Temperatura mínima de funcionamiento: espacio exterior?

He estado mirando algunos microcontroladores y he visto que tienen temperaturas de funcionamiento mínimas "extrañas", como -25 grados o -10 grados, etc. Pero realmente no puedo entender por qué hay un mínimo, un máximo Entiendo porque todo se derrite y se rompe, la resistencia aumenta y las señales son demasiado débiles. Pero cuando vas al lado frío. Todo mejora y mejora, la resistencia se reduce, todo se vuelve más estable. Pero aún así ... la temperatura mínima de funcionamiento es de -25 grados ... ¿Por qué no es 0 Kelvin?

Debido a que estaba pensando en el mars-rover y otros satélites, cuando están detrás del sol están operando a casi 0-50 kelvin, el mars-rover ... según wiki hace tanto frío como -87 ° C (- 125 ° F). Y esto todavía es mucho más frío que -25 grados.

Entonces, ¿alguien puede explicarme por qué los microcontroladores tienen una temperatura mínima de funcionamiento? Cuanto más completo, mejor.

2nd Edit! Modifiqué mi respuesta sobre los semiconductores según la respuesta de jk a continuación, ¡lea el historial si desea ver los bits incorrectos que modifiqué!

Todo se pone raro dentro de ciertos límites. Quiero decir, claro, la resistencia mejora en los conductores, pero aumenta en los semiconductores, y ese cambio afecta el funcionamiento del CI. Recuerde que la forma en que funcionan los transistores se basa en que puede modificar su resistencia, y si la temperatura baja tanto que ya no puede disminuir su resistencia, ¡tiene un problema! Imagine que de repente su semiconductor se convirtió esencialmente en una resistencia ... ¿cómo lo controla? ¡Ya no se comporta de la misma manera! Ahora estoy un poco confundido sobre dónde está obteniendo los -25 ° C, ya que las especificaciones industriales / militares deberían ponerlo a -40 ° C para la temperatura mínima de funcionamiento.

Pero para la pregunta espacial, ¡puedo responder eso mientras trabajo en un laboratorio espacial! En general, tiene tres preocupaciones térmicas en el espacio:

1) En el espacio, solo irradias calor. La radiación es una forma terrible de deshacerse del calor. En la atmósfera, conduces calor al aire que te rodea, lo que facilita mucho el enfriamiento. Por lo tanto, en el espacio, debe colocar grandes disipadores de calor para obtener el calor en superficies radiantes más grandes.

2) Si tiene un componente que no genera calor, ¡entonces el espacio se alegrará de dejar que se enfríe! En general, lo que hace es tener elementos de calentamiento activos para mantener los componentes que no generan más calor del que irradian pero tienen límites térmicos.

3) Los cambios de calor son comunes porque saldrás y volverás a ingresar a los rayos del sol. Por lo tanto, debe tener una gestión térmica activa donde tenga un gran disipador térmico que pueda irradiar calor cuando hace calor, y un calentador para cuando no lo esté.

También puede obtener dispositivos de rango de temperatura extendido que van más y más bajo, pero casi siempre hay un límite. ¡Algunos de ellos son para donde la temperatura fría romperá el dado porque el metal se encogerá más que el plástico (o viceversa), por lo que también enumeran los límites de almacenamiento!

El límite es principalmente en materiales. También tiende a obtener chips con clasificación espacial hechos de cerámica para el embalaje, que también pueden aumentar o disminuir los límites térmicos.

De todos modos, espero que eso te lo explique. ¡Puedo intentar responder cualquier otra pregunta, pero admito que la física de los semiconductores de baja temperatura no es mi fuerte!

1ra Edición:

Aquí hay un enlace a una entrada de Wikipedia sobre la idea de que a temperaturas más bajas hay menos electrones que están lo suficientemente excitados como para generar un flujo de corriente a través de una red de semiconductores. Esto debería darle una buena idea de por qué la resistencia se vuelve más alta y por qué 0 Kelvin nunca hubiera sido una opción.

La respuesta de Kit es correcta sobre los componentes en el espacio, pero pensé en expandirme un poco en semiconductores vs conductores (muy libremente sin las matemáticas).

La resistencia de los conductores disminuye con una caída de temperatura. Esto es poco, porque la resistencia proviene de los electrones de flujo libre que se ralentizan por las vibraciones en la red cristalina por la que fluyen. Bajar la temperatura significa menos vibraciones.

La resistencia de los semiconductores aumenta con la caída de la temperatura. Esto se debe a que, en primer lugar, no tienen electrones libres para transportar carga a bajas temperaturas. A medida que se calientan, obtienen más portadores de carga y esto pesa más resistencia por el aumento de la vibración en la estructura.

Por último, los superconductores se basan en un extraño fenómeno cuántico. Ya sea a temperaturas muy muy frías y / o al tener sus electrones libres confinados a una película 2d en lugar de a un sólido 3d, lo que permite que la física se vuelva más extraña.

El Instituto de Sistemas de Vehículos Aeroespaciales (AVSI) agregó que ha realizado una investigación sobre esta cuestión.

"Enfoque cuantitativo preciso de la física de fallas para la confiabilidad de los circuitos integrados" Sus conclusiones se basan en el análisis de la física y la causa raíz, especialmente porque los tamaños de las características han reducido los órdenes de magnitud en los últimos 30 años.

1) ElectroMigration (EM) (contaminación de semiconductores por fuga lenta de iones metálicos)

2) Ruptura dieléctrica dependiente del tiempo (TDDB) o el túnel lento de un camino conductor a través del aislante de óxido desde campos débiles (y radiación gamma)

3) Inyección de portador caliente (HCI) , cuando una concentración de agujeros salta una barrera dieléctrica en las trampas de carga utilizadas por las células de memoria para alterar permanentemente el estado de memoria causado por la radiación que erosiona gradualmente el margen hasta el fallo.

4) Inestabilidad de temperatura de polarización negativa (NBTI) Las tensiones NBTI, que cambian los voltajes de umbral del transistor PMOS, se han vuelto más prominentes a medida que las geometrías del transistor alcanzan los 90 nm y menos, y se agravan con trampas de carga estáticas de larga duración lo suficiente como para causar fallas.

Estas CUATRO RAZONES anteriores son las más comunes ahora con circuitos integrados de espacio profundo, así como circuitos integrados de consumo. El espacio tiene más factores de radiación y estrés ambiental. La Ley de Moore también ha acelerado estos nuevos modos de falla.

Históricamente, la razón genérica más común de que los CI de tecnología antigua eran limitados en el rango de temperatura se debe al funcionamiento con embalaje y estrés ambiental.

El choque térmico, la condensación y la evaporación rápida, así como los efectos analógicos de la deriva térmica Consumer IC están limitados a 0 ~ 85 'C en cajas de plástico por esta misma razón. No es un sello perfecto y es posible la entrada de humedad. Pero incluso los circuitos integrados de cerámica pasivada de vidrio templado tienen límites térmicos. Además de los problemas de humedad indicados a continuación, lea los problemas confirmados más recientes arriba.

Finalizar edición

Si hay suficientes moléculas de humedad con el tiempo y se congela y agrieta el sustrato, falla. Si funciona bien en estado congelado con moléculas de humedad congeladas y luego se descongela y provoca corrosión o fugas y falla. Es tu culpa. Algunos sellos de plástico son ligeramente mejores y el autocalentamiento evita que algunos se congelen por debajo de ciertas temperaturas, esto también reduce la migración de humedad.

En el extremo superior, el efecto popcorm hace que la humedad sople virutas y el grado de epoxi negro ha mejorado significativamente en los últimos 40 años debido a Sumitomo. Clear Epoxy no es tan bueno y se usa en algunos casos de LED o dispositivos IR. Por lo tanto, los LED deben permanecer secos antes de soldar. Los diseños modernos de motores LED grandes sin los alambres de bigotes dorados tienen una determinada indeterminación de cierto RH @ Temp, mientras que el resto es un riesgo después de unos días de exposición abierta a un alto RH. Realmente es un riesgo válido y tan malo como herirlos ESD, excepto que corta el alambre de oro.

Esta es la razón por la cual todas las piezas de rango de temperatura militar o espacial tienden a ser de cerámica con revestimiento de vidrio en los cables y las piezas de consumo tienen una clasificación de 0 ° C.

Cualquier excepción, como el rango de temperatura industrial y militar, se debe a especificaciones más estrictas necesarias para militares en un rango de temperatura más amplio que el industrial, pero ambos funcionan en un rango amplio, pero no se garantizan especificaciones analógicas.

CMOS funciona más rápido en frío que en caliente. TTL se divierte más rápido que el frío y las temperaturas de unión disminuyen para disipar menos calor. He probado unidades de disco HDD de 8 "sobre una bolsa de hielo seco <-40'C después de una hora solo para que los militares demuestren que funciona, pero no hay garantías de que la condensación evite el choque de la cabeza ... (los cojinetes del motor chirriaron por unos segundos segundos aunque ... pero pasar 0'C de congelación subiendo ... eso es un riesgo de humedad.

referencias de revistas agregadas para prueba. El factor de confiabilidad limitante que afecta la temperatura de TODOS los circuitos integrados (especialmente los chips grandes, como los microcontroladores) es el embalaje mecánico más que la función del semiconductor. Hay cientos de artículos de fiabilidad para explicar esto. También hay artículos para explicar por qué hay una variación de los límites de baja temperatura. Algunos están rebajados de -40'C por una buena razón, y los extendidos desde 0'C pueden ser por malas razones. Aunque no se indicó explícitamente que el beneficio es la razón, los ingenieros junior aplican incorrectamente HALT de manera inadecuada para extender los rangos calificados en riesgo de malinterpretar la migración química y las tensiones estructurales que existen. Mientras que las compañías más sabias volverán a rebajarse con buenas razones, lo que apoyaré con las referencias a continuación.

1. Las propiedades herméticamente selladas no son un fenómeno digital.

Es análogo y se relaciona con la cantidad de ingreso o fuga de humedad que se introduce atómicamente en un paquete mecánico.
Como se indica en el enlace anterior

1. "la desgasificación interna puede inducir la formación de condensación de gotas de agua, lo que compromete el rendimiento del dispositivo y eventualmente conduce a la falla del dispositivo". 2. "los sellos producidos fueron herméticos inicialmente, pero tendieron a fallar catastróficamente durante el remojo prolongado y el ciclo de temperatura en solución salina debido a la diferencia en el CTE entre la pared de la cápsula de vidrio (5.5 × 10−6 / ◦C) y el 90% Pt – 10% Ir de paso (8.7 × 10–6 / ◦C) ".

2. "Del nomograma en la Fig. 6, se puede ver que a 1.0 atm y 0 ° C, la concentración de humedad necesaria para formar gotas de agua es de 6,000 ppm. A niveles por debajo de este porcentaje de vapor de agua, las gotas líquidas no podrán Por lo tanto, la mayoría de los materiales y procesos de sellado se seleccionan para mantener el entorno interno del paquete en o por debajo de 5,000 ppm de humedad durante la vida útil del dispositivo ". Sin embargo, la contaminación puede alterar esto.

Podría escribir un libro sobre este tema, pero muchos otros ya lo han hecho, por lo que me limitaré a hacer referencia a cierta literatura, lo que demostrará que mi respuesta es válida .

Palabras clave con enlaces

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