Pourquoi la plage de température des produits industriels et militaires est-elle si élevée?

D'après Wikipedia, la plage de température commune aux composants électriques est la suivante:

Commercial: 0 à 70 ° C

Industriel: -40 à 85 ° C

Militaire: -55 à 125 ° C

Je peux comprendre la partie inférieure (-40 ° C et -55 ° C), car ces températures existent dans les pays froids comme le Canada ou la Russie, ou à haute altitude, mais la partie supérieure (85 ° C ou 125 ° C) est un peu déroutant pour certaines parties.

Le chauffage des transistors, des condensateurs et des résistances est très compréhensible, mais certains circuits intégrés ont une génération de chaleur à peu près constante (comme les portes logiques)

1. Si je considère un microcontrôleur ou opère dans un désert du Sahara à une température ambiante de 50 ° C (je ne sais pas s'il y a une température plus élevée sur terre), pourquoi aurais-je besoin de 125 ° C ou de 85 ° C? La chaleur accumulée par la perte de puissance à l'intérieur ne devrait pas être de 50 ° C ou de 70 ° C, sinon la pièce commerciale tomberait immédiatement en panne, par exemple dans un environnement à 25 ° C?

2. Si je vis dans un climat tempéré où les températures ne peuvent fluctuer que de 0 à 35 ° C toute l'année, et si je conçois des produits industriels pour le même pays (sans exportation), je pourrais utiliser des composants de qualité commerciale , et la responsabilité existe et seule l’éthique technique régit vos actions)?

La température maximale que le silicium peut expérimenter peut être bien supérieure à la température ambiante. 50 ° C ambiant arrive certainement. C'est seulement 122 ° F. J'ai personnellement vécu cela dans le refuge de Kofa Wildlife au nord de Yuma, en Arizona. Vous devez concevoir au pire des cas, pas des cas de vœux. Supposons donc que la température ambiante puisse être de 60 ° C (140 ° F).

Ce n'est pas un problème en soi, mais vous ne l'obtenez pas tout seul. Prenez le même thermomètre qui lit 60 ° C à l'air libre et placez-le dans une boîte en métal posée au sol au soleil. Il va faire beaucoup plus chaud.

J'ai vu quelqu'un faire frire un œuf sur le capot d'une voiture au soleil à Phoenix AZ. Certes, c’était un coup monté délibérément à cet effet. La voiture était garée à angle droit, le capot était incliné à angle droit et peint en noir. Cependant, cela montre toujours qu'un simple morceau de métal assis au soleil peut devenir très chaud.

Une fois, j'ai laissé une voiture garée à l'aéroport de Las Vegas pendant quelques jours. J'avais laissé un de ces stylos à bille "bâton" bon marché sur le tableau de bord, qui dépassait en partie sur le côté. À mon retour, le stylo était plié à 90 ° au-dessus du bord du tableau de bord. Je ne sais pas à quelle température de tels stylos fondent, mais il est clair que la température ambiante est beaucoup plus élevée que la température ambiante dans des conditions suffisamment communes dans une boîte fermée.

Si vous laissiez au soleil un morceau d’électronique grand public sur le tableau de bord au soleil et que cela ne fonctionnait pas, vous seriez probablement un peu irrité, puis jetez-le et remplacez-le. Si le contrôleur de votre pompe à huile cessait de fonctionner en été parce qu'il faisait trop chaud, vous perdriez beaucoup d'argent, vous seriez très contrarié et vous achèteriez probablement le remplacement auprès d'une autre société qui prend la qualité plus au sérieux. Si votre système de défense antimissile cessait de fonctionner parce que vous l'aviez déployé dans le désert de l'Irak, au lieu de disposer d'une plage d'essai agréable et confortable dans le Massachusetts où il avait été développé, vous seriez mort. Les responsables des achats qui ne se font pas virer feront très attention à exiger que tous les appareils électroniques fonctionnent à haute température et insisteront pour que ces appareils soient testés dans ces conditions.

Tout d'abord, le matériel militaire coûte cher. Vous pouvez vous permettre de tester réellement des températures élevées uniquement si votre client est disposé à payer. Les clients militaires ont tendance à avoir des budgets que les gens normaux ne peuvent que rêver.

Ensuite, évidemment, si vous mettez une puce dans un missile, vous ne voudrez peut-être pas que cette chose échoue si votre missile chauffe de son extrémité brûlante ou de son extrémité à friction d’air. Il en va de même pour les choses qui pourraient être placées dans un satellite, une fusée intercontinentale, etc.: dès que vous atteignez l'espace et que vous vous trouvez à l'ombre de la Terre, les choses peuvent vraiment devenir froide. Les secteurs militaire et aérospatial (qui sont généralement la plupart du temps des mêmes entreprises) sont l’endroit le plus typique d’un appareil capable de résister à beaucoup d’accélérations, d’être chaud-froid-chaud-froid-chaud en quelques secondes, encore bien intégré et léger, et où les coûts n'ont pas beaucoup d'importance par rapport au risque:

La principale différence (hormis la façon dont la gestion de la température est effectuée physiquement), cependant, est simplement que ces trois groupes d'applications effectuent un type différent d'évaluation des risques:

• Périphérique grand public / commercial : 1/5 000 de vos téléviseurs échouent dans les cinq ans en raison de la cuisson prolongée de certains circuits intégrés. Mauvaise chose. De nombreux clients vont simplement en obtenir un nouveau. Pour les 1/10 000 clients restants, vous devrez faire du service (calculez cela dans le coût de votre produit) ou vivre avec une image dégradée (ce que vous n’avez pas vraiment besoin, car vos concurrents font de même). Donc, avoir plus de marge de sécurité dans vos conceptions n'a pas beaucoup de sens, il suffit de tester des composants à la limite des conditions environnementales supposées. Vous êtes sur un marché où le prix est le facteur le plus important et où le taux d'échec concerne principalement les finances du fabricant.
• Appareil de qualité industrielle : Votre client est une personne qui gère une chaîne de production potentiellement très coûteuse. Supposons que la chaîne de production de Volkswagen reste immobile pendant 8h car votre circuit intégré n'a pas fonctionné. C'est un montant très solide de perte que vous venez de causer. VW sera prêt à débourser davantage pour s’assurer que ses fournisseurs s’assurent que vous avez testé les composants pour tous les environnements susceptibles de se produire, et même bien au-delà, pour que ce risque reste gérable.
• Appareil de qualité automobile : des vies humaines sont en jeu. Ce n'est pas aussi important que le fait que les voitures vibrent comme l'enfer, soient complexes comme l'enfer, deviennent partiellement chaudes comme l'enfer, et sont déployées par millions , ce qui signifie que le fait de savoir que chaque composant chauffe un peu de manière fiable (même s'il s'agit simplement Quelque chose de non critique pour la sécurité) signifie que vous devrez peut-être effectuer l'entretien de nombreuses voitures, ce qui est vraiment coûteux, et vous risquez en fait de porter atteinte à votre image de marque. Chaque pays a ses propres préjugés contre "ce constructeur automobile avec une fiabilité médiocre et des composants électroniques défectueux", ce qui nuit gravement à leurs ventes.
• appareil de qualité militaire : Eh bien, la promesse de l’armée est d’être prête à tout moment. Ils ne risquent rien d’échouer simplement parce qu’ils n’ont pas demandé à tous les fournisseurs de respecter les normes environnementales les plus extrêmes. C’est comme cela qu’ils roulent - ne laissez rien courir au risque, surtout si votre application est chère de toute façon (pensez à des avions de combat) ou déployée par dizaines de milliers et est toujours critique à la vie et à la mission (pensez à du matériel de communication militaire).

Les équipements militaires (et aérospatiaux en général) sont souvent:

1. Dans une baie non pressérisée, le refroidissement de l'équipement se fait par conduction. Le refroidissement par convection perd son sens à 30 000 pieds car il y a très peu de molécules d’air pour transférer de la chaleur par convection. Il est beaucoup plus difficile de transférer efficacement la chaleur par conduction uniquement.

2. Dans une zone d'éblouissement (pensez juste sous la verrière d'un avion de chasse) et cette zone peut être très chaude.

3. Dans une baie où la température ambiante peut dépasser 70 ° C.

4. Dans le bord d'attaque d'une aile, la température peut varier de givrage (très au-dessous de zéro) à très chaude (à Mach 2 environ), le frottement des quelques molécules disponibles est encore très élevé, c'est pourquoi la navette spatiale avait élaboré une gestion de la chaleur pour la rentrée).

Il n’est pas inhabituel d’avoir une température requise au bord de la carte de 85 ° C pendant de courtes périodes (généralement 30 minutes) et il n’est pas très difficile pour le processeur (pour ne nommer qu’un type de périphérique) d’augmenter la température de la jonction à 120 ° C ou plus.

En résumé, les environnements militaire et aérospatial sont très durs (tout comme les applications en profondeur).

Comme l'ont noté d'autres personnes, des pièces de qualité militaire entièrement qualifiées peuvent être coûteuses (jusqu'à 10 fois le coût de l'équivalent commercial et parfois plus); en réponse à cela, certains fabricants ont mis en place des programmes de filtrage pour les pièces en plastique qui ont encore une prime, mais pas autant que les solutions précédentes.

[Mise à jour]

En réponse au commentaire sur les températures de bord de carte, voici un châssis typique refroidi par conduction:

La partie extérieure du châssis est connue sous le nom de paroi froide (où nous pouvons connaître la température) et il peut simplement s'agir de métal ou utiliser d'autres méthodes pour maintenir une température raisonnablement bien connue.

Maintenant, voici une carte typique, avec des échelles de chaleur:

Celles-ci sont souvent en aluminium (bon marché et avec des paramètres thermiques corrects) et les échelles sont en contact avec les bords latéraux de l’enceinte supérieure; comme il y aura un différentiel de chaleur entre l'extérieur et l'intérieur de la boîte, la température requise pour le circuit imprimé est définie sur cette échelle thermique interne, comme vous pouvez le voir au bord de la carte .

Comme la chaleur doit atteindre les composants à ce stade, il n’est pas rare que le circuit imprimé d’un composant chaud (processeur ou processeur graphique, par exemple) atteigne 95 ° C ou plus avec une température de bord de carte de 85 ° C (souvent un paramètre spécifique). exigence).

$0.4 \frac {W} {mK}$

Dans certaines situations, il peut être nécessaire d’utiliser des PCB gainés thermiquement, ce qui, bien que coûteux, peut être le seul moyen de dissiper la chaleur.

Plusieurs autres commentaires et réponses ont mentionné que les circuits électroniques doivent être dans des boîtiers et que leur propre production de chaleur les rend chauds. Cela n'a pas été assez souligné. Pour les équipements industriels, commerciaux et automobiles, les circuits électroniques doivent souvent être scellés dans des boîtiers bien fermés pour empêcher toute sorte de contaminants. De plus, des niveaux de puissance plus élevés sont courants. Il y a beaucoup de commandes de moteur, de commandes de chauffage de processus et d'actionneurs puissants de divers types. Les micro-contrôleurs doivent pouvoir fonctionner dans les mêmes enceintes avec ce type d'équipement. Dans les bâtiments commerciaux, les contrôleurs de moteur et les microcontrôleurs destinés au chauffage des équipements de ventilation et de réfrigération sont souvent installés dans des enceintes de toit non contrôlées par la température.

L'équipement industriel commun devient chaud à cause de sa propre chaleur. Une augmentation de température typique à l'intérieur d'une enceinte est de 20 à 30 degrés C. Si elle est installée dans un bâtiment sans climatiseur, la température atteint facilement 70 à 80 degrés, et parfois même une plage industrielle n'est pas suffisante. Dans de tels cas, tous les types de refroidissement sont utilisés: convection passive, convection forcée, refroidissement par eau, etc.

Pourquoi sont-ils si haut? parce que l'environnement est élevé et que tout ne sera pas assis dans un environnement agréable à température contrôlée ... Les humains en ont besoin, l'électronique ne prend pas un avion ... les pièces attachées au capot moteur connaîtront une température ambiante de 85 ° C. En altitude, certaines parties du fuselage feront l'expérience de -55 ° C.

Tout est question de test de rodage. La plaquette de silicium présente certains défauts lors de la fabrication et chaque élément doit subir un contrôle final. Par conséquent, ils ont une soi-disant chambre de combustion pour les tests (je ne sais pas pour l'existence du gel, probablement pas nécessaire) où différentes températures sont définies, en fonction de la destination du marché.

En consommation, la plupart des CI survivent également en cas de défaut. Dans l'industrie, ceux avec une grande plaquette défectueuse échoueront, dans la salle d'incendie militaire, ceux avec juste un petit défaut échoueront.

Donc, si vous avez de la chance, vous pouvez obtenir une part de consommateur digne de l'armée. J'ai oublié de mentionner que le test est généralement destructif pour les pièces défectueuses.

À mon avis, vous posez 3 questions. Une question principale et 2 sous-questions (1,2).

La réponse à la question principale est que les produits industriels et militaires peuvent effectivement rencontrer la plage de température spécifiée, et les utilisateurs veulent être assurés que les produits ne risquent pas d'échouer. s'ils sont utilisés dans la plage de température donnée.

La réponse à la sous-question 1 est qu'il faut prendre en compte deux paramètres supplémentaires : a) la dissipation de puissance, b) la marge de sécurité.
Pour qu'une puce puisse dissiper de l'énergie, sa température ambiante doit être inférieure de 35 ° C à sa température intérieure. En outre, il convient de prévoir une marge de sécurité inférieure de 25 ° C à la température maximale requise. Pour tenir compte de ces exigences, un produit destiné à être utilisé avec une température ambiante de 50 ° C doit pouvoir fonctionner à au moins 110 ° C (50 + 35 + 25). Ainsi, exiger des composants qui fonctionnent à 125 ° C semble très raisonnable.

La réponse à la sous-question 2 est non , vous ne devriez pas utiliser de composants de qualité commerciale , cela ne laisse aucune marge de sécurité ! Vous devez utiliser une qualité industrielle ou supérieure.

La réponse simple (sur le point chaud, sur lequel votre question est centrée) qui est au mieux intégrée à certaines des réponses existantes est que la dissipation de puissance de l’appareil peut facilement amener la température de l’appareil jusqu’à (ou au-delà) de la valeur nominale. Température. Le travail des concepteurs est d’essayer de garder l’appareil dans une plage fonctionnelle; Si l'appareil est conçu pour 50C et fonctionne dans un environnement 50C, il ne peut dissiper AUCUNE puissance, il ne peut donc pas fonctionner sans système de refroidissement actif.

Un dispositif 125C dans le même 50C a une marge thermique de 75 ° C, ce qui permet de dissiper l’alimentation quelle que soit la résistance thermique appliquée au système.

Une autre raison est: parce qu'ils peuvent être!

Pour les applications spatiales, ils l'aiment sûrement plus haut (pour une température beaucoup plus basse).

Editer à cause d'un vote négatif inexpliqué:

Peut-être que cette réponse était trop courte pour quelqu'un. Laissez-moi vous expliquer un peu plus.

Voici une page donnant également des indications.

• La limite supérieure du silicium lui-même est généralement de 150 ° C. La limite de l'emballage ne peut donc pas être comprise entre 150 ° C et 125 ° C, ce qui est raisonnable si l'emballage et la consommation électrique le permettent.
• La limite inférieure du silicium lui-même correspond, selon le lien ci-dessus, à environ -117 ° C (100 ° C). En pratique trop éloigné du point de conception des circuits intégrés.
• Si les limites des circuits commerciaux et industriels sont plus grandes, la question économique se pose alors: il faudrait jeter plus d'appareils. Encore une fois - pour que les produits restent économiquement intéressants pour les applications commerciales et industrielles, les limites d’utilisation doivent être limitées - elles ne peuvent pas être économiquement plus élevées (ce qui est moins vrai aujourd’hui que par le passé lorsque ces limites ont été définies).
• Il n'y a pas d'espace parce que le marché est petit et aussi parce qu'ils ont appris à travailler avec les autres classes - par exemple, l'électronique est placée au centre du satellite où la température est dans les limites et ne varie pas trop. Ils utilisent également des conceptions spécifiques - des dispositifs durcis par les radiations en particulier [les radiations peuvent atteindre le cœur du satellite] et une technologie moins exposée aux radiations.