Почему температурный диапазон промышленной и военной продукции настолько высок?

Из Википедии общий температурный диапазон для электрических компонентов:

Коммерческий: от 0 до 70 ° C

Промышленный: от -40 до 85 ° C

Военные: от -55 до 125 ° C

Я могу понять нижнюю часть (-40 ° C и -55 ° C), поскольку эти температуры существуют в холодных странах, таких как Канада или Россия, или на больших высотах, но более высокая (85 ° C или 125 ° C ) немного запутывает некоторые части.

Транзисторы, конденсаторы и нагреватели резисторов очень понятны, но некоторые ИС имеют примерно постоянное низкое тепловыделение (например, логические ворота).

  1. Если я рассматриваю микроконтроллер или работаю в пустынях Сахары при температуре окружающей среды 50 ° C (я не знаю, есть ли более высокая температура на земле), зачем мне понадобиться 125 ° C или 85 Â ° C? Тепло, созданное от потери мощности внутри, не должно составлять 50 ° C или 70 ° C, иначе коммерческая часть не сработает сразу, например, в среде с температурой 25 ° C?

  2. Если я живу в умеренном климате, где температура может колебаться только в диапазоне 0-35 ° C круглый год, и проектирование промышленных продуктов только для одной и той же страны (без экспорта) я мог бы использовать коммерческие (при условии отсутствия сертификации, законодательства и подотчетности, и только инженерная этика регулирует ваши действия)?

36 голосов | спросил ElectronS 28 Mayam16 2016, 11:58:32

10 ответов


61

Максимальная температура кремния может быть намного больше, чем окружающая. Естественно, окружающая среда 50 ° C. Это всего лишь 122 ° F. Я лично испытал это в приюте дикой природы Кофы на севере Юмы Аризоны. Вы должны проектировать в худшем случае, а не в желаемом случае. Итак, допустим, окружающая среда может составлять 60 ° C (140 ° F).

Это само по себе не является проблемой, но вы этого не получаете сами. Возьмите тот же термометр, который читает 60 ° C на открытом воздухе и помещает его в металлическую коробку, сидящую на земле на солнце. Будет намного жарче.

Я видел, как кто-то жарил яйцо на капоте автомобиля на солнце в Phoenix AZ. Конечно, это был трюк, специально настроенный для этой цели. Автомобиль был припаркован под прямым углом, кусок капюшона наклонен под прямым углом и окрашен в плоский черный цвет. Тем не менее, он все еще показывает, что только часть металла, сидящего на солнце, может стать действительно горячей.

Однажды я оставил машину, припаркованную в аэропорту Лас-Вегаса на несколько дней. Я оставил одну из этих дешевых «ручных» шариковых ручек на приборной панели, частично торчащую сбоку. Когда я вернулся, перо было согнуто на 90 ° над краем приборной панели. Я не знаю, какая температура тает в таких ручках, но ясно, что в закрытом ящике она становится намного более горячей, чем окружающая среда.

Если вы оставили на приборной доске дешевую часть бытовой электроники на солнце, и это не сработало, вы, вероятно, немного раздражаетесь, а затем бросаете ее и заменяете. Если контроллер для вашего масляного насоса перестанет работать летом, потому что он становится слишком жарким, вы потеряете много денег, будете очень расстроены и, вероятно, купите замену у другой компании, которая воспринимает качество более серьезно. Если ваша система противоракетной обороны перестала работать, потому что вы развернули ее в пустыне Ирака, а не в каком-нибудь удобном испытательном полигоне в Массачусетсе, где она была разработана, вы были бы мертвы. Сотрудники по закупкам, которые не увольняются, будут особенно осторожны, чтобы потребовать, чтобы вся электроника работала при высокой температуре, и настаивайте на том, чтобы она проходила испытания в этих условиях.

ответил Olin Lathrop 28 Maypm16 2016, 15:24:13
50

Во-первых, военное оборудование дорого. Вы можете позволить себе действительно проверять вещи на высокие температуры, только если ваш клиент готов заплатить. Военные клиенты, как правило, имеют бюджеты, о которых нормальные люди могут только мечтать.

Тогда, очевидно, если вы поместите IC в ракету, вы можете не захотеть, чтобы эта вещь потерпела неудачу, если ваша ракета нагревается от ее горящего конца или от ее фрикционного конца. То же самое касается вещей, которые могут быть помещены на спутник, межконтинентальные ракеты и т. Д.: Как только вы нажмете космос и окажетесь в тени земли, все может стать холодным. действительно . Военные и аэрокосмические (обычно это одни и те же компании) - это типичное место, где вы ожидаете, что устройство выдержит много ускорений G, будет горячим холодным и горячим холодом в течение нескольких секунд, по-прежнему должно быть чрезвычайно хорошо интегрированный и легкий, и где затраты просто не имеют большого значения по сравнению с риском:

Основное отличие (помимо того, что управление температурой осуществляется физически), заключается в том, что эти три группы приложений проводят различную оценку риска:

  • устройство потребительского /коммерческого класса : 1/5000 ваших телевизоров терпят неудачу в течение пяти лет, потому что некоторые IC испекли в жару слишком долго. Плохо. Многие клиенты просто получат новый. Для оставшихся 1/10000 клиентов вам нужно будет сделать сервис (рассчитать стоимость вашего продукта) или жить с ухудшенным изображением (чего вам действительно не нужно, потому что ваши конкуренты делают то же самое). Таким образом, наличие большего запаса прочности в ваших конструкциях не имеет большого смысла, так же, как тестирование компонентов на край допустимых условий окружающей среды. Вы находитесь на рынке, где цена наиболее важна, а уровень сбоев в основном зависит от финансов производителя.
  • промышленное устройство . Ваш клиент - это тот, кто навешивает на ваш продукт дорожную производственную линию very . Предположим, что производственная линия Volkswagen стоит на 8 часов, потому что ваша IC не работает. Это очень сложная сумма потерь, которую вы только что вызвали. VW будет готова заплатить дополнительно, чтобы убедиться, что ее поставщики обязательно проверили компоненты для всех сред, которые могут произойти, и совсем немного дальше, чтобы этот риск был управляемым.
  • автомобильное устройство : на карту поставлены жизни человека. Это не так важно, как тот факт, что автомобили вибрируют, как ад, сложны, черт возьми, становятся частично горячими, как черт, и выкачиваются в million , что означает, что выяснение того, что какой-то компонент немного нагревается до работайте надежно (даже если это просто что-то некритическое для безопасности) означает, что вам может потребоваться обслуживание большого количества автомобилей, что действительно дорого, и вы рискуете своим изображением своего бренда. У каждой страны есть свои предрассудки против «того производителя автомобилей с дрянной надежностью и плохой электроникой», и это серьезно повредит их продажам.
  • военный класс . Ну, обещание военных должно быть готово, когда бы ни было. Они будут not рисковать чем-то неудачным, потому что они не просят всех поставщиков выполнять экстремальные экологические характеристики. Вот как они катаются - не оставляйте ничего, чтобы рисковать, особенно если ваше приложение дорого стоит как ад (думаю, истребители) или развертывается в десятках тысяч и по-прежнему жизненно важно и критически важно (подумайте о военной аппаратуре связи ).
ответил Marcus Müller 28 Maypm16 2016, 12:43:36
17
Военное (и аэрокосмическое вообще) оборудование часто:
  1. В негерметичном отсеке, который означает охлаждение оборудования, осуществляется посредством проводимости. Конвекционное охлаждение теряет значение на высоте 30 000 футов, так как молекул воздуха очень мало, чтобы передавать тепло конвекцией. Гораздо труднее эффективно передавать тепло только проводимостью.

  2. В зоне бликов (думаю, что под куполом на истребителе), и эта область может быть very горячей.

  3. В отсеке, где температура окружающей среды может превышать 70 ° C.

  4. В передней кромке крыла, которая может находиться в диапазоне от условий обледенения (значительно ниже нуля) до очень горячей (при Махе 2 или около того, трение даже нескольких доступных молекул все еще очень велико; поэтому у космического челнока было сложное управление теплом для повторного входа).

Нет ничего необычного в том, что для кратковременных периодов требуется максимальная температура края карты 85C (обычно 30 минут), и для повышения температуры перехода до 120C и более не требуется много процессорного (чтобы назвать только один тип устройства).

Таким образом, военная и аэрокосмическая среда действительно суровые (как, кстати, и приложения с отверстиями).

Как отмечают другие, полностью квалифицированные части военного класса могут быть дорогими (до 10 раз стоимость коммерческого эквивалента и в некоторых случаях больше); в ответ на это несколько производители разработали программы скрининга для пластиковых деталей, которые по-прежнему имеют премию, но не так сильно, как предыдущие решения.

[Обновление]

В ответ на комментарий о краевых температурах карты, здесь типичное шасси с охлаждением проводимости:

холодная стена (где мы можем знать температуру), и она может быть просто металлической или иметь другие способы поддержания достаточно хорошо известной температура.

Теперь вот типичная карта с тепловыми лестницами:

 Карта с конденсационным охлаждением

Они часто сделаны из алюминия (дешево и имеют приличные термические параметры), а лестницы находятся в контакте с боковыми краями шкафа выше; так как между внешней и внутренней частью коробки будет некоторый разброс тепла, на этой внутренней лестнице тепла устанавливается температура, требующая требования к печатной плате, которая, как вы можете видеть на краю карты .

Поскольку тепло должно поступать от компонентов к этой точке, для печатной платы на горячем компоненте (например, процессоре или графическом процессоре) нет ничего необычного, чтобы получить до 95 ° C или более с температурой края карты 85 ° C (что является часто это специфическое требование).

Термостойкость большинства ароматизаторов FR-4 составляет \ $ 0,4 \ frac {W} {mK} \ $, поэтому на этом типе карты будет существовать множество внутренних металлических слоев.

В некоторых ситуациях нам может потребоваться использовать термически одетый ПХД, которые, хотя и дорогостоящие, могут быть единственным способом получения тепла.

ответил Peter Smith 28 Maypm16 2016, 15:36:57
13

Несколько других комментариев и ответов отметили, что электронные схемы должны быть в корпусах, а их собственное производство тепла делает его горячим. Это недостаточно подчеркивалось. Для промышленного, коммерческого и автомобильного оборудования электронные схемы часто должны быть запечатаны в герметично закрытых корпусах, чтобы не допустить попадания каких-либо загрязнений. Кроме того, более высокие уровни мощности являются общими. Существует множество механизмов управления двигателем, контроля технологического нагрева и мощных приводов различного назначения. Микроконтроллеры должны иметь возможность работать в одних и тех же корпусах с таким оборудованием. В коммерческих зданиях контроллеры двигателей и микроконтроллеры для обогрева вентиляционного и холодильного оборудования часто устанавливаются в крышах, которые не регулируются температурой.

ответил Charles Cowie 28 Maypm16 2016, 14:48:20
7

Обычное промышленное оборудование нагревается из-за собственного тепла. Типичное повышение температуры внутри шкафа составляет 20-30 градусов C. При установке в здание без кондиционера температура легко приближается к 70-80 градусам, а иногда даже к промышленному диапазону недостаточно. В таких случаях используются все виды охлаждения: пассивная конвекция, принудительная конвекция, водяное охлаждение и т. Д.

ответил Gregory Kornblum 28 Maypm16 2016, 12:08:23
2

Почему они так высоки? потому что среда является высокой и amp; не все будет сидеть в хорошей среде с контролируемой температурой ... Люди нуждаются в ней, электроника не Возьмите воздушное судно ... детали, прикрепленные к капоту двигателя, будут испытывать температуру окружающей среды 85 ° C. На высоте части фюзеляжа будут испытывать -55С.

ответил JonRB 28 Maypm16 2016, 13:26:52
2

Это все о тестировании сжигания. При изготовлении кремниевой пластины возникают некоторые дефекты, и каждый элемент должен пройти окончательный осмотр. Поэтому у них есть так называемая камера сгорания для тестирования (я не знаю, существует ли замерзание, возможно, не нужно), где установлены разные температуры, в зависимости от назначения на рынке.

В потребителе большинство микросхем выживают также, если есть дефект. В промышленности те, у кого большая дефектная пластина, потерпят неудачу, в военной комнате для сжигания, те, у кого только небольшой дефект, потерпят неудачу.

Итак, если вам повезет, вы можете получить потребительскую часть, которая хороша как военная. Я забыл упомянуть - тест обычно разрушает дефектные части.

ответил Marko Buršič 28 Maypm16 2016, 12:54:10
1

Как я вижу, вы задаете 3 вопроса. Один главный вопрос и два подзапроса (1,2).

Ответ на главный вопрос заключается в том, что промышленная и военная продукция может действительно испытать указанный температурный диапазон, и пользователи хотят быть уверены , что продукты не подведет , если используется в заданном диапазоне температур.

Ответ на подпункт 1 состоит в том, что необходимо учитывать два дополнительных параметра : а) рассеивание мощности, б) запас прочности.
Для того, чтобы чип мог рассеять мощность, его температура окружающей среды должна быть на 35 ° C ниже, чем ее внутренняя температура. Кроме того, необходимо обеспечить запас прочности на 25 ° C ниже максимальной требуемой температуры. Чтобы учесть эти требования, продукт, который должен использоваться при температуре окружающей среды 50 ° C, должен работать на уровне не менее 110 ° C (50 + 35 + 25). Поэтому, требуя компонентов, которые работают при 125C, кажется очень разумным.

Ответ на подзапрос 2 - нет , вы не должны использовать компоненты коммерческого класса , он оставляет без запаса безопасности ! Вам нужно использовать промышленный класс или лучше.

ответил Guill 3 J0000006Europe/Moscow 2016, 00:14:28
0

Простой ответ (на горячей стороне, где сосредоточен ваш вопрос), который в лучшем случае применяется к некоторым из существующих ответов, заключается в том, что рассеиваемая мощность устройства может легко получить температуру устройства до (или выше) ) номинальной температуры. Задача дизайнеров состоит в том, чтобы попытаться сохранить устройство в функциональном диапазоне; если устройство рассчитано на 50 ° C и работает в среде 50C, оно не может рассеивать ЛЮБОЙ источник питания, поэтому он не может работать без какой-либо активной системы охлаждения.

Устройство 125C в том же 50C имеет 75C тепловой мощности, позволяющей рассеивать энергию при любом тепловом сопротивлении, применяемом к системе.

ответил Ecnerwal 29 Maypm16 2016, 22:29:34
-1

Другая причина: потому что они могут быть!

Для космических приложений они, несомненно, были бы более высокими (при гораздо более низкой температуре).

Изменить из-за необъяснимого нижнего уровня:

Возможно, этот ответ был слишком коротким для кого-то. Позвольте мне объяснить немного больше.

Здесь - страница с некоторыми показаниями.

  • Верхний предел самого самого кремния обычно составляет 150 ° C. Таким образом, предел упаковки не может быть 150 ° C - 125 ° C является разумным пределом, если это позволяет упаковка и энергопотребление.
  • Нижняя граница самого реального кремния соответствует приведенной выше ссылке около -117 ° C (100 ° C). На практике слишком далеко от расчетной точки интегральных схем.
  • Если лимиты для коммерческих и промышленных цепей больше, тогда возникает вопрос об экономике: нужно будет выбросить больше устройств. Таким образом, снова - чтобы сохранить продукты Ã ©, кономически интересные для коммерческих и промышленных приложений, ограничения на работу должны быть ограничены - не может быть экономически выше (что сегодня менее верно, чем было в прошлом, когда эти ограничения были определены).
  • Существует нет космического класса, потому что рынок небольшой, а также потому, что они научились работать с другими классами - например, электроника помещается в центр спутника, где температура находится в пределах и не слишком сильно изменяется , Они также используют конкретные конструкции - в частности, радиационно-упрочненные устройства [излучение может попасть в ядро ​​спутника] и технологию, которая менее подвержена радиации.
ответил le_top 28 Maypm16 2016, 23:33:33

Похожие вопросы

Популярные теги

security × 330linux × 316macos × 2827 × 268performance × 244command-line × 241sql-server × 235joomla-3.x × 222java × 189c++ × 186windows × 180cisco × 168bash × 158c# × 142gmail × 139arduino-uno × 139javascript × 134ssh × 133seo × 132mysql × 132