¿Por qué es tan alto el rango de temperatura de los productos industriales y militares?

La temperatura máxima que experimenta el silicio puede ser mucho más que ambiente. 50 ° C ambiente sin duda pasa. Eso es sólo 122 ° F. Personalmente lo he experimentado en el refugio Kofa Wildlife al norte de Yuma Arizona. Necesitas diseñar para el peor de los casos, no para los deseos. Así que digamos que el ambiente puede ser de 60 ° C (140 ° F).

Eso por sí solo no es un gran problema, pero no lo consigues solo. Tome el mismo termómetro que lee a 60 ° C al aire libre y póngalo en una caja de metal que se sienta en el suelo al sol. Se va a poner mucho más caliente

He visto a alguien freír un huevo en el capó de un auto al sol en Phoenix, AZ. Por supuesto, esto fue un truco creado deliberadamente para este propósito. El automóvil estaba estacionado en el ángulo correcto, la pieza del capó se inclinó en el ángulo correcto y se pintó de negro plano. Sin embargo, todavía muestra que solo un pedazo de metal al sol puede calentarse mucho.

Una vez dejé un auto estacionado en el aeropuerto de Las Vegas por unos días. Había dejado uno de esos bolígrafos baratos de "palo" en el tablero de instrumentos, en parte sobresaliendo por el costado. Cuando regresé, el lápiz estaba doblado a 90 ° sobre el borde del tablero. No sé a qué temperatura se derriten esos bolígrafos, pero claramente se calienta mucho más que la temperatura ambiente en condiciones comunes en una caja cerrada.

Si dejaste una pieza de electrónica de consumo barata en el tablero de instrumentos al sol y no funcionó, probablemente estarías un poco irritado, luego tirarlo y reemplazarlo. Si el controlador de su bomba de aceite dejara de funcionar en el verano porque se calentó demasiado, perdería mucho dinero, estaría muy molesto y probablemente compraría el reemplazo de una compañía diferente que toma la calidad más seriamente. Si su sistema de defensa con misiles dejara de funcionar porque lo desplegó en el desierto de Irak en lugar de un buen y cómodo rango de prueba en Massachusetts donde se desarrolló, estaría muerto. Los oficiales de adquisiciones que no se despidan tendrán un cuidado especial para exigir que todos los componentes electrónicos funcionen a altas temperaturas, e insistirán en que se realicen pruebas en esas condiciones.

En primer lugar, el equipo militar es caro. Puede permitirse realmente probar cosas para altas temperaturas solo si su cliente está dispuesto a pagar. Los clientes militares tienden a tener presupuestos con los que la gente normal solo puede soñar.

Entonces, obviamente, si pones un IC en un misil, es posible que no quieras que esa cosa falle si tu misil se calienta por su extremo en llamas o por su extremo de fricción de aire. Lo mismo ocurre con las cosas que podrían colocarse en un satélite, un cohete intercontinental, etc.: tan pronto como golpeas el espacio y estás a la sombra de la tierra, las cosas pueden enfriarse realmente . Militar y aeroespacial (que generalmente son en su mayoría las mismas compañías) son el lugar típico donde se espera que un dispositivo soporte una gran cantidad de G de aceleración, sea caliente-frío-caliente-frío-caliente-caliente en cuestión de segundos, todavía debe ser extremadamente bien integrado y ligero, y donde los costos simplemente no importan mucho en comparación con el riesgo:

Sin embargo, la diferencia principal (aparte de cómo se realiza físicamente la gestión de la temperatura) es que estos tres grupos de aplicaciones realizan un tipo diferente de evaluación de riesgos:

• dispositivo de grado comercial / consumidor : 1/5000 de sus televisores fallan dentro de los cinco años debido a que algunos circuitos integrados se calientan demasiado. Cosa mala. Muchos clientes solo obtendrán uno nuevo. Para los 1 / 10,000 clientes restantes, deberá realizar el servicio (calcularlo en el costo de su producto) o vivir con una imagen degradada (lo que realmente no tiene que hacer, porque sus competidores hacen lo mismo). Por lo tanto, tener más margen de seguridad en sus diseños no tiene mucho sentido, tan poco como probar componentes al límite de las condiciones ambientales asumibles. Estás en un mercado donde el precio es lo más importante, y la tasa de fracaso es principalmente una preocupación para las finanzas del fabricante.
• dispositivo de grado industrial : su cliente es alguien que está colgando de una línea de producción posiblemente muy costosa en su producto. Digamos que la línea de producción de Volkswagen se detiene por 8h porque su IC no funcionó. Esa es una cantidad muy sólida de pérdida que acabas de causar. VW estará dispuesto a pagar extra solo para asegurarse de que sus proveedores se aseguren de probar los componentes en todos los entornos que puedan ocurrir, y mucho más allá, para mantener el riesgo manejable.
• dispositivo de grado automotriz : hay vidas humanas en juego. Eso no es tan importante como el hecho de que los autos vibren como el infierno, sean complejos como el infierno, se calienten parcialmente como el infierno y se desplieguen en millones , lo que significa que descubrir que cualquier componente se calienta un poco. trabajar de manera confiable (incluso si es algo que no es crítico para la seguridad) significa que es posible que necesite reparar muchos autos, lo que es realmente costoso, y realmente arriesga su imagen de marca. Cada país tiene sus propios prejuicios contra "ese fabricante de automóviles con una fiabilidad de mala calidad y una mala electrónica", y perjudica gravemente sus ventas.
• dispositivo de grado militar : bueno, la promesa de los militares es estar lista cuando sea para lo que sea. Ellos no se arriesgarán a que falle solo porque no pidieron a todos los proveedores que cumplan con las especificaciones ambientales extremas. Así es como funcionan: no deje nada al riesgo, especialmente si su aplicación es costosa como el infierno de todos modos (piense en aviones de combate) o se despliega en decenas de miles de personas y aún es crítica para la vida y la misión (piense en el equipo de comunicación militar).

El equipo militar (y aeroespacial en general) es a menudo:

1. En un compartimiento sin presión, lo que significa que el enfriamiento del equipo es por conducción. El enfriamiento por convección pierde el significado a 30,000 pies ya que hay muy pocas moléculas de aire para transferir el calor por convección. Es mucho más difícil transferir el calor de manera efectiva solo por conducción.

2. En una zona de deslumbramiento (piense justo debajo del toldo en un avión de combate) y esta área puede ser muy caliente.

3. En una bahía donde la temperatura ambiente puede superar los 70 ° C.

4. En el borde anterior de un ala, que puede variar en temperatura desde condiciones de formación de hielo (muy por debajo de cero) hasta muy caliente (en Mach 2 o así, la fricción de incluso las pocas moléculas disponibles todavía es muy alta; es por eso que el transbordador espacial tenía una gestión de calor elaborada para el reingreso).

No es inusual tener un requisito de temperatura del borde de la tarjeta de 85 ° C durante períodos cortos (normalmente 30 minutos) y no se necesita mucha actividad del procesador (para nombrar solo un tipo de dispositivo) para elevar la temperatura de la unión a 120 ° C o más.

En resumen, los entornos militares y aeroespaciales son muy duros (como lo son las aplicaciones en el hoyo).

Como han señalado otros, las piezas de grado militar totalmente calificadas pueden ser caras (hasta 10 veces el costo del equivalente comercial y en algunos casos más); en respuesta a eso algunos fabricantes han instituido programas de detección de piezas de plástico que Todavía tiene una prima, pero no tanto como las soluciones anteriores.

[Update◆

En respuesta al comentario sobre las temperaturas del borde de la tarjeta, aquí hay un chasis refrigerado por conducción típico:

Laparteexteriordelchasisseconocecomo pared fría (donde podemos conocer la temperatura) y puede ser simplemente metálico o tener otros métodos para mantener una temperatura razonablemente conocida.

Ahora aquí hay una tarjeta típica, con escalas térmicas:

Estosamenudoestánhechosdealuminio(esbaratoytieneparámetrostérmicosdecentes)ylasescalerasestánencontactoconlosbordeslateralesdelgabinetedearriba;Comohabráunadiferenciadecalorentreelexterioryelinteriordelacaja,elrequisitoderesistenciaalatemperaturaparaelPCBseestableceenestaescaladecalorinterna,quees,comopuedeverenelbordedelatarjeta.

Comoelcalordebellegardesdeloscomponenteshastaestepunto,noesinusualquelaPCBenuncomponentecaliente(comounprocesadoroGPU)lleguea95Comásconunatemperaturadebordedetarjetade85C(queesamenudounrequisitoespecífico).

LaresistenciatérmicadelamayoríadelossaboresdeFR-4es\$0.4\frac{W}{mK}\$,porloquehabrámuchascapasmetálicasinternasenestetipodetarjeta.

Enalgunassituaciones,esposiblequetengamosqueusar PCB térmicamente que, aunque son caros Puede ser la única forma de sacar el calor.

Varios otros comentarios y respuestas han mencionado que los circuitos electrónicos deben estar en recintos y su propia producción de calor lo calienta allí. Eso no se ha estresado lo suficiente. Para los equipos industriales, comerciales y de automoción, los circuitos electrónicos a menudo necesitan ser sellados en recintos herméticamente cerrados para evitar todo tipo de contaminantes. Además, los niveles de potencia más altos son comunes. Hay muchos controles de motor, controles de proceso de calefacción y poderosos actuadores de varios tipos. Los microcontroladores deben poder operar en los mismos recintos con ese tipo de equipo. En los edificios comerciales, los controladores de motor y los microcontroladores para calefacción, ventilación y equipos de refrigeración a menudo se instalan en recintos de techo que no están controlados por temperatura.

Los equipos industriales comunes se calientan debido a su propio calor. Un aumento de temperatura típico dentro de un recinto es de 20 a 30 grados C. Si se coloca en un edificio sin aire acondicionado, la temperatura se eleva fácilmente a 70 a 80 grados, y en ocasiones incluso el alcance industrial no es suficiente. En tales casos, se utilizan todo tipo de enfriamiento: convección pasiva, convección forzada, enfriamiento por agua, etc.

¿Por qué son tan altos? porque el ambiente es alto y amp; no todo se sentará en un ambiente agradable con temperatura controlada ... Los humanos lo necesitan, la electrónica no lo hace Tome un avión ... las piezas conectadas a la cubierta del motor experimentarán un ambiente de 85C. En las partes de altitud del fuselaje experimentará -55C.

Se trata de pruebas de quemado. La oblea de silicio tiene algunos defectos cuando se produce, y cada elemento tiene que pasar una inspección final. Por lo tanto, tienen una cámara de quemado para realizar pruebas (no sé por la existencia de congelamiento, probablemente no sea necesario) donde se establecen diferentes temperaturas, según el destino del mercado.

En el consumidor, la mayoría de los circuitos integrados sobreviven también si hay un defecto. En la industria, aquellos con una gran oblea defectuosa fallarán, en la sala de quema militar, aquellos con solo un pequeño defecto fallarán.

Entonces, si tienes suerte, puedes obtener una parte del consumidor que sea tan buena como militar. Olvidé mencionar que la prueba suele ser destructiva para las piezas defectuosas.

Como yo lo veo, estás haciendo 3 preguntas. Una pregunta principal y 2 subpreguntas (1,2).

La respuesta a la pregunta principal es que los productos industriales y militares pueden experimentar realmente el rango de temperatura especificado, y los usuarios quieren tener la seguridad de que los productos no fallará , si se usa dentro del rango de temperatura dado.

La respuesta a la subpregunta 1 es que hay dos parámetros adicionales que deben considerarse: a) disipación de potencia, b) margen de seguridad.
Para que un chip pueda disipar la energía, su temperatura ambiente debe ser 35C más baja que su temperatura interior. Además, uno debe permitir un margen de seguridad de 25C más bajo que la temperatura máxima requerida. Para tener en cuenta estos requisitos, un producto que se use con una temperatura ambiente de 50 ° C debe poder funcionar a no menos de 110 ° C (50 + 35 + 25). Por lo tanto, requerir componentes que operan a 125C, parece muy razonable.

La respuesta a la subpregunta 2 es no , no debe usar componentes de grado comercial , ¡no deja margen de seguridad ! Debe utilizar grado industrial , o mejor.

La respuesta simple (en el lado caliente, que es donde se enfoca su pregunta) que se encuentra mejor en algunas de las respuestas existentes, es que la disipación de potencia del dispositivo puede hacer que la temperatura del dispositivo sea más fácil (o superior) ) la temperatura nominal. El trabajo de los diseñadores es tratar de mantener el dispositivo en un rango funcional; Si el dispositivo tiene una capacidad nominal de 50 ° C y funciona en un entorno de 50 ° C, no puede disipar NINGUNA potencia, por lo que no puede funcionar sin un sistema de enfriamiento activo.

Un dispositivo 125C en el mismo 50C tiene un margen térmico de 75C, lo que permite que la potencia se disipe a cualquier resistencia térmica que se aplique al sistema.

Otra razón es: ¡porque pueden ser!

Para aplicaciones espaciales, seguramente les gustará más alto (para una temperatura mucho más baja).

Editar debido a un voto negativo no explicado:

Tal vez esta respuesta fue demasiado corta para alguien. Déjame explicarte un poco más.

Aquí hay una página con algunas indicaciones también.

• El límite superior del silicio real en sí es típicamente de 150 ° C. Por lo tanto, el límite del paquete no puede ser de 150 ° C; 125 ° C es un límite razonable si el empaque y el consumo de energía lo permiten.
• El límite inferior del silicio real en sí está de acuerdo con el enlace anterior de -117 ° C (100 ° C). En la práctica, demasiado lejos del punto de diseño de los circuitos integrados.
• Si los límites para los circuitos comerciales e industriales son mayores, entonces está la cuestión de la economía: se deberían desechar más dispositivos. Nuevamente, para mantener los productos económicamente interesantes para aplicaciones comerciales e industriales, los límites operativos deben ser limitados, no pueden ser económicamente más altos (lo que es menos cierto hoy que en el pasado cuando se definieron estos límites).
• No hay grado de espacio porque el mercado es pequeño y también porque han aprendido a trabajar con las otras clases, por ejemplo, la electrónica se coloca en el centro del satélite donde la temperatura está dentro de los límites y no varía demasiado . También utilizan diseños específicos: dispositivos endurecidos por radiación en particular [la radiación puede llegar al núcleo del satélite] y tecnología que está menos sujeta a la radiación.