Pourquoi les composants électroniques ont-ils une limite de température basse?

En dehors de la condensation, pourquoi les composants électroniques ont-ils généralement une limite de température basse? Par exemple, mon ordinateur portable indique quelque chose comme une température entre -10 ° C et 75 ° C pendant son utilisation.

Je peux comprendre la limite de température élevée, car les choses vont probablement fondre!

Mais pourquoi le froid est-il une si mauvaise chose?

En dehors des batteries, quels composants vont être endommagés par le froid extrême et comment?

Son utilisation augmentera-t-elle les dégâts?

L'utilisation de l'équipement compensera-t-elle ces dommages (au fur et à mesure de leur échauffement)?

De plus, je parle de températures extrêmes inférieures à -50 ° C, la condensation est-elle toujours un problème?

Remarque: je ne le stocke pas, il ne s'agit donc pas d'une copie d'une autre question.

Note 2: Je ne parle pas de semi-conducteurs, mais en général.

J'ai déjà conçu un amplificateur qui oscillerait à -10 ° C. Je l'ai corrigé en changeant la conception pour ajouter plus de marge de phase. Dans ce cas, l’oscillation n’a causé aucun dommage, mais le circuit n’a pas bien fonctionné dans cet état et a provoqué des erreurs. Ces erreurs ont disparu à des températures plus élevées.

Certains plastiques craquent quand ils gèlent. La neige carbonique est à -78,5 ° C, et j'ai cassé beaucoup de plastique avec de la neige carbonique. Par exemple, j'ai détruit un bon coffre de glace qui s'est brisé en petits morceaux à l'endroit où se trouvait un morceau de neige carbonique.

Dans les conceptions montées en surface, le coefficient de dilatation différentiel de la température entre la carte soudée sur la carte et la carte imprimée peut entraîner des contraintes importantes. La relation contrainte-déformation-température fonctionne souvent à peine dans la plage de température spécifiée. Lorsque l'équipement est mis sous tension, les composants chauds peuvent changer de forme et casser le plastique fragile, un peu comme mon ancien coffre de glace.

Si l'équipement est en dessous de 0 ° C et que vous le transportez dans un beau bureau chaud et humide, l'eau se condensera sur les cartes de circuits imprimés et peut causer des problèmes. Vraisemblablement, une chose similaire peut se produire avec le gel, en fonction du temps. Lorsque le gel fond, il peut y avoir des problèmes.

Le matin, lorsque je reçois du matériel transporté comme fret aérien, je suppose qu’il fait très froid récemment et que je le laisse reposer pendant quelques heures pour se réchauffer lentement et rester au sec avant d’ouvrir la boîte au bureau.

Activer un équipement très froid pourrait être intéressant. Certains composants limitant le courant, tels que PTC ou PPTC , transmettent beaucoup plus de courant.

Les lubrifiants dans les moteurs tels que les ventilateurs et les lecteurs de disque pourraient également être un problème.

Je peux vous donner une réponse car j'avais été l'un de ceux qui ont écrit ou vérifié les spécifications des circuits intégrés à semi-conducteurs.

Légalement et éthiquement, je ne pouvais signer que les paramètres dans lesquels nous avons vérifié que le processeur / processeur fonctionnerait. Ensuite, mon supérieur hiérarchique et son supérieur hiérarchique, ainsi que tout le monde, verraient les preuves des tests et approuveraient également ces contraintes.

Je ne pouvais pas, légalement ou moralement, approuver qu'un lot de processeurs fonctionnerait à -100 ° C, si je ne les avais pas placés dans la série de tests à -100 ° C.

Si vous choisissez d'utiliser votre équipement à -50 ° C, équipé du processeur que j'ai signé avec un seuil bas de -15 ° C, mon entreprise n'aura plus aucune obligation envers ce processeur. Vous avez brisé la garantie.

Tester à -50 ° C est beaucoup plus coûteux à effectuer que le test à -15 ° C. Il faudrait que je vérifie que le site de test est bien à -50 ° C-- C'est aussi très dangereux.

De plus, un emballage spécial / hermétique est nécessaire pour que les circuits intégrés puissent fonctionner à des températures extrêmement basses. À titre d'exemple extrême, les emballages en plastique pourraient développer des fissures ou des compromis structurels lorsque nous leur versons de l'azote liquide.

La dilatation différentielle entre la matrice et l'emballage peut détacher la matrice de son site de fixation ou fissurer la matrice.

Il existe des tests de résistance qui incluent la simulation des variations de température dans le fonctionnement du CI. Supposons que votre ordinateur portable se trouve dans votre voiture à une température de -10 ° C. Vous l’allumez et en moins de 5 minutes, il atteint une température de 85 ° C. Pour tout l’hiver, vous l’avez fait tous les soirs. Qu'en est-il de l'unité principale et du contrôleur informatique qui se trouve dans votre voiture, que vous conduiriez pendant les 15 prochaines années, soumis à de telles fluctuations chaque hiver dans le nord du Maine?

Il y avait trop de problèmes mécaniques que mes collègues ingénieurs en mécanique avaient à traiter lorsqu'il s'agissait d'essais à très basse température. Alors, quelle température voudriez-vous que nous vérifiions et combien de plus êtes-vous prêt à payer en tant que consommateur pour ces tests à basse température?

Nous ne pouvons pas simplement tester une ou deux unités pour vérifier l'absence de problèmes mécaniques tels que des incompatibilités entre les matrices et les emballages, contrairement aux personnes qui utilisent leurs cartes mères en mode overclocking avec un ou deux processeurs achetés sur eBay. Nous devons concevoir la distribution statistique acceptable et le plan d'échantillonnage qui entrerait dans cette distribution, qui s'appliqueraient à un flux de circuits intégrés traversant la gamme de produits.

Parfois, la légalité des contraintes peut être assez complexe, dans la mesure où le gouvernement américain exige que le fabricant OEM ait son représentant présent pendant que nous testons ces CI / processeurs, ce qui peut prendre quelques jours pour un lot. Ce représentant signerait que nous avions effectivement effectué de tels tests avec de telles contraintes. C’est ainsi qu’un transformateur de 100 dollars coûterait 2 000 dollars au gouvernement américain.

De telle sorte que si l’organisme gouvernemental américain décidait de faire fonctionner le matériel au-delà des contraintes testées et vérifiées, nous ne serions plus tenus légalement pour responsable de tout incident ou dysfonctionnement futur.

À part peut-être les piles et les composants de l’écran LCD, en général, ne sont pas directement endommagés, même par des températures extrêmement froides. Si les températures sont changées à l'extrême, particulièrement rapidement, il peut y avoir des dommages physiques dus à une contraction inadéquate avec la température ou des gradients de température.

Toutefois, le fonctionnement à froid peut ne pas être possible - les composants changent avec la température, au point où ils risquent de ne plus fonctionner de manière fiable, de ne pas démarrer ou de s'arrêter complètement. Le gain des transistors bipolaires diminue avec la température. En deçà de 50 000 pièces, la plupart des pièces bipolaires cessent de fonctionner en raison du gel des supports. Les capuchons électrolytiques n'aiment pas les températures très basses en dessous de zéro, et leurs changements (ESR plus élevé et capacité plus faible) peuvent endommager d'autres pièces. Les parties CMOS numériques peuvent fonctionner plus ou moins bien, mais les parties analogiques d’une puce peuvent ne pas être conformes aux spécifications ou ne pas fonctionner (telles que l’oscillateur d’horloge ou le BOR ou l’ADC dans un micro).

Des choses encore plus étranges se produisent lorsque vous vous approchez du zéro absolu - à 4,2K (hélium liquide), par exemple, un 1N4148 peut créer un oscillateur à relaxation. Une soudure encore plus froide et ordinaire peut perdre toute résistance, ce qui sonne vraiment bien jusqu'à ce que vous obteniez un flux magnétique piégé.

Le problème fondamental est que la densité des porteurs de charge "libres" dans les semi-conducteurs dépend fortement de la température. Lorsque la température baisse suffisamment, il n’ya tout simplement pas assez de supports disponibles pour permettre aux transistors, etc. de fonctionner, et la résistance en série effective du semi-conducteur de masse augmente également. Le gain global du circuit est inférieur à ce que l'ingénieur concepteur a prévu et il ne peut plus répondre à ses spécifications de performances.

La limite de température associée à un circuit intégré réel a plus à voir avec la dilatation / rétraction thermique qu'avec la fusion.

Un circuit intégré est composé de différents matériaux. La matrice, le substrat, les fils de liaison, la méthode de liaison, les jambes et le corps. À mesure que la température change, ces différents matériaux se dilatent / se contractent et se séparent d'autres matériaux qui ne changent pas au même rythme.

Vous avez alors la qualité du dopage, plus un problème au bord de la plaquette. Cela signifie que les caractéristiques réelles par rapport à la fiche de données (temps de montée, temps de propagation, etc.) ne respectent pas le minimum / maximum indiqué car la mobilité des électrons est différente (les fabricants réalisent généralement un CI et le testent à température militaire). , testez à la température industrielle. Si cela échoue également, testez à une température commerciale ... S'il échoue, ils le mettent au rebut et l'ajoutent à leur nombre de rendement).

Ensuite, vous avez les détails des dommages ... Le silicium n'a pas de limite inférieure par rapport au semi-conducteur. Il a une limite supérieure à 175 ° C où il sera endommagé.

Les écrans LCD formeront des cristaux et se décomposeront à des températures extrêmes. De même, les diélectriques des condensateurs commenceront à se décomposer.

D'autres problèmes à des températures aussi basses sont, par exemple, le fait que les écrans LCD gèlent et réagissent très lentement.

Et le point le plus important pour les technologies de circuits intégrés modernes est un effet qui les ralentit à des températures plus basses (voir Gestion des défis d'inversion temporisation / température de domaine multi-tension et multi-tension ).

J'ai aussi trouvé cet article intéressant qui contient d'autres points importants concernant les problèmes de basses températures: Conception électronique pour environnements froids .

Peu de raisons:

• dans de nombreux cas - vous pouvez utiliser des composants à une température inférieure à la température minimale, mais ne vous attendez pas à ce que les paramètres soient les mêmes que ceux spécifiés dans la fiche technique
• les condensateurs vont rétrécir - la distance entre les électrodes va changer
• l'électrolyte dans le condensateur peut geler et la capacité changera

• De nombreux appareils électroniques sont fabriqués à partir de matériaux différents et ils peuvent agir comme une coupure bimétallique lorsque vous modifiez la température dans une plage étendue. Dans de nombreux cas, les fabricants font ce qu'ils peuvent pour éviter cela en utilisant des matériaux ayant un coefficient de dilatation thermique similaire, mais cela est parfois impossible ou tout simplement inutile.

  

  Je suppose que c’est la raison pour laquelle les appareils à haute puissance sont combinés dans une température élevée. Par exemple, certaines diodes CREE sont triées à 85 ° C (185 ° F).

Parfois, il ne s'agit pas de température minimale, mais parfois de la largeur de la plage de température .

Si votre appareil est censé fonctionner à des températures très basses, consultez la section sur la transformation allotropique de l’étain .

Le silicium, en particulier, dépend de l'excitation thermique de ses dopants pour agir en tant que semi-conducteur, ce qui rend la nature de ses propriétés hautement dépendante de la température. Cela vous donne une limite de fonctionnement basse fondamentale et une plage de température assez étroite sur laquelle vous pouvez concevoir votre puce. Si vous avez besoin d'électronique qui fonctionne dans une plage de température étendue, vous n'utilisez pas de silicium. L'électronique Gallium Arsnide fonctionne au millikelvin et au-dessous, mais coûte beaucoup plus cher.

Les résistances sont conçues avec un mélange de matériaux ayant différentes propriétés thermiques, de sorte que les effets thermiques s’annulent et donnent une valeur de résistance à peu près constante en ce qui concerne la température, dans la plage spécifiée.

En dehors de la plage de température spécifiée, la résistance d'une résistance peut et va diverger fortement de la valeur spécifiée.

Il est intéressant de noter que les résistances de précision équilibrent parfois la dépendance en température restante avec une dépendance en contrainte dimensionnelle: lorsque le substrat se contracte ou augmente en fonction de la température, la contrainte exercée sur l’élément résistif change de résistance, compensant pour une partie de la dépendance en température du résistif Matériel.

Un autre facteur est la synchronisation numérique à basse température. Les circuits numériques fonctionnent généralement plus rapidement à basses températures, mais la synchronisation des circuits peut échouer (par exemple, les registres internes peuvent échouer en raison de violations du temps de maintien), de sorte que le circuit ne fonctionnerait pas correctement. Sur un ordinateur portable, le disque dur ne fonctionnerait probablement pas en raison de problèmes mécaniques (par exemple, les têtes ne sont pas correctement alignées sur les pistes).

En général, plus froid rend les jonctions semi-conductrices plus rapides, et plus froid est meilleur. -50C est assez modeste, les gros problèmes arrivent beaucoup plus bas.

Mais beaucoup peut aller mal. Le cycle de température pendant la journée peut entraîner des contraintes thermiques. La condensation peut survenir et causer de réels problèmes, en particulier lorsqu'une surface froide rencontre de l'air chaud et humide.

Votre question est donc vraiment incomplète. Si stocké dans une chambre thermique à -50 ° C, votre ordinateur portable serait probablement assez heureux indéfiniment. Mais si on entre et sort de -50C, il y a beaucoup de place pour des problèmes. La température absolue est un facteur, de même que la plage d'humidité, la plage de températures et l'ampleur du choc physique à basse température.