Température de fonctionnement minimale - Espace extra-atmosphérique?

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J'ai observé des microcontrôleurs et j'ai constaté qu'ils présentaient des températures de fonctionnement minimales "étranges", telles que -25 degrés ou -10 degrés, etc. Mais je ne comprends pas vraiment pourquoi il existe un minimum, un maximum. Je comprends, car tout fond et casse, la résistance augmente, rendant les signaux trop faibles. Mais quand tu vas du côté froid. Tout devient de mieux en mieux, la résistance diminue, tout devient plus stable. Mais pourtant ... la température minimale de fonctionnement est de -25 degrés ... Pourquoi ne s'agit-il pas de 0 Kelvin?

Parce que je pensais au mars-rover et à d'autres satellites, quand ils sont derrière le soleil, ils fonctionnent à près de 0-50 kelvin, le mars-rover ... selon wiki, il fait aussi froid que -87 ° C (- 125 ° F). Et il fait encore beaucoup plus froid que -25 degrés.

Alors, quelqu'un peut-il m'expliquer pourquoi les microcontrôleurs ont une température de fonctionnement minimale? Le plus complet le mieux.

Harry Svensson
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-25 n'est probablement pas assez froid pour que l'espace dépende du véhicule, etc. De plus, je doute que votre microcontrôleur soit extrêmement dur, de sorte qu'il ne durera pas très longtemps de toute façon. Mais pensez à une chaîne stéréo automobile en Alaska ou à Cananda, ou à un autre appareil susceptible de refroidir mais qui devrait encore fonctionner. La matrice se réchauffera rapidement, mais l’air, etc., prendra un certain temps. Les pièces commerciales se verrouillent si elles deviennent trop froides, puis fondent si vous ne détectez pas le tirage au courant et ne les désactivez pas.
old_timer

Réponses:

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2e édition! Modifié ma réponse à propos des semi-conducteurs sur la base de la réponse de jk ci-dessous, lisez l'historique si vous voulez voir les mauvais bits que j'ai modifiés!


Tout devient étrange dans certaines limites. Je veux dire, bien sûr, la résistance s’améliore dans les conducteurs, mais elle augmente dans les semi-conducteurs, et ce changement affecte le fonctionnement du CI. Rappelez-vous que la façon dont les transistors fonctionnent vous permet de modifier leur résistance. Si la température baisse si bas que vous ne pouvez plus diminuer leur résistance, vous avez un problème! Imaginez que votre semi-conducteur devienne soudain une résistance ... Comment le contrôlez-vous? Il ne se comporte plus de la même manière! Maintenant, je suis un peu confus quant à l’obtention de la température de -25 ° C, car les spécifications industrielles / militaires devraient la fixer à -40 ° C pour la température minimale de fonctionnement.

Mais pour la question de l'espace, je peux répondre à cette question en travaillant dans un laboratoire spatial! En général, vous avez trois problèmes thermiques dans l’espace:

1) Dans l'espace, vous ne rayonnez que de la chaleur. Le rayonnement est un moyen terrible de se débarrasser de la chaleur. Dans l'atmosphère, vous conduisez la chaleur dans l'air autour de vous, ce qui facilite beaucoup le refroidissement. Donc, dans l’espace, il faut mettre de gros dissipateurs thermiques pour que la chaleur pénètre dans des surfaces radiatives plus grandes.

2) Si vous avez un composant qui ne génère pas de chaleur, l’espace se fera un plaisir de vous laisser refroidir! En général, ce que vous faites est que vous avez des éléments chauffants actifs pour conserver les composants qui ne génèrent pas plus de chaleur qu'ils ne rayonnent mais qui ont des limites thermiques.

3) Les fluctuations de chaleur sont courantes car vous sortez et entrez de nouveau dans les rayons du soleil. Ainsi, vous devez avoir une gestion thermique active avec un grand dissipateur thermique qui peut émettre de la chaleur quand il fait chaud et un appareil de chauffage quand ce n’est pas le cas.

Vous pouvez également obtenir des appareils à plage de température étendue qui vont de plus en plus bas, mais il y a toujours une limite. Certains d'entre eux sont destinés aux endroits où la température froide fissurera la matrice car le métal rétrécira plus que le plastique (ou l'inverse), raison pour laquelle ils indiquent également les limites de stockage!

La limite est principalement dans les matériaux. Vous avez également tendance à utiliser des copeaux en céramique pour l’emballage, qui peuvent également augmenter ou diminuer les limites thermiques.

Quoi qu'il en soit, j'espère que cela vous l'explique. Je peux essayer de répondre à d’autres questions, mais j’admettrai que la physique des semi-conducteurs à basse température n’est pas mon fort!


1ère édition:

Voici un lien vers une entrée de Wikipédia sur l’idée qu’à des températures plus basses, il y a moins d’électrons excités suffisamment pour générer un flux de courant à travers un réseau de semi-conducteurs. Cela devrait vous donner une bonne idée de la raison pour laquelle la résistance devient plus élevée et pourquoi 0 Kelvin n'aurait jamais été une option.

Kit Scuzz
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Lecture intéressante! Je pense en effet que les fils de liaison se briseront dans les emballages en plastique à cause du rétrécissement.
Jippie
La contrainte CTE sur le fil de liaison en or est un facteur inférieur au gel. Expansion de l’humidité lors du gel si une entrée en .. le cisaillait.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Ce n'est pas la température qui va tuer les circuits intégrés dans l'espace, c'est le rayonnement gamma dont vous devez vous soucier.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Toutes sortes de choses tueront les CI dans l'espace. Les verrous dus au rayonnement sont un sujet de préoccupation, mais ils ont déjà fait des tests et la petite taille de fabrication des transistors modernes les a rendus beaucoup plus résistants que les anciens circuits (assez curieusement). Mais de toute façon, je ne suis pas sûr que vous puissiez isoler une seule chose de l'environnement spatial et dire "CELA! C'est la chose qui rendra la tâche difficile." Tout est difficile (il ne s'agit même pas de problèmes de dégazage qui rendent les connecteurs revêtus de zinc un choix terrible), et tout est mis en œuvre pour vous faire monter là-haut. L'espace est difficile!
Kit Scuzz
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Dans une atmosphère, non seulement vous conduisez la chaleur dans l'air, mais vous utilisez également la convection pour évacuer cet air chaud de la source de chaleur. Deux méthodes de refroidissement pour le prix d'un ... qui se trouve être gratuit.
MBraedley
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La réponse de Kit est sans équivoque sur les composants de l'espace, mais je pensais développer un peu les semi-conducteurs par rapport aux conducteurs (très vaguement sans calculs).

La résistance des conducteurs diminue avec une chute de température. Ceci est vaguement dû au fait que la résistance provient du fait que les électrons circulant librement sont ralentis par les vibrations du réseau cristallin dans lequel ils circulent. Baisser la température signifie moins les vibrations.

La résistance des semi-conducteurs augmente avec une baisse de température. C’est vaguement parce qu’ils n’ont pas d’électrons libres pour supporter la charge aux basses températures. Au fur et à mesure qu'ils sont chauffés, ils reçoivent davantage de porteurs de charge, ce qui pèse une résistance supplémentaire due aux vibrations accrues dans la structure.

Enfin, les supraconducteurs reposent sur un phénomène quantique étrange. Soit à des températures très très froides et / ou en plaçant leurs électrons libres dans un film 2D plutôt que dans un solide 3D, ce qui permet à la physique de devenir plus étrange.

jk.
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Cela signifie-t-il que les composants électroniques sans semi-conducteurs seront généralement plus fiables que les composants électroniques à semi-conducteurs à des températures extrêmement basses?
Lie Ryan
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@LieRyan Cela ne dépend-il pas de ce que vous utilisez à la place? Par exemple, les tubes à vide fonctionnant dans un environnement à très basse température me semblent présenter un risque d'échec élevé en raison de la différence de température extrême entre l'intérieur (filaments) et l'environnement ambiant, à moins que d'autres mesures ne soient prises.
un CVn
Ouais, ça fait un moment que j'ai pris la physique des appareils ... Merci pour la correction!
Kit Scuzz
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ajouté L'Institut des systèmes de véhicules aérospatiaux (AVSI) a mené des recherches sur cette question.

"Approche quantitative précise de la physique des défaillances en matière de fiabilité des circuits intégrés" Leurs conclusions sont basées sur la physique et l'analyse des causes fondamentales, d'autant plus que la taille des caractéristiques a diminué de plusieurs ordres de grandeur au cours des 30 dernières années.

1) Electromigration (EM) (contamination du semi-conducteur par une fuite lente d'ions métalliques)

2) Rupture diélectrique en fonction du temps (TDDB) ou lent tunnel d'un chemin de conducteur à travers l'isolateur d'oxyde des champs faibles (et du rayonnement gamma)

3) Injection sur support chaud (HCI) , quand une concentration de trous saute une barrière diélectrique dans les pièges de charge utilisés par les cellules mémoire pour modifier de manière permanente l'état de la mémoire provoqué par le rayonnement érodant progressivement la marge jusqu'à l'échec.

4) L'instabilité de la température de polarisation négative (NBTI) Les contraintes NBTI, qui modifient les tensions de seuil des transistors PMOS, sont devenues plus évidentes lorsque les géométries des transistors atteignent 90 nm et moins et sont aggravées par des pièges de charge statiques de longue durée suffisants pour provoquer une défaillance.

Ces quatre raisons ci-dessus sont les plus courantes actuellement avec les CI à espace profond ainsi que les CI grand public. L'espace a plus de rayonnement et de facteurs de stress environnementaux. La loi de Moore a également accéléré ces nouveaux modes de défaillance.

Historiquement, la raison générique la plus répandue pour les CI à technologie ancienne était la plage de température limitée due au fonctionnement avec emballage et stress environnemental.

Choc thermique, condensation et évaporation rapide ainsi que les effets analogiques de la dérive thermique. Les CI grand public sont limités à 0 ~ 85 ° C dans les boîtiers en plastique pour cette raison même. Ce n'est pas une étanchéité parfaite et la pénétration d'humidité est possible. Mais même les circuits intégrés céramiques passivés avec du verre trempé ont des limites thermiques. Outre les problèmes d'humidité mentionnés ci-dessous, lisez les problèmes confirmés les plus récents ci-dessus.

Fin éditer

S'il y a suffisamment de molécules d'humidité au fil du temps et qu'il gèle et fissure le substrat, il échoue. S'il fonctionne correctement à l'état gelé avec des molécules d'humidité gelées, il se décongèle et provoque la corrosion ou des fuites et des défaillances. C'est ta faute. Certains joints en plastique sont légèrement meilleurs et l'auto-échauffement empêche certains de geler en-dessous de certaines températures, ce qui réduit également la migration de l'humidité.

À haut niveau, l'effet Popcorm provoque la formation d'humidité et la qualité de l'époxyde noir s'est nettement améliorée au cours des 40 dernières années grâce à Sumitomo. Clear Epoxy n'est pas aussi bon et utilisé dans certains cas de LED ou de dispositifs IR. Les LED doivent donc rester sèches avant de souder. Les conceptions modernes de gros moteurs à diodes électroluminescentes sans les fils dorés Whisker sont classées indéfiniment à une certaine humidité relative, tandis que les autres constituent un risque après quelques jours d'exposition libre à une humidité relative élevée. Vraiment, c’est un risque valable et aussi grave que de les blesser contre les décharges électrostatiques, sauf qu’il coupe le grillage dorée.

C’est la raison pour laquelle toutes les pièces de l’espace ou de la plage de température militaire ont tendance à être en céramique avec un revêtement en verre sur les conducteurs et les pièces grand public sont classées à 0 ° C.

Toutes les exceptions, telles que la plage de température industrielle et militaire, sont dues aux spécifications plus strictes requises pour les militaires sur une plage de température supérieure à celle de la gamme industrielle, mais elles fonctionnent toutes les deux sur une large plage, mais les spécifications analogiques ne sont pas garanties.

La CMOS fonctionne plus rapidement à froid qu'à chaud. Le TTL s'amuse plus vite que le froid et les températures de jonction chutent pour dissiper moins de chaleur. J'ai testé des unités de disque dur 8 "HDD sur un sac de neige carbonique <-40 ° C après une heure, rien que pour que l'armée puisse prouver que cela fonctionnait, mais aucune garantie contre la condensation empêchant un écrasement de la tête. secondes mais ... mais en passant à 0 ° C du gel en remontant ... c’est un risque d’humidité.


ajout de références de journal pour la preuve. Le facteur de fiabilité limitant qui affecte la température de TOUS les circuits intégrés (en particulier les puces de grande taille telles que les microcontrôleurs) est l’emballage mécanique plus que la fonction du semi-conducteur. Il existe des centaines d'articles sur la fiabilité pour expliquer cela. Il existe également des articles expliquant pourquoi il existe une variance des limites de basse température. Certains sont déclassés à partir de -40 ° C pour une bonne raison, et ceux étendus à partir de 0 ° C peuvent l'être pour de mauvaises raisons. Bien que cela ne soit pas explicitement indiqué que le profit est une raison, les ingénieurs débutants appliquent mal HALT de manière inappropriée pour étendre les gammes qualifiées, au risque de mal comprendre la migration chimique et les contraintes de structure existantes. Bien que les entreprises plus sages renonceront avec de bonnes raisons, que je soutiendrai avec les références ci-dessous.

1. Les propriétés hermétiquement scellées ne sont pas un phénomène numérique.

Il est analogique et concerne la quantité d'infiltration ou de fuite d'humidité créée de manière atomique dans un boîtier mécanique.
entrez la description de l'image ici Comme indiqué dans le lien ci-dessus

  1. "le dégazage interne peut induire la formation de condensation de gouttelettes d'eau, compromettant ainsi les performances du dispositif et conduisant finalement à une défaillance du dispositif." 2. "les phoques produits étaient initialement hermétiques, mais avaient tendance à échouer de manière catasophonique lors de trempages prolongés et de cycles thermiques dans une solution saline, en raison de la différence de CTE entre la paroi de la capsule en verre (5,5 × 10−6 / C) et les 90% Passage Pt – 10% Ir (8,7 × 10–6 / C). "

  2. "D'après le nomogramme de la figure 6, on peut constater qu'à 1 atm. Et à 0 ° C, la concentration en humidité nécessaire pour former des gouttelettes d'eau est de 6 000 ppm. À des niveaux inférieurs à ce pourcentage de vapeur d'eau, les gouttes liquides ne pourront pas Par conséquent, la plupart des matériaux et procédés d’étanchéité sont choisis de manière à maintenir l’environnement interne de l’emballage à une valeur égale ou inférieure à 5 000 ppm d’humidité pendant toute la durée de vie du dispositif. " Cependant, la contamination peut modifier cela. entrez la description de l'image ici

Je pourrais écrire un livre sur ce sujet, mais tant d’autres l’ont déjà fait. Je me contenterai donc de citer des ouvrages, ce qui prouvera que ma réponse est valable .

Mots-clés avec des liens

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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1
Je ne pense pas que cela représente la raison pour laquelle les circuits ne fonctionneront pas en dessous d'une certaine température. C’est certainement pour cette raison que les cycles de température des circuits d’assistance mettent fin à leurs vies et que l’humidité posera des problèmes lors de la fabrication, mais ce n’est pas ce que la question demandait ...
Kit Scuzz
Pas seulement pendant mais après. Je ne fais que répondre à votre question. Voir la preuve ajoutée à ma réponse. La pénétration d'humidité, les contraintes, le CTE, etc. et l'emballage sont les limitations fonctionnelles de tous les circuits intégrés avant les limites théoriques discutées précédemment. J'essaie de rester enraciné et pertinent.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Je ne nie pas que votre réponse est valide et je n'essaie pas d'être méchant! (désolé si je m'en sors comme ça) La pénétration d'humidité lors des cycles de température et de fabrication est un problème qui peut causer beaucoup de problèmes. J'essaie de dire que cela ne répond pas à la question posée dans ce fil, qui est "pourquoi y a-t-il une température de fonctionnement minimum?"
Kit Scuzz
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Je ne crois pas que le processeur c6701 de TI, durci aux radiations, indique une température minimale de -55 ° C en raison de problèmes d'humidité. Si j'ai un c6701 dans un satellite en orbite GEO où il n'y a plus d'humidité, il tombera à -70 ° C pour des raisons électriques et mécaniques indépendantes de l'humidité. Et je pense que le demandeur posait davantage de questions sur ce type de défaillance que sur la défaillance de l'humidité induite par le cyclage de la température (d'où la question spécifique concernant les systèmes spatiaux).
Kit Scuzz
Si vous aviez posé des questions sur une partie spécifique, j'aurais donné une réponse spécifique. Étant donné que votre question portait sur des technologies étranges à -10 ° C et d'autres circuits intégrés militaires non standard et sur des questions générales relatives à certains microprocesseurs, j'ai donné la réponse implicite généralement correcte. Si vous voulez une réponse pertinente sur un numéro de téléphone, posez une nouvelle question. BTW Je me souviens quand je payé 500 $ pour un Burr Brown 883B DAC hybride @ 12MHz qui avait l' inspection X-RAY etc et avait encore des codes manquants du bruit numérique de masse de pilotes binaires internes décalage de la tension de référence ... Pour votre information
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75