relación de tensión-tensión-temperatura a menudo apenas funciona dentro del rango de temperatura especificado. Cuando se enciende el equipo, los componentes calientes pueden cambiar de forma y romper el plástico quebradizo, al igual que mi antiguo cofre de hielo.

Si el equipo está por debajo de 0 ° C y luego lo lleva a una oficina cálida y húmeda, el agua se condensará en las placas del circuito y puede causar problemas. Presumiblemente, algo similar puede ocurrir con las heladas, dependiendo del clima. Cuando la escarcha se derrite, puede haber problemas.

Cuando recibo un equipo en la mañana que se ha transportado como carga aérea, asumo que recientemente ha estado muy frío y lo dejé reposar por algunas horas para que se caliente lentamente y se mantenga seco antes de abrir la caja. la oficina.

Encender engranajes muy fríos puede ser interesante. Algunos componentes de limitación actual, como un PTC o PPTC , pasará mucho más actual.

Los lubricantes en motores como ventiladores y unidades de disco también pueden ser un problema.

Puedo darte una respuesta porque yo fui uno de los que escribieron o verificaron las especificaciones de los circuitos integrados de semiconductores.

Hablando legalmente y éticamente, solo podía aprobar los parámetros dentro de los cuales hemos verificado que el IC / procesador funcionaría. Y luego mi jefe, y su jefe, y todos los demás verían la evidencia de las pruebas, y ellos también aprobarían esas restricciones.

No podría firmar ética o legalmente que un lote de procesadores funcionaría a -100 C, si no los hubiera puesto en el conjunto de pruebas a -100 C.

Si elige usar su equipo a -50 C, equipado con el procesador que firmé con un umbral bajo de -15 C, mi empresa ya no tendría ninguna obligación con ese procesador. Has roto la garantía.

Las pruebas a -50 C son mucho más caras que las pruebas a -15 C. Tendría que verificar que el sitio de prueba es en realidad -50 C--. También es muy peligroso.

Además de eso, se requiere un embalaje especial / hermético para que los circuitos integrados funcionen a temperaturas extremadamente bajas. Como ejemplo extremo, los envases de plástico podrían desarrollar grietas o compromisos estructurales cuando vertemos nitrógeno líquido sobre ellos.

La expansión diferencial entre el troquel y el empaque podría arrancar el troquel de su sitio de unión, o romperlo.

Hay pruebas de estrés que incluyen simular las variaciones de temperatura en el funcionamiento del IC. Digamos que su computadora portátil está colocada en su automóvil a temperaturas de -10 ° C. Lo enciende y en 5 minutos alcanza una temperatura de 85 ° C. Y durante todo el invierno, lo hizo cada noche. ¿Qué pasa con la unidad principal y el controlador de computadora que se encuentra en su automóvil, que manejaría durante los próximos 15 años sometidos a tales fluctuaciones cada invierno en el norte de Maine?

Hubo demasiados problemas mecánicos que mis colegas de ingeniería mecánica tuvieron que enfrentar cuando se trata de pruebas de temperaturas extremadamente bajas. Entonces, ¿a qué baja temperatura quiere que verifiquemos y cuánto más extra está de usted como consumidor dispuesto a pagar por esa prueba de baja temperatura?

No podemos simplemente probar una o dos unidades para verificar la ausencia de problemas mecánicos, como las incompatibilidades entre la matriz y el empaque, a diferencia de las personas que arriesgan sus placas base experimentando overclocking con los meros uno o dos procesadores que compraron en eBay. Tenemos que diseñar la distribución estadística aceptable y el plan de muestreo que se incluiría en esa distribución, que se aplicaría a una serie de circuitos integrados que fluyen a través de la línea de productos.

Ocasionalmente, la legalidad de las restricciones podría ser bastante complicada, donde la agencia gubernamental de EE. UU. exige que el OEM tenga presente a su representante mientras probamos esos circuitos integrados / procesadores, lo que puede demorar unos días para un lote. Ese representante firmaría que efectivamente habíamos realizado tales pruebas en tales restricciones. Así es como un procesador de $ 100 le costaría al gobierno estadounidense $ 2000.

De tal manera que si la agencia gubernamental de los EE. UU. decidiera de alguna manera operar el equipo más allá de las restricciones probadas y verificadas, ya no seríamos legalmente responsables de ningún percance o falla de funcionamiento en el futuro.

Además de las baterías y quizás los componentes de la pantalla LCD generalmente no se dañan directamente, incluso a temperaturas extremadamente frías. Si las temperaturas se cambian a extremos, especialmente rápidamente, puede haber daño físico debido a una contracción no coincidente con la temperatura o los gradientes de temperatura.

Incluso cuando se aproxima al cero absoluto ocurren cosas extrañas: a 4.2 K (helio líquido), por ejemplo, un 1N4148 puede hacer que un oscilador de relajación. Más frío y la soldadura normal puede perder toda resistencia, lo que suena realmente bien hasta que queda atrapado el flujo magnético.

El problema básico es que la densidad de los portadores de carga "libres" en semiconductores es una función importante de la temperatura. Cuando la temperatura baja lo suficiente, simplemente no hay suficientes portadores disponibles para permitir que funcionen los transistores, etc., y la resistencia en serie efectiva del semiconductor a granel también aumenta. La ganancia general del circuito cae por debajo de lo que ha permitido el ingeniero de diseño, y ya no puede cumplir con sus especificaciones de rendimiento.

El límite de temperatura asociado con un CI real tiene más que ver con la expansión / retracción térmica que con la fusión.

Un IC se compone de diferentes materiales. La matriz, el sustrato, los cables de conexión, el método de unión, las piernas y el cuerpo. A medida que cambia la temperatura, estos diferentes materiales se expanden / contraen y se desgarrarán de otros materiales que no cambien al mismo ritmo.

Entonces tienes calidad de dopaje, más de un problema en el borde de la oblea. Eso significa que las características reales en comparación con la hoja de datos (tiempo de subida, demora de propagación, etc.) no cumplen con el mínimo / máximo establecido ya que la movilidad de los electrones es diferente (los fabricantes generalmente hacen un IC y prueban a temperatura militar. Si falla) , prueba a temperatura industrial. Si eso también falla, prueba a una temperatura comercial ... Si falla, la desechan y la agregan a sus números de rendimiento).

Luego tiene los detalles del daño ... Silicon no tiene un límite inferior w.r.t. semiconductor. Tiene un límite superior a 175 ° C donde se dañará.

LCDs formarán cristales y se descompondrán a temperaturas extremas y los dieléctricos igualmente en los condensadores comienzan a descomponerse.

Otros problemas a temperaturas tan bajas son, por ejemplo, que las LCDs se están congelando y tienen una reacción muy lenta.

Y el punto más importante para las modernas tecnologías IC es un efecto que las hace más lentas a bajas temperaturas (ver Tratar con los desafíos de inversión de temperatura / temporización del dominio de múltiples Vt y multitensión; ).

También encontré este interesante artículo que contiene otros puntos importantes relacionados con problemas de baja temperatura: Diseño electrónico para entornos fríos .

Algunas razones:

• en muchos casos, puede usar componentes por debajo de la temperatura mínima, pero no espere que los parámetros sean los mismos que se especifican en la hoja de datos
• los condensadores se reducirán - la distancia entre los electrodos cambiará
• el electrolito en el condensador puede congelarse y la capacidad cambiará

• muchos dispositivos electrónicos están hechos de diferentes materiales y pueden actuar como bimetal cuando se cambia la temperatura en un amplio rango. En muchos casos, los fabricantes hacen lo que pueden para evitar esto utilizando materiales con un coeficiente de expansión térmica similar, pero a veces esto es imposible o simplemente no es necesario.

  

  Supongoqueestaeslarazónporlaquelosdispositivosdealtapotenciasecombinanaaltatemperatura.Porejemplo,algunosdiodosCREEseagrupana85°C(185°F).

Avecesnosetratadetemperaturamínima,avecessetratadecuánamplioeselrangodetemperatura.

Sisesuponequesudispositivofuncionaatemperaturasmuybajas,debeleersobre lata transformación alotópica .

El silicio, en particular, depende de la excitación térmica de sus dopantes para actuar como un semiconductor, lo que hace que la naturaleza de sus propiedades semiconductoras sea altamente dependiente de la temperatura. Esto le proporciona un límite de operación fundamental bajo y un rango de temperatura bastante estrecho para que pueda diseñar su chip para que funcione. Si necesita componentes electrónicos que funcionen en un amplio rango de temperaturas, no use silicio. La electrónica de Gallium Arsnide funciona hasta milikelvin e inferior, pero es mucho más costosa.

Los resistores están diseñados con una mezcla de materiales con diferentes propiedades térmicas, de modo que los efectos térmicos se cancelan y dan un valor de resistencia que es aproximadamente constante con respecto a la temperatura, en el rango especificado.

Fuera del rango de temperatura especificado, la resistencia de una resistencia puede y divergirá enormemente del valor especificado.

Como cuestión de interés, las resistencias de precisión a veces equilibran la dependencia de la temperatura restante con una dependencia de tensión dimensional: a medida que el sustrato se contrae o crece con la temperatura, la tensión en el elemento resistivo cambia su resistencia, compensando parte de la dependencia de la temperatura restante del material resistivo.

Otro factor es el tiempo digital a bajas temperaturas. Los circuitos digitales generalmente se ejecutan más rápido a temperaturas más bajas, pero la sincronización del circuito puede fallar (por ejemplo, los registros internos pueden fallar debido a violaciones de tiempo de espera), por lo que el circuito no funcionará correctamente. En una computadora portátil, la unidad de disco duro probablemente no funcione debido a problemas mecánicos (por ejemplo, las cabezas no se alinean correctamente sobre las pistas del disco).

En general, el frío hace que las uniones de los semiconductores sean más rápidas, y el frío es mejor. -50C es bastante modesto en realidad, los grandes problemas son mucho más bajos.

Pero muchas cosas pueden salir mal. Los ciclos de temperatura durante el día pueden provocar tensiones térmicas. La condensación puede surgir y causar problemas reales, especialmente cuando una superficie fría toca el aire húmedo y caliente.

Entonces tu pregunta es realmente incompleta. Si se almacena en una cámara térmica a -50 ° C, su computadora portátil probablemente estará bastante feliz por tiempo indefinido. Pero si se mueve dentro y fuera de -50C, hay mucho espacio para problemas. La temperatura absoluta es un factor, al igual que el rango de humedad, el rango de temperaturas y la magnitud del choque físico a bajas temperaturas.