¿Por qué la electrónica tiene un límite de temperatura baja?

Además de la condensación, ¿por qué los componentes electrónicos suelen tener un límite de temperatura baja? Por ejemplo, mi computadora portátil dice algo similar a una temperatura de -10 ° C a 75 ° C mientras está en uso.

¡Puedo entender el límite de alta temperatura, ya que las cosas probablemente se derretirán!

¿Pero por qué el frío es algo tan malo?

Además de las baterías, ¿qué componentes causarán daños por frío extremo y cómo?

¿Usarlo aumentará el daño?

¿Usar el equipo compensará este daño (a medida que se calienta con el uso)?

Además, estoy hablando de temperaturas extremas por debajo de -50 ° C, ¿entonces la condensación sigue siendo un problema?

Nota: no lo estoy almacenando, por lo que no es un duplicado de otra pregunta.

Nota 2: No estoy hablando de semiconductores, sino en general.

Una vez diseñé un amplificador que oscilaría a -10 ° C. Lo arreglé cambiando el diseño para agregar más margen de fase. En este caso, la oscilación no causó ningún daño, pero el circuito no funcionó bien en esta condición y causó errores. Estos errores desaparecieron a temperaturas más altas.

Algunos plásticos se agrietan cuando se congelan. El hielo seco es -78.5 ° C, y he roto mucho plástico con hielo seco. Por ejemplo, destruí un cofre de hielo perfectamente bueno que se rompió en pequeños pedazos en el lugar donde tenía un trozo de hielo seco.

En los diseños de montaje en superficie, el coeficiente diferencial de temperatura de expansión entre la placa de circuito soldada y la placa de circuito puede causar grandes tensiones. La relación tensión-deformación-temperatura a menudo apenas funciona en el rango de temperatura especificado. Cuando el equipo se enciende, los componentes calientes pueden cambiar de forma y romper el plástico quebradizo, al igual que mi viejo cofre de hielo.

Si el equipo está por debajo de 0 ° C y luego lo lleva a una oficina cálida y húmeda, el agua se condensará en las placas de circuito y puede causar problemas. Presumiblemente, algo similar puede suceder con las heladas, dependiendo del clima. Cuando la escarcha se derrite, puede haber problemas.

Cuando recibo el equipo por la mañana que ha sido transportado como carga aérea, supongo que recientemente ha estado muy frío y lo dejé reposar durante algunas horas para que se caliente lentamente y se mantenga seco antes de abrir la caja en la oficina.

Encender el equipo muy frío podría ser interesante. Algunos componentes que limitan la corriente, como un PTC o PPTC , pasarán mucha más corriente.

Los lubricantes en motores como ventiladores y unidades de disco también podrían ser un problema.

Puedo darle una respuesta porque yo fui uno de los que escribió o verificó las especificaciones de los circuitos integrados de semiconductores.

Legal y éticamente hablando, solo pude cerrar sesión en los parámetros dentro de los cuales hemos verificado que el IC / procesador funcionaría. Y luego mi jefe, y su jefe, y todos los demás verían la evidencia de las pruebas, y ellos también firmarían esas restricciones.

No podría aprobar ética o legalmente que un lote de procesadores funcionaría a -100 ° C, si no los hubiera puesto en el conjunto de pruebas a -100 ° C.

Si elige usar su equipo a -50 C, equipado con el procesador que firmé con un umbral bajo de -15 C, mi compañía ya no tendría ninguna obligación con ese procesador. Has roto la garantía.

La prueba a -50 C es mucho más costosa que la prueba a -15 C. Tendría que verificar que el sitio de prueba es en realidad -50 C--. También es muy peligroso.

Además de eso, se requiere un embalaje especial / hermético para que los circuitos integrados funcionen a temperaturas extremadamente bajas. Como un ejemplo extremo, el empaque de plástico podría desarrollar grietas o compromisos estructurales cuando vertimos nitrógeno líquido sobre ellos.

La expansión diferencial entre el troquel y el empaque podría arrancar el troquel de su sitio de fijación o romper el troquel.

Existen pruebas de estrés que incluyen simulaciones de variaciones de temperatura en el funcionamiento del CI. Digamos que su computadora portátil está instalada en su automóvil a temperaturas congeladas de -10 C. La enciende y en 5 minutos alcanza una temperatura de 85 C. Y durante todo el invierno, lo hizo todas las noches. ¿Qué pasa con la unidad principal y el controlador de computadora que se encuentra en su automóvil, que conduciría durante los próximos 15 años sujeto a tales fluctuaciones cada invierno en el norte de Maine?

Hubo demasiados problemas mecánicos con los que mis colegas de ingeniería mecánica tuvieron que lidiar cuando se trata de pruebas de temperaturas extremadamente bajas. Entonces, ¿qué temperatura baja desea que verifiquemos y cuánto más adicional está usted como consumidor dispuesto a pagar por esas pruebas de baja temperatura?

No podemos simplemente probar una o dos unidades para verificar la ausencia de problemas mecánicos, como incompatibilidades entre el troquel y el embalaje, a diferencia de las personas que utilizan sus placas base para experimentar el overclocking con los simples uno o dos procesadores que compraron en eBay. Tenemos que diseñar la distribución estadística aceptable y el plan de muestreo que se incluiría en esa distribución, que se aplicaría a un flujo de circuitos integrados que fluyen a través de la línea de productos.

Ocasionalmente, la legalidad de las restricciones podría estar bastante involucrada, donde la agencia gubernamental de los EE. UU. Requiere que el OEM tenga su representante presente mientras probamos esos CI / procesadores, lo que podría tomar unos días para un lote. Ese representante aprobaría que efectivamente habíamos realizado tales pruebas con tales restricciones. Así es como un procesador de $ 100 le costaría al gobierno de los Estados Unidos $ 2000.

De tal manera que si la agencia de gobierno de EE. UU. Decidiera operar el equipo más allá de las restricciones comprobadas y verificadas, ya no seríamos legalmente responsables de cualquier percance o mal funcionamiento futuro.

Además de las baterías y los componentes de la pantalla LCD, generalmente no se dañan directamente, incluso por temperaturas extremadamente bajas. Si las temperaturas se cambian a los extremos, especialmente rápidamente, puede haber daños físicos debido a una contracción no coincidente con la temperatura o los gradientes de temperatura.

Sin embargo, la operación a temperaturas frías puede no ser posible: los componentes cambian con la temperatura, hasta el punto en que ya no pueden funcionar de manera confiable, pueden no arrancar o dejar de funcionar por completo. La ganancia de los transistores bipolares disminuye con la temperatura. Muy por debajo de aproximadamente 50K, la mayoría de las piezas bipolares dejan de funcionar por completo debido a la congelación del portador. A las tapas electrolíticas no les gustan las temperaturas muy por debajo del punto de congelación, y sus cambios (mayor ESR y menor capacitancia) pueden causar daños a otras partes. Las piezas CMOS digitales pueden funcionar más o menos bien, pero las porciones analógicas de un chip pueden no cumplir con las especificaciones o no funcionar (como el oscilador de reloj o BOR o ADC en un micro).

Aún más cosas extrañas suceden cuando te acercas al cero absoluto: a 4.2K (helio líquido), por ejemplo, un 1N4148 puede hacer un oscilador de relajación. Si se enfría aún más, la soldadura ordinaria puede perder toda resistencia, lo que suena muy bien hasta que queda atrapado el flujo magnético.

El problema básico es que la densidad de los portadores de carga "libre" en los semiconductores es una función importante de la temperatura. Cuando la temperatura baja lo suficiente, simplemente no hay suficientes portadores disponibles para permitir que los transistores, etc. funcionen, y la resistencia en serie efectiva del semiconductor a granel también aumenta. La ganancia general del circuito cae por debajo de lo que ha permitido el ingeniero de diseño, y ya no puede cumplir con sus especificaciones de rendimiento.

El límite de temperatura asociado con un CI real tiene más que ver con la expansión / retracción térmica que con cosas como la fusión.

Un IC está compuesto de diferentes materiales. La matriz, el sustrato, los cables de unión, el método de unión, las piernas y el cuerpo. A medida que cambia la temperatura, estos diferentes materiales se expanden / contraen y se separan de otros materiales que no cambian al mismo ritmo.

Entonces tienes calidad de dopaje, más un problema al borde de la oblea. Eso significa que las características reales de la hoja de datos (tiempo de subida, retraso de propagación, etc.) no cumplen con el mínimo / máximo establecido ya que la movilidad de los electrones es diferente (los fabricantes suelen hacer un CI y realizar pruebas a temperatura militar. Si falla , prueba a temperatura industrial. Si eso también falla, prueba a temperatura comercial ... Si falla, lo desechan y lo agregan a sus números de rendimiento).

Entonces tienes los detalles del daño ... El silicio no tiene un límite inferior de semiconductores. Tiene un límite superior a 175 ° C donde se dañará.

Las pantallas LCD formarán cristales y se descompondrán a temperaturas extremas e igualmente los dieléctricos en los condensadores comienzan a descomponerse.

Otros problemas a temperaturas tan bajas son, por ejemplo, que los LCD se congelan y tienen una reacción muy lenta.

Y el punto más importante para las tecnologías de CI modernas es un efecto que las hace más lentas a temperaturas más bajas (consulte Manejo de desafíos de inversión de temporización / temperatura de dominio multi-Vt y multi-voltaje ).

También encontré este interesante artículo que tiene algunos otros puntos importantes con respecto a los problemas de baja temperatura: diseño electrónico para entornos fríos .

Pocas razones

• en muchos casos, puede usar componentes por debajo de la temperatura mínima, simplemente no espere que los parámetros sean los mismos que se especifican en la hoja de datos
• los condensadores se encogerán, la distancia entre los electrodos cambiará
• el electrolito en el condensador puede congelarse y la capacidad cambiará

• Muchos dispositivos electrónicos están hechos de diferentes materiales y pueden actuar como una ruptura bimetálica cuando cambia la temperatura en un amplio rango. En muchos casos, los fabricantes hacen lo que pueden para evitar esto mediante el uso de materiales con un coeficiente de expansión térmica similar, pero a veces esto es imposible o simplemente no es necesario.

  

  Supongo que esta es la razón por la cual los dispositivos de alta potencia están agrupados a altas temperaturas. Por ejemplo, algunos diodos CREE están agrupados a 85 ° C (185 ° F).

A veces no se trata de la temperatura mínima, a veces se trata de qué tan amplio es el rango de temperatura .

Si se supone que su dispositivo funciona a temperaturas muy bajas, debe leer sobre la transformación alotrópica de estaño .

El silicio en particular depende de la excitación térmica de sus dopantes para actuar como un semiconductor, lo que hace que la naturaleza de sus propiedades de semiconductores sea altamente dependiente de la temperatura. Esto le proporciona un límite de funcionamiento fundamentalmente bajo y un rango de temperatura bastante estrecho sobre el que puede diseñar su chip para trabajar. Si necesita componentes electrónicos que funcionen en un amplio rango de temperatura, no use silicio. La electrónica Arsnide de galio funciona hasta milikelvin y menos, pero es mucho más costosa.

Las resistencias están diseñadas con una mezcla de materiales con diferentes propiedades térmicas, de modo que los efectos térmicos se cancelan y dan un valor de resistencia que es aproximadamente constante con respecto a la temperatura, por encima del rango especificado.

Fuera del rango de temperatura especificado, la resistencia de un resistor puede y divergerá enormemente del valor especificado.

Como cuestión de interés, las resistencias de precisión a veces equilibran la dependencia de la temperatura restante con una dependencia de la tensión dimensional: a medida que el sustrato se encoge o crece con la temperatura, la tensión en el elemento resistivo cambia su resistencia, comparando parte de la dependencia de la temperatura restante de la resistencia material.

Otro factor es la sincronización digital a bajas temperaturas. Los circuitos digitales generalmente funcionan más rápido a temperaturas más bajas, pero la sincronización del circuito puede fallar (por ejemplo, los registros internos pueden fallar debido a violaciones de tiempo de retención), por lo que el circuito no funcionaría correctamente. En una computadora portátil, el HDD probablemente no funcionaría debido a problemas mecánicos (por ejemplo, los cabezales no se alinean correctamente sobre las pistas del disco).

En general, más frío hace que las uniones de semiconductores sean más rápidas, y más frío es mejor. -50C es bastante modesto en realidad, los grandes problemas ocurren mucho más bajo.

Pero muchas cosas pueden salir mal. Los ciclos de temperatura durante el día pueden provocar tensiones térmicas. La condensación puede surgir y causar problemas reales, particularmente cuando una superficie fría golpea el aire cálido y húmedo.

Entonces tu pregunta es realmente incompleta. Si se almacena en una cámara térmica a -50 ° C, su computadora portátil probablemente sea bastante feliz por tiempo indefinido. Pero si se mueve dentro y fuera de -50 ° C, hay mucho espacio para problemas. La temperatura absoluta es un factor, al igual que el rango de humedad, el rango de temperaturas y la magnitud del choque físico a bajas temperaturas.