¿Es posible que una MCU funcione a -55 grados, con una especificación de -40 a 85 grados en el entorno de trabajo?

La forma burda de asegurarse de que no estuviera al borde de la operación sería probarlo fuera del rango. Por ejemplo, puede probar las piezas a -65 ° C a un voltaje a una velocidad de reloj más alta y un voltaje más alto / más bajo de lo normal.

Es probable que el fabricante no realice pruebas a temperaturas extremas en sí mismas, pero saben cuánto margen se requiere en las condiciones de prueba y lo prueban. También saben cómo asegurarse de que están probando todo . No sabes nada de eso. Por ejemplo, algo como un oscilador podría funcionar bien hasta -40 ° C, y una vez que comenzó a funcionar a temperaturas muy bajas, pero algunos no pueden comenzar a -45 ° C. Una instrucción en particular puede comenzar a fallar primero debido a algunas condiciones de tiempo.

Si el fabricante puede suministrar unidades calificadas a esa temperatura, sería la mejor. O lobby para un requisito relajado. O coloque calentadores allí para garantizar una temperatura mínima después de un período de calentamiento aceptable (tal vez inhiba el funcionamiento hasta que se alcancen temperaturas aceptables).

Lo más probable es que las partes deban cumplir con un rango de temperatura militar más bajo, usted realmente necesita asegurarse de que funcione de manera confiable.

Como usted dijo, es imposible saber si degradó la unidad durante las pruebas fuera de su rango de temperatura. Tienes dos opciones:

1. Póngase en contacto con el fabricante y pregúnteles qué temperaturas extremas deben soportar las piezas. Porque habrás notado que los rangos de temperatura son muy similares. Los fabricantes pueden elegir un rango de temperatura que se haya especificado comúnmente, lo que es factible y, sin embargo, atractivo para los clientes potenciales, y luego realizar una prueba de ese rango de temperatura aunque piensen que las piezas podrían ser más robustas. Las pruebas son caras. Si responden milagrosamente, le garantizo que nunca responderán con certeza y dirán que es su responsabilidad si sus partes mueren. Sin embargo, puede estar más seguro de probar su unidad y utilizarla en ese rango de temperatura extendido, dependiendo de su objetivo de confiabilidad.
2. Use calentadores, sensores de temperatura y un sistema de control (que puede ser el mismo microcontrolador + un controlador) para controlar la temperatura dentro de los límites establecidos. Tiene la suerte de querer operar a bajas temperaturas, lo cual es más fácil y barato por la misma diferencia de temperatura ambiente. Honestamente, esto no es un problema para un sistema mucho más confiable. Simplemente haga cálculos aproximados para el requerimiento de energía del calentador, luego suelde una resistencia de potencia y un termistor cerca de su chip, agregue un controlador para el calentador (que podría ser un simple transistor) y controle aquellos desde un controlador proporcional-integral que funciona en Baja frecuencia en el fondo. Eso es 1 ecuación para resolver, ~ 5-6 componentes, y ~ 10 líneas de código. Ni siquiera tiene que usar el control PI, los comparadores con histéresis podrían hacer el trabajo. Solo asegúrese de que todo el PCB se calienta de manera uniforme (por ejemplo, con trazas largas y delgadas para el calentador), porque sospecho que habrá un riesgo aún mayor que su chip, volviéndose frágil.

A lo que te refieres a veces se le llama 'actualización'. Es lo opuesto a 'reducción', lo que haría con algunos o todos sus componentes dependiendo de su aplicación y las necesidades de confiabilidad.

Aquí hay un artículo antiguo sobre el tema. de la revalorización. Su recomendación al final es buena. Póngase en contacto con el fabricante para comprender qué puede afectar al funcionamiento a baja temperatura. Nunca garantizarán la operación fuera de sus límites (a menos que usted sea un cliente importante / estratégico para ellos), pero pueden proporcionarle orientación sobre lo que más les preocupa, lo que podría ayudarlo a formular una prueba / pantalla de buena vida.

La respuesta real depende de muchos factores. ¿Verá ciclos térmicos (entre calor y frío) o simplemente operará a -55 ° C? El ciclo térmico induce fallas mecánicas en los cables de unión y en el empaque de IC. ¿Es una aplicación 'única' vs 'misión crítica', es decir, cuáles son las consecuencias de ver un fallo? Si es un 'one off' (unidad única que se está construyendo para uso a corto plazo), podría estar bien con probar algunas unidades. Si se trata de una situación de misión crítica, o si la pieza se operará permanentemente a una temperatura baja, es probable que desee dedicar más esfuerzo a la calificación.

La detección de este tipo se ha realizado para aplicaciones militares durante años. Lo importante es entender dónde está el verdadero "acantilado" en el rendimiento de las piezas. Todos podemos estar de acuerdo en que las partes probablemente no funcionarán a -200C. Y es probable que todos estemos de acuerdo en que las partes probablemente funcionarán bien a -41C (justo fuera del rango operativo de STM32F). El fabricante ha puesto alguna banda de protección en el rango de operación de sus componentes.

Las preguntas relevantes son: ¿puedes averiguar dónde está la banda de guarda (e incluye tu rango de temperatura más bajo deseado) y cambiará alguna vez entre múltiples lotes?

Descubrir que será necesario probar muchas partes para obtener buenas estadísticas sobre la confiabilidad de las partes a baja temperatura, y cómo se ve la distribución de su falla, para poder predecir si es probable que aparezca el modo de falla en su implementación . Y luego, una vez que su producto esté en producción, deberá monitorear el rendimiento de las piezas con algún tipo de muestreo de aceptación .

Un enfoque alternativo para todo esto es instalar un calentador y usar el sensor de temperatura del troquel del STM32F como retroalimentación en el circuito de control del calentador. No ayuda para un arranque en frío, pero si se trata de una unidad en ejecución continua, podría estar bien.

Supongo que la MCU es CMOS aunque no lo digas. Todas las MCU sufren problemas de autocalentamiento que limitan la temperatura máxima de funcionamiento. Por ejemplo, un iPhone con el cargador enchufado podría sentir aproximadamente 50C al tacto pero ser 125C o más internamente cuando está funcionando. Por lo tanto, el límite de prueba para su MCU, normalmente controlado durante la calificación con un termostato, garantizará que el límite de diseño sea correcto. Una vez que se encuentre por debajo de ese límite, los retrasos en los transistores se reducirán, lo que introduce la posibilidad de riesgos en la carrera. Además, se reducirá la concentración de portadores intrínsecos, lo que tendrá un efecto sobre la movilidad. Si su MCU tiene convertidores A / D o D / A, sus características, por ejemplo, error máximo, podrían aumentar o no funcionar en absoluto.

La reducción de la frecuencia no ayudará en absoluto (esto puede ayudar con altas temperaturas). El principal inconveniente de usar el dispositivo fuera de su rango es que incluso si la probabilidad de error es baja, seguirá siendo importante con millones de instrucciones por segundo ejecutadas. Si no es demasiado particular sobre el consumo de energía, puede desactivar las rutinas de ahorro de energía en su código (como detener, suspender, etc.) y esto resultará en un pequeño efecto de autocalentamiento, que se puede mejorar utilizando un aislamiento grueso. . Sin embargo, si su dispositivo tiene que funcionar a temperaturas muy bajas o altas, esto sería un problema.

La precalificación de su dispositivo no será de mucha ayuda a menos que tenga acceso a lotes lentos y rápidos de su fabricante; estos serán extremos de dopaje y otros parámetros como el espesor del metal para evaluar la confiabilidad.

Si tiene un gran presupuesto, puede licenciar su propio procesador de ARM o uno de sus competidores y endurecerlo usted mismo a su propia especificación de temperatura. Esto se conoce como un enfoque de herramientas propias del cliente (COT). Si es necesario, también puede licenciar el controlador de memoria IP y los periféricos. Una alternativa sería acercarse a un fabricante que se especializa en personalización y pedirle que precalifique su producto requerido en un rango de temperatura extendido.

Un fabricante que realiza la personalización tendrá acceso a todas las bases de datos de diseño asistido por computadora (CAD) necesarias para verificar un chip. Entonces, es una cuestión simple revalidar el diseño a una temperatura más baja. Sin embargo, pueden depender de un segundo proveedor para caracterizar el silicio a una temperatura fuera del rango habitual. Esto requiere una amplia gama de simulaciones SPICE y experimentos de caracterización de biblioteca asociados, que pueden estar fuera del alcance de lo que están dispuestos a hacer para todos, excepto para el cliente más grande. Como parte de este proceso, el termostato mencionado anteriormente se puede usar para verificar que los lotes divididos aún pasan sus vectores de prueba a la temperatura baja que usted especifique. Esto también puede resultar en una pérdida de rendimiento como lo mencionan otras respuestas.