Mengapa elektronik memiliki batasan suhu rendah?

Selain kondensasi, mengapa komponen elektronik biasanya memiliki batas suhu rendah? Misalnya laptop saya mengatakan sesuatu sepanjang garis -10 ° C hingga 75 ° C saat digunakan.

Saya dapat memahami batas suhu tinggi, karena semuanya mungkin akan mencair!

Tetapi mengapa dingin adalah hal yang buruk?

Terlepas dari baterai, komponen mana yang akan sangat merusak dingin, dan bagaimana caranya?

Apakah menggunakannya akan meningkatkan kerusakan?

Akankah menggunakan peralatan mengimbangi kerusakan ini (saat pemanasan mulai digunakan)?

Juga, saya berbicara tentang suhu ekstrem di bawah -50 ° C, jadi apakah kondensasi masih menjadi masalah?

Catatan: Saya tidak menyimpannya sehingga ini bukan duplikat dari pertanyaan lain.

Catatan 2: Saya tidak berbicara tentang semikonduktor, tetapi secara umum.

Saya pernah mendesain amplifier yang akan berosilasi pada -10 ° C. Saya memperbaikinya dengan mengubah desain untuk menambahkan lebih banyak fasa. Dalam hal ini, osilasi tidak menyebabkan kerusakan, tetapi rangkaian tidak berfungsi dengan baik dalam kondisi ini, dan menyebabkan kesalahan. Kesalahan ini hilang pada suhu yang lebih tinggi.

Beberapa plastik retak ketika dibekukan. Es kering -78,5 ° C, dan saya telah memecahkan banyak plastik dengan es kering. Sebagai contoh, saya menghancurkan peti es yang sangat bagus yang pecah menjadi potongan-potongan kecil di tempat saya memiliki sepotong es kering di dalamnya.

Dalam desain permukaan-mount, koefisien ekspansi temperatur diferensial antara bagian-solder-ke-sirkuit-papan dan papan sirkuit dapat menyebabkan tekanan besar. Hubungan tegangan-regangan-suhu seringkali hampir tidak berfungsi pada kisaran suhu yang ditentukan. Ketika peralatan dinyalakan, komponen yang panas dapat berubah bentuk dan menghancurkan plastik yang rapuh, seperti peti es lama saya.

Jika peralatan di bawah 0 ° C dan kemudian Anda bawa ke kantor yang hangat dan lembab, air akan mengembun di papan sirkuit dan dapat menyebabkan masalah. Agaknya hal serupa dapat terjadi dengan es, tergantung cuaca. Saat salju mencair, mungkin ada masalah.

Ketika saya menerima peralatan di pagi hari yang dibawa sebagai kargo udara, saya berasumsi bahwa peralatan itu baru-baru ini sangat dingin, dan saya membiarkannya duduk selama beberapa jam untuk pemanasan perlahan dan untuk tetap kering sebelum membuka kotak di kantor.

Menyalakan gigi yang sangat dingin bisa jadi menarik. Beberapa komponen pembatas arus, seperti PTC atau PPTC , akan lulus lebih banyak arus.

Pelumas pada motor seperti kipas dan disk drive juga bisa menjadi masalah.

Saya dapat memberi Anda jawaban karena saya telah menjadi salah satu dari mereka yang menulis atau memverifikasi spesifikasi IC semikonduktor.

Berbicara secara legal dan etis, saya hanya bisa keluar pada parameter di mana kami telah memverifikasi IC / prosesor akan berfungsi. Dan kemudian bos saya, dan bosnya, dan semua orang akan melihat bukti dari tes, dan mereka juga akan menandatangani kendala itu.

Saya tidak bisa secara etis atau secara hukum menandatangani bahwa sejumlah prosesor akan bekerja pada -100 C, jika saya tidak meletakkannya melalui serangkaian pengujian pada -100 C.

Jika Anda memilih untuk menggunakan peralatan Anda di -50 C, dilengkapi dengan prosesor yang saya tanda tangani dengan ambang batas rendah -15 C, perusahaan saya tidak akan lagi memiliki kewajiban untuk prosesor itu. Anda telah melanggar garansi.

Pengujian pada -50 C jauh lebih mahal untuk dilakukan daripada pengujian pada -15 C. Saya harus memverifikasi situs pengujian sebenarnya -50 C--. Itu juga sangat berbahaya.

Selain itu, kemasan khusus / kedap udara diperlukan untuk IC untuk beroperasi pada suhu yang sangat rendah. Sebagai contoh ekstrem, kemasan plastik dapat menyebabkan retakan atau gangguan struktural ketika kita menuangkan nitrogen cair ke dalamnya.

Ekspansi diferensial antara cetakan dan pengemasan dapat merobek cetakan dari tempat pemasangannya, atau memecahkan cetakan.

Ada tes stres yang mencakup simulasi variasi suhu dalam fungsi IC. Katakanlah laptop Anda duduk di mobil Anda dalam suhu beku -10 C. Anda menyalakannya dan dalam 5 menit mencapai suhu 85 C. Dan untuk seluruh musim dingin, Anda melakukannya setiap malam. Bagaimana dengan unit kepala dan pengontrol komputer yang ada di mobil Anda, yang akan Anda kendarai selama 15 tahun ke depan yang mengalami fluktuasi setiap musim dingin di Maine utara?

Ada terlalu banyak masalah mekanik yang harus dihadapi oleh rekan-rekan teknik mesin saya ketika datang ke pengujian suhu rendah yang ekstrim. Jadi, seberapa rendah suhu yang Anda ingin kami verifikasi dan berapa banyak lagi yang Anda sebagai konsumen bersedia membayar untuk pengujian suhu rendah?

Kami tidak dapat hanya menguji satu atau dua unit untuk memverifikasi tidak adanya masalah mekanis seperti ketidakcocokan antara cetakan dan pengemasan, tidak seperti orang-orang yang menjebak motherboard mereka bereksperimen dengan overclocking dengan hanya satu atau dua prosesor yang mereka beli dari ebay. Kita harus merancang distribusi statistik yang dapat diterima dan rencana pengambilan sampel yang akan jatuh ke dalam distribusi itu, yang akan berlaku untuk aliran IC yang mengalir melalui lini produk.

Kadang-kadang, legalitas kendala bisa agak terlibat, di mana badan pemerintah AS mengharuskan OEM untuk memiliki perwakilan mereka saat kami menguji IC / prosesor, yang bisa memakan waktu beberapa hari untuk satu batch. Perwakilan itu akan menandatangani bahwa kami memang telah melakukan tes seperti itu di kendala seperti itu. Begitulah cara prosesor $ 100 akan menelan biaya US $ 2.000 pemerintah.

Sedemikian rupa sehingga jika badan pemerintah AS entah bagaimana memutuskan untuk mengoperasikan peralatan di luar kendala yang diuji dan diverifikasi, kita tidak akan lagi bertanggung jawab secara hukum atas kecelakaan atau kerusakan di masa depan.

Selain baterai mungkin dan komponen LCD umumnya tidak langsung rusak, bahkan oleh suhu dingin yang ekstrim. Jika suhu diubah menjadi ekstrem, terutama dengan cepat, dapat terjadi kerusakan fisik akibat kontraksi yang tidak cocok dengan gradien suhu atau suhu.

Namun, operasi pada suhu dingin mungkin tidak dimungkinkan- komponen berubah dengan suhu, ke titik di mana mereka mungkin tidak lagi beroperasi dengan andal, mungkin tidak memulai atau berhenti sepenuhnya. Gain dari transistor bipolar turun dengan suhu. Jauh di bawah sekitar 50K sebagian besar komponen bipolar berhenti bekerja sepenuhnya karena pembekuan operator. Tutup elektrolit tidak suka suhu jauh di bawah titik beku, dan perubahannya (ESR yang lebih tinggi dan kapasitansi yang lebih rendah) dapat menyebabkan bagian lain rusak. Bagian CMOS digital dapat berfungsi lebih atau kurang oke, tetapi bagian analog dari sebuah chip mungkin keluar dari spesifikasi atau gagal berfungsi (seperti osilator jam atau BOR atau ADC dalam mikro).

Bahkan lebih banyak hal aneh terjadi ketika Anda mendekati nol absolut - pada 4.2K (helium cair), misalnya, 1N4148 dapat membuat osilator relaksasi. Menjadi lebih dingin dan solder biasa dapat kehilangan semua hambatan, yang terdengar sangat hebat sampai Anda mendapatkan fluks magnetik yang terperangkap.

Masalah mendasarnya adalah kepadatan pembawa muatan "bebas" di semikonduktor adalah fungsi suhu yang kuat. Ketika suhu turun cukup rendah, tidak ada cukup pembawa yang tersedia untuk memungkinkan transistor, dll berfungsi, dan resistansi seri efektif semikonduktor curah juga meningkat. Keuntungan keseluruhan dari sirkuit turun di bawah apa yang diizinkan oleh insinyur desain, dan tidak dapat lagi memenuhi spesifikasi kinerjanya.

Batas suhu yang terkait dengan IC aktual lebih berkaitan dengan ekspansi / retraksi termal daripada hal-hal seperti leleh.

IC terdiri dari berbagai bahan. Mati, substrat, kabel ikatan, metode ikatan, kaki dan tubuh. Ketika suhu berubah, bahan-bahan yang berbeda ini mengembang / berkontraksi dan akan terlepas dari bahan lain yang tidak berubah pada laju yang sama.

Anda kemudian memiliki kualitas doping, lebih banyak masalah di ujung wafer. Itu berarti karakteristik aktual terhadap lembar data (waktu naik, penundaan propagasi, dll.) Tidak memenuhi minimum / maksimum yang dinyatakan karena mobilitas elektron berbeda (produsen biasanya membuat IC dan menguji pada suhu militer. Jika gagal , uji pada suhu industri. Jika itu juga gagal, uji pada suhu komersial ... Jika gagal, mereka memo dan menambahkannya ke nomor hasil panen mereka).

Maka Anda memiliki spesifik kerusakan ... Silicon tidak memiliki batas semikonduktor wrt lebih rendah. Itu memang memiliki batas atas pada 175 ° C di mana ia akan rusak.

LCD akan membentuk kristal dan terurai pada suhu ekstrem dan dielektrik yang sama dalam kapasitor mulai rusak.

Masalah lain pada suhu rendah seperti itu misalnya LCD membeku dan memiliki reaksi yang sangat lambat.

Dan poin yang lebih penting untuk teknologi IC modern adalah efek yang membuatnya lebih lambat pada suhu yang lebih rendah (lihat Berurusan dengan tantangan pembalikan waktu / suhu domain multi-Vt & multi-tegangan ).

Saya juga menemukan artikel menarik ini yang memiliki beberapa poin penting lainnya mengenai masalah suhu rendah di dalamnya: Desain elektronik untuk lingkungan dingin .

Beberapa alasan:

• dalam banyak kasus - Anda dapat menggunakan komponen di bawah suhu minimum, tapi jangan berharap bahwa parameter akan sama seperti yang ditentukan dalam lembar data
• kapasitor akan menyusut - jarak antara elektroda akan berubah
• elektrolit dalam kapasitor dapat membeku dan kapasitas akan berubah

• banyak perangkat elektronik terbuat dari bahan yang berbeda dan mereka dapat bertindak seperti bimetal saat Anda mengubah suhu dalam jangkauan yang luas. Dalam banyak kasus produsen melakukan apa yang mereka bisa untuk menghindari ini dengan menggunakan bahan dengan koefisien ekspansi termal yang sama, tetapi kadang-kadang ini tidak mungkin atau tidak diperlukan.

  

  Saya rasa ini adalah alasan mengapa perangkat daya tinggi dibuang dalam suhu tinggi. Sebagai contoh - beberapa dioda CREE dikosongkan pada 85 ° C (185 ° F).

Terkadang ini bukan tentang suhu minimum, kadang-kadang tentang seberapa lebar kisaran suhu .

Jika perangkat Anda seharusnya berfungsi di suhu yang sangat rendah - Anda harus membaca tentang transformasi alotropik timah .

Silikon khususnya bergantung pada eksitasi termal dopannya untuk bertindak sebagai semikonduktor, membuat sifat sifat semikonduktornya sangat bergantung pada suhu. Ini memberi Anda batas operasi dasar yang rendah, dan kisaran suhu yang cukup sempit yang dapat Anda gunakan untuk merancang chip Anda. Jika Anda membutuhkan elektronik yang berfungsi pada rentang suhu yang besar, Anda tidak menggunakan silikon. Elektronik Gallium Arsnide beroperasi hingga milikelvin ke bawah, tetapi jauh lebih mahal.

Resistor dirancang dengan campuran bahan dengan sifat termal yang berbeda, sehingga efek termal membatalkan dan memberikan nilai resistansi yang mendekati konstan sehubungan dengan suhu, pada kisaran yang ditentukan.

Di luar kisaran suhu yang ditentukan, resistansi resistor dapat dan akan menyimpang secara liar dari nilai yang ditentukan.

Yang menarik, resistor presisi kadang-kadang menyeimbangkan ketergantungan suhu yang tersisa dengan ketergantungan regangan dimensi: Saat substrat menyusut atau tumbuh dengan suhu, regangan pada elemen resistif mengubah resistansi itu, mengkompensasi beberapa ketergantungan suhu resistif resistif yang tersisa. bahan.

Faktor lain adalah pengaturan waktu digital pada suhu rendah. Sirkuit digital biasanya berjalan lebih cepat pada suhu yang lebih rendah, tetapi pengaturan waktu sirkuit mungkin gagal (mis. Register internal mungkin gagal karena pelanggaran waktu tunda), sehingga sirkuit tidak akan berfungsi dengan baik. Di laptop HDD mungkin tidak akan berfungsi karena masalah mekanis (mis. Kepala tidak sejajar dengan benar pada trek disk).

Secara umum, dingin membuat sambungan semikonduktor lebih cepat, dan dingin lebih baik. -50C sebenarnya cukup sederhana, masalah besar terjadi jauh lebih rendah.

Tetapi banyak yang bisa salah. Perputaran suhu di siang hari dapat menyebabkan tekanan panas. Kondensasi dapat timbul dan menyebabkan masalah nyata, terutama ketika permukaan dingin menyentuh udara lembab yang hangat.

Jadi pertanyaan Anda benar-benar tidak lengkap. Jika disimpan dalam ruang termal pada -50C, laptop Anda mungkin akan cukup bahagia tanpa batas. Tetapi jika pindah-keluar dari -50C, ada banyak ruang untuk masalah. Suhu absolut adalah satu faktor, seperti rentang kelembaban, kisaran suhu, dan besarnya goncangan fisik pada suhu rendah.