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

Desde Wikipedia, el rango de temperatura común para componentes eléctricos es:

Comercial: 0 a 70 ° C

Industrial: -40 a 85 ° C

Militar: -55 a 125 ° C

Puedo entender la parte inferior (-40 ° C y -55 ° C) ya que estas temperaturas existen en países fríos como Canadá o Rusia, o en grandes altitudes, pero la parte superior (85 ° C o 125 ° C) es un poco confuso para algunas partes.

El calentamiento de transistores, condensadores y resistencias es muy comprensible, pero algunos circuitos integrados tienen una generación de calor baja aproximadamente constante (como las puertas lógicas)

1. Si estoy considerando un microcontrolador u operado en un desierto del Sahara a una temperatura ambiente de 50 ° C (no sé si hay una temperatura más alta en la tierra), ¿por qué necesitaría 125 ° C u 85 ° C? El calor acumulado por la pérdida de energía en el interior no debe ser de 50 ° C o 70 ° C, de lo contrario, la parte comercial podría fallar inmediatamente, por ejemplo, en un entorno de 25 ° C

2. Si vivo en un clima moderado donde las temperaturas solo pueden fluctuar en el rango de 0–35 ° C durante todo el año, y diseñando productos industriales solo para el mismo país (sin exportación) podría usar componentes de grado comercial (suponiendo que no haya certificación, legislación y la responsabilidad existe y solo la ética de la ingeniería rige sus acciones)?

La temperatura máxima que experimenta el silicio puede ser mucho más que la ambiente. La temperatura ambiente a 50 ° C ciertamente sucede. Eso es solo 122 ° F. Personalmente, he experimentado eso en el refugio Kofa Wildlife al norte de Yuma, Arizona. Necesita diseñar para el peor de los casos, no para el caso deseado. Digamos que la temperatura ambiente puede ser de 60 ° C (140 ° F).

Eso por sí solo no es un gran problema, pero no lo entiendes solo. Tome el mismo termómetro que lee 60 ° C al aire libre y póngalo en una caja de metal sentada en el suelo al sol. Va a hacer mucho más calor.

He visto a alguien freír un huevo en el capó de un automóvil al sol en Phoenix AZ. De acuerdo, este fue un truco deliberadamente creado para este propósito. El auto estaba estacionado en el ángulo correcto, el capó estaba inclinado en el ángulo correcto y estaba pintado de negro. Sin embargo, todavía muestra que solo un trozo de metal sentado 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 en el tablero, sobresaliendo en parte por el costado. Cuando regresé, el bolígrafo estaba doblado a 90 ° sobre el borde del tablero. No sé a qué temperatura se derriten estos bolígrafos, pero claramente hace mucho más calor que el ambiente en condiciones suficientemente comunes en una caja cerrada.

Si dejaste una pieza barata de electrónica de consumo en el tablero al sol y no funcionó, probablemente estarías un poco irritado, tírala y reemplázala. Si el controlador de su bomba de aceite dejara de funcionar en verano porque hacía demasiado calor, perdería mucho dinero, estaría bastante molesto y probablemente compraría el reemplazo de una compañía diferente que se toma más en serio la calidad. Si su sistema de defensa antimisiles dejó de funcionar porque lo desplegó en el desierto de Irak en lugar de un agradable y cómodo campo de pruebas en Massachusetts, donde se desarrolló, estaría muerto. Los oficiales de adquisiciones que no sean despedidos serán muy cuidadosos al exigir que todos los dispositivos electrónicos funcionen a altas temperaturas e insistirán en que se realicen pruebas bajo esas condiciones.

En primer lugar, el equipo militar es costoso. Puede permitirse probar las cosas para detectar altas temperaturas solo si su cliente está dispuesto a pagar. Los clientes militares tienden a tener presupuestos con los que las personas normales solo pueden soñar.

Entonces, obviamente, si coloca un CI en un misil, es posible que no quiera que eso falle si su 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 llegue al espacio y esté a la sombra de la tierra, las cosas pueden ponerse realmente frías. Militar y aeroespacial (que generalmente son en su mayoría las mismas compañías) son el lugar típico en el que esperaría que un dispositivo resista una gran cantidad de aceleración G, sea caliente-frío-caliente-frío-caliente en segundos, aún debe ser extremadamente bien integrado y liviano, y donde los costos simplemente no importan mucho en comparación con el riesgo:

Sin embargo, la principal diferencia (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 tiempo. Cosa mala. Muchos clientes recibirán uno nuevo. Para los 1 / 10,000 clientes restantes, tendrá que hacer el servicio (calcular eso en el costo de su producto) o vivir con una imagen degradada (que realmente no tiene que hacerlo, 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 borde de las condiciones ambientales asumibles. Estás en un mercado donde el precio es 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 buscando una línea de producción posiblemente muy costosa para su producto. Digamos que la línea de producción de Volkswagen se detiene durante 8 h porque su IC no funcionó. Esa es una cantidad muy sólida de pérdida que acaba de causar. VW estará dispuesto a pagar más solo para asegurarse de que sus proveedores se aseguren de que haya probado los componentes para todos los entornos que puedan ocurrir, y un poco más allá, para mantener ese riesgo manejable.
• dispositivo de grado automotriz : vidas humanas están en juego. Eso no es tan importante como el hecho de que los autos vibran como el infierno, son complejos como el infierno, se calientan parcialmente como el infierno y se despliegan en millones , lo que significa que cualquier componente se calienta un poco para funcionar de manera confiable (incluso si es solo algo que no es crítico para la seguridad) significa que es posible que necesite reparar muchos automóviles, lo cual es realmente costoso, y realmente arriesga su imagen de marca. Cada país tiene sus propios prejuicios contra "ese fabricante de automóviles con mala fiabilidad y mala electrónica", y está perjudicando seriamente sus ventas.
• dispositivo de grado militar : Bueno, la promesa de los militares es estar listos cuando sea para lo que sea. Ellos no arriesgar nada no sólo porque no pidieron a todos los proveedores para cumplir con las especificaciones ambientales extremas. Así es como funcionan: no dejen nada en riesgo, especialmente si su aplicación es cara como el infierno de todos modos (piense en aviones de combate) o se despliega en decenas de miles y sigue siendo crítica para la vida y la misión (piense en el equipo de comunicación militar).

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

1. En una bahía sin presión, lo que significa que el equipo se enfría por conducción. El enfriamiento por convección pierde significado a 30,000 pies ya que hay muy pocas moléculas de aire para transferir calor por convección. Es mucho más difícil transferir efectivamente el calor solo por conducción.

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

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

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

No es inusual tener un requisito de temperatura del borde de la tarjeta de 85 ° C durante períodos cortos (30 minutos generalmente) y no se necesita mucha actividad del procesador (por 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 realmente duros (al igual que las aplicaciones de fondo de pozo)

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

[Actualizar]

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

La parte exterior del chasis se conoce como una pared fría (donde podemos conocer la temperatura) y puede ser simplemente de metal o tener otros métodos para mantener una temperatura razonablemente conocida.

Ahora aquí hay una tarjeta típica, con escaleras de calor:

A menudo están hechos de aluminio (es barato y tiene parámetros térmicos decentes) y las escaleras están en contacto con los bordes laterales del gabinete de arriba; Como habrá un cierto diferencial de calor entre el exterior y el interior de la caja, la temperatura que soporta el requisito de PCB se establece en esta escalera de calor interna, que es, como puede ver en el borde de la tarjeta .

Como el calor debe llegar desde los componentes hasta este punto, no es inusual que la PCB en un componente caliente (como un procesador o GPU) llegue a 95 ° C o más con una temperatura de borde de tarjeta de 85 ° C (que a menudo es una temperatura específica) requisito).

$0.4 \frac {W} {mK}$

En algunas situaciones, es posible que necesitemos usar PCB revestidos térmicamente, que aunque son caros, pueden ser la única forma de sacar el calor.

Varios otros comentarios y respuestas han mencionado que los circuitos electrónicos deben estar en gabinetes y que su propia producción de calor hace calor allí. Eso no ha sido lo suficientemente estresado. Para los equipos industriales, comerciales y automotrices, los circuitos electrónicos a menudo deben sellarse 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 calentamiento de procesos y potentes actuadores de varios tipos. Los microcontroladores deben poder operar en los mismos recintos con ese tipo de equipo. En edificios comerciales, los controladores de motores y microcontroladores para calentar equipos de ventilación y refrigeración a menudo se instalan en recintos de techos que no tienen temperatura controlada.

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

¿Por qué son tan altos? porque el ambiente es alto y no todo estará en un ambiente agradable con temperatura controlada ... Los humanos lo necesitan, la electrónica no toma una aeronave ... las piezas conectadas a la cubierta del motor experimentarán un ambiente de 85C. En altitud, partes del fuselaje experimentarán -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 llamada cámara de quemado para pruebas (no sé por la existencia de congelación, probablemente no necesaria) donde se establecen diferentes temperaturas, según el destino del mercado.

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

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

Según 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 en realidad pueden experimentar el rango de temperatura especificado, y los usuarios quieren estar seguros de que los productos no fallarán , si se usan 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 energía, su temperatura ambiente debe ser 35C más baja que su temperatura interna. Además, se debe permitir un margen de seguridad de 25 ° C más bajo que la temperatura máxima requerida. Para tener en cuenta estos requisitos, un producto que se utilizará 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 operen a 125 ° C parece muy razonable.

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

La respuesta simple (en el lado positivo, que es donde se enfoca su pregunta) que se agrega a algunas de las respuestas existentes es que la disipación de energía del dispositivo puede elevar fácilmente la temperatura del dispositivo (o más allá) temperatura. El trabajo de los diseñadores es tratar de mantener el dispositivo en un rango funcional; Si el dispositivo está clasificado para 50 ° C y funciona en un entorno de 50 ° C, no puede disipar NINGUNA potencia, por lo que en realidad no puede funcionar sin algún sistema de enfriamiento activo.

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

Otra razón es: ¡porque pueden ser!

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

Editar debido a un voto negativo inexplicable:

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

Aquí hay una página que da algunas indicaciones también.

• El límite superior del silicio real en sí es típicamente 150 ° C. Por lo tanto, el límite del paquete no puede ser 150 ° C - 125 ° C es un límite razonable si el embalaje y el consumo de energía lo permiten.
• El límite inferior del silicio real en sí está de acuerdo con el enlace anterior de aproximadamente -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 tendrían que tirar más dispositivos. Por lo tanto, una vez más, 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 espacial 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 usan 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.