Mengapa kisaran suhu produk industri dan militer begitu tinggi?

Dari Wikipedia, kisaran suhu umum untuk komponen listrik adalah:

Komersial: 0 hingga 70 ° C

Industri: -40 hingga 85 ° C

Militer: -55 hingga 125 ° C

Saya dapat memahami bagian bawah (-40 ° C dan -55 ° C) karena suhu ini memang ada di negara-negara dingin seperti Kanada atau Rusia, atau di ketinggian, tetapi bagian yang lebih tinggi (85 ° C atau 125 ° C) adalah agak membingungkan untuk beberapa bagian.

Transistor, kapasitor, dan penghangat resistor sangat dapat dimengerti, tetapi beberapa IC memiliki generasi panas rendah yang konstan (seperti gerbang logika)

1. Jika saya mempertimbangkan mikrokontroler atau dioperasikan di gurun Sahara pada suhu 50 ° C (saya tidak tahu apakah ada suhu yang lebih tinggi di bumi) mengapa saya perlu 125 ° C atau 85 ° C? Panas yang terbentuk dari hilangnya daya di dalam seharusnya tidak menjadi 50 ° C atau 70 ° C jika tidak, bagian Komersial akan langsung gagal misalnya, pada lingkungan 25 ° C?

2. Jika saya hidup dalam iklim sedang di mana suhu hanya dapat berfluktuasi dalam kisaran 0–35 ° C sepanjang tahun, dan merancang produk industri untuk negara yang sama saja (tanpa ekspor) saya dapat menggunakan komponen kelas komersial (dengan asumsi tidak ada sertifikasi, undang-undang , dan akuntabilitas ada dan hanya etika teknik yang mengatur tindakan Anda)?

Temperatur maksimum yang dialami silikon bisa lebih dari sekedar ambient. Ambient 50 ° C tentu saja terjadi. Itu hanya 122 ° F. Saya pribadi mengalaminya di suaka Margasatwa Kofa di utara Yuma Arizona. Anda perlu merancang untuk kasus terburuk, bukan angan-angan. Jadi misalkan ambient bisa 60 ° C (140 ° F).

Itu dengan sendirinya tidak banyak masalah, tetapi Anda tidak mendapatkannya dengan sendirinya. Ambil termometer yang sama yang bertuliskan 60 ° C di udara terbuka dan masukkan ke dalam kotak logam di tanah di bawah sinar matahari. Ini akan menjadi jauh lebih panas.

Saya pernah melihat seseorang menggoreng telur di kap mobil di bawah sinar matahari di Phoenix AZ. Memang, ini adalah aksi yang sengaja diatur untuk tujuan ini. Mobil itu diparkir di sudut kanan, kap mesin dimiringkan di sudut kanan, dan dicat hitam pekat. Namun, itu masih menunjukkan bahwa hanya sepotong logam yang duduk di bawah sinar matahari bisa menjadi sangat panas.

Saya pernah meninggalkan mobil yang diparkir di bandara Las Vegas selama beberapa hari. Saya telah meninggalkan salah satu bolpoin "tongkat" murah di dasbor, sebagian menjulur ke samping. Ketika saya kembali, pena ditekuk pada 90 ° di atas bibir dasbor. Saya tidak tahu suhu pena seperti apa yang mencair, tetapi jelas itu menjadi jauh lebih panas daripada ambien dalam kondisi yang cukup umum dalam kotak tertutup.

Jika Anda meninggalkan beberapa barang elektronik konsumen murah di dashboard di bawah sinar matahari dan itu tidak berhasil, Anda mungkin akan sedikit kesal, lalu lemparkan dan ganti. Jika pengontrol untuk pompa minyak Anda berhenti bekerja di musim panas karena terlalu panas, Anda akan kehilangan banyak uang, menjadi sangat kesal, dan mungkin membeli pengganti dari perusahaan lain yang menganggap kualitas lebih serius. Jika sistem pertahanan rudal Anda berhenti bekerja karena Anda menempatkannya di padang pasir Irak alih-alih beberapa uji coba yang nyaman di Massachusetts di mana ia dikembangkan, Anda akan mati. Petugas pengadaan yang tidak dipecat akan ekstra hati-hati untuk meminta semua barang elektronik bekerja pada suhu tinggi, dan bersikeras itu akan diuji dalam kondisi tersebut.

Pertama-tama, peralatan militer itu mahal. Anda dapat benar-benar menguji berbagai hal untuk suhu tinggi hanya jika pelanggan Anda bersedia membayar. Pelanggan militer cenderung memiliki anggaran yang hanya bisa diimpikan oleh orang normal.

Maka, tentu saja, jika Anda memasukkan IC ke dalam rudal, Anda mungkin tidak ingin hal itu gagal jika rudal Anda menjadi panas dari ujungnya yang terbakar atau dari ujungnya yang udara-gesekan. Hal yang sama berlaku untuk hal-hal yang mungkin dimasukkan ke dalam satelit, roket antarbenua, dll: begitu Anda mencapai angkasa, dan berada dalam bayang-bayang bumi, segalanya bisa menjadi sangat dingin. Militer dan Aerospace (yang biasanya sebagian besar perusahaan yang sama) adalah tempat khas di mana Anda akan mengharapkan perangkat untuk menahan banyak G percepatan, menjadi panas-dingin-panas-dingin-panas dalam hitungan detik, masih harus sangat terintegrasi dengan baik dan ringan, dan di mana biaya tidak terlalu penting dibandingkan dengan risiko:

Perbedaan utama (selain dari bagaimana manajemen suhu dilakukan secara fisik), adalah bahwa ketiga kelompok aplikasi ini melakukan jenis penilaian risiko yang berbeda:

• perangkat kelas konsumen / komersial : 1/5000 TV Anda gagal dalam lima tahun karena beberapa IC yang dipanaskan terlalu lama. Sesuatu yang buruk. Banyak pelanggan hanya akan mendapatkan yang baru. Untuk sisa 1 / 10.000 pelanggan, Anda harus melakukan layanan (menghitungnya ke dalam biaya produk Anda) atau hidup dengan gambar yang terdegradasi (yang sebenarnya tidak harus Anda lakukan, karena pesaing Anda melakukan hal yang sama). Jadi, memiliki lebih banyak margin keamanan dalam desain Anda tidak masuk akal, sesedikit menguji komponen hingga ke ujung kondisi lingkungan yang dapat diasumsikan. Anda berada di pasar di mana harga paling penting, dan tingkat kegagalan terutama menjadi perhatian bagi keuangan produsen.
• perangkat kelas industri : Pelanggan Anda adalah seseorang yang bergantung pada jalur produksi yang mungkin sangat mahal pada produk Anda. Katakanlah lini produksi Volkswagen masih berdiri selama 8 jam karena IC Anda gagal berfungsi. Jumlah kerugian yang sangat besar yang baru saja Anda sebabkan. VW akan bersedia membayar ekstra hanya untuk memastikan bahwa pemasoknya memastikan Anda menguji komponen untuk semua lingkungan yang mungkin terjadi, dan sedikit lebih jauh, untuk menjaga agar risiko itu dapat dikelola.
• perangkat kelas otomotif : Kehidupan manusia dipertaruhkan. Itu tidak sepenting kenyataan bahwa mobil bergetar seperti neraka, rumit sekali, menjadi panas sebagian, dan diluncurkan dalam jutaan , yang berarti mengetahui bahwa komponen apa pun yang sedikit panas untuk bekerja dengan andal (bahkan jika itu hanya sesuatu yang tidak penting untuk keselamatan) berarti Anda mungkin perlu memperbaiki banyak mobil, yang sangat mahal, dan Anda benar-benar membahayakan citra merek Anda. Setiap negara memiliki prasangka sendiri terhadap "pabrikan mobil dengan keandalan yang buruk dan elektronik yang buruk", dan itu sangat merugikan penjualan mereka.
• perangkat militer grade : Yah, janji militer harus siap kapan pun untuk apa pun. Mereka tidak akan mengambil risiko kegagalan apa pun hanya karena mereka tidak meminta semua pemasok untuk memenuhi spesifikasi lingkungan yang ekstrem. Begitulah cara mereka berguling - jangan biarkan risiko apa pun, terutama jika aplikasi Anda mahal sekali (pikirkan jet tempur) atau dikerahkan dalam puluhan ribu dan masih penting untuk kehidupan dan misi (pikirkan peralatan komunikasi militer).

Peralatan militer (dan kedirgantaraan secara umum) seringkali:

1. Dalam ruang tanpa tekanan yang berarti mendinginkan peralatan adalah dengan konduksi. Pendinginan konveksi kehilangan arti pada 30.000 kaki karena ada sangat sedikit molekul udara untuk mentransfer panas melalui konveksi. Jauh lebih sulit untuk mentransfer panas secara efektif hanya dengan konduksi.

2. Di zona silau (pikirkan tepat di bawah kanopi di pesawat tempur) dan area ini bisa sangat panas.

3. Di teluk di mana suhu lingkungan mungkin lebih dari 70C.

4. Di ujung sayap terdepan, yang dapat berkisar suhu dari kondisi lapisan es (jauh di bawah nol) hingga sangat panas (pada Mach 2 atau lebih, gesekan bahkan beberapa molekul yang tersedia masih sangat tinggi; itulah sebabnya pesawat ulang-alik ruang angkasa memiliki manajemen panas yang rumit untuk masuk kembali).

Sudah lazim memiliki persyaratan suhu tepi kartu 85C untuk periode singkat (biasanya 30 menit) dan tidak memerlukan banyak aktivitas prosesor (untuk menyebutkan satu jenis perangkat) untuk menaikkan suhu persimpangan ke 120C atau lebih.

Singkatnya, lingkungan militer dan kedirgantaraan benar-benar keras (seperti aplikasi lubang bawah secara tidak sengaja).

Seperti dicatat oleh orang lain, bagian kelas militer yang memenuhi syarat bisa mahal (sebanyak 10 kali lipat dari biaya setara komersial dan dalam beberapa kasus lebih) sebagai tanggapan atas beberapa produsen telah melembagakan program penyaringan untuk bagian plastik yang masih memiliki premi, tetapi tidak sebanyak solusi sebelumnya.

[Memperbarui]

Menanggapi komentar tentang suhu tepi kartu, berikut adalah sasis berpendingin konduksi khas:

Bagian luar sasis dikenal sebagai dinding dingin (di mana kita dapat mengetahui suhu) dan mungkin hanya logam atau memiliki metode lain untuk mempertahankan suhu yang cukup dikenal.

Sekarang, inilah kartu khas, dengan tangga panas:

Ini sering terbuat dari aluminium (murah dan memiliki parameter termal yang layak) dan tangga bersinggungan dengan tepi sisi selungkup di atas; karena akan ada beberapa perbedaan panas antara bagian luar dan bagian dalam kotak, suhu yang memenuhi persyaratan untuk PCB diatur pada tangga panas internal ini, yang, seperti yang dapat Anda lihat di tepi kartu .

Karena panas harus turun dari komponen ke titik ini, bukan tidak biasa untuk PCB pada komponen panas (seperti prosesor atau GPU) untuk mencapai 95C atau lebih dengan suhu tepi kartu 85C (yang sering merupakan spesifik kebutuhan).

$0.4 \frac {W} {mK}$

Dalam beberapa situasi, kita mungkin perlu menggunakan PCB berlapis termal yang meskipun mahal mungkin satu-satunya cara untuk mengeluarkan panas.

Beberapa komentar dan jawaban lain telah menyebutkan bahwa sirkuit elektronik harus berada dalam selungkup dan produksi panasnya sendiri membuatnya panas di sana. Itu belum cukup ditekankan. Untuk peralatan industri, komersial, dan otomotif, sirkuit elektronik seringkali perlu ditutup rapat dalam penutup yang tertutup rapat untuk mencegah segala macam kontaminan. Selain itu, tingkat daya yang lebih tinggi sering terjadi. Ada banyak kontrol motor, kontrol proses pemanasan dan aktuator kuat dari berbagai jenis. Pengontrol mikro harus dapat beroperasi di selungkup yang sama dengan peralatan semacam itu. Pada bangunan komersial, pengontrol motor dan pengontrol mikro untuk peralatan ventilasi dan pendingin pemanas sering dipasang di penutup atap yang tidak dikontrol suhu.

Peralatan industri umum menjadi panas karena panasnya sendiri. Kenaikan suhu tipikal di dalam selungkup adalah 20-30 derajat C. Jika dimasukkan ke dalam bangunan tanpa AC, suhunya mudah menuju 70-80 derajat, dan kadang-kadang bahkan kisaran industri tidak cukup. Dalam kasus seperti itu, semua jenis pendinginan digunakan: konveksi pasif, konveksi paksa, pendinginan air, dll.

Mengapa mereka begitu tinggi? karena lingkungannya tinggi & tidak semuanya akan berada di lingkungan yang dikontrol suhu yang bagus ... Manusia membutuhkannya, elektronik tidak menggunakan pesawat ... bagian yang terpasang pada penutup mesin akan mengalami ambient pada suhu 85C. Pada ketinggian bagian-bagian pesawat akan mengalami -55C.

Ini semua tentang pengujian burn-in. Wafer silikon memiliki beberapa cacat saat diproduksi, dan setiap elemen harus lulus inspeksi akhir. Oleh karena itu mereka memiliki apa yang disebut burn-in chamber untuk pengujian (saya tidak tahu keberadaan pembekuan, mungkin tidak diperlukan) di mana suhu yang berbeda diatur, sesuai dengan tujuan pasar.

Di konsumen, sebagian besar IC bertahan juga jika ada cacat. Dalam industri, mereka yang memiliki wafer cacat besar akan gagal, di ruang pembakaran militer, mereka yang cacat kecil akan gagal.

Jadi jika Anda beruntung, Anda bisa mendapatkan bagian konsumen yang bagus seperti militer. Saya lupa menyebutkan - tes ini biasanya merusak bagian yang rusak.

Seperti yang saya lihat, Anda membuat 3 pertanyaan. Satu pertanyaan utama dan 2 sub-pertanyaan (1,2).

Jawaban untuk pertanyaan utama adalah bahwa produk industri dan militer sebenarnya dapat mengalami kisaran suhu yang ditentukan, dan pengguna ingin diyakinkan bahwa produk tersebut tidak akan gagal , jika digunakan dalam kisaran suhu yang diberikan.

Jawaban atas pertanyaan 1 adalah bahwa ada dua parameter tambahan yang perlu dipertimbangkan: a) disipasi daya, b) margin keselamatan.
Agar chip dapat membuang daya, suhu sekitar harus 35C lebih rendah dari suhu di dalamnya. Juga, seseorang harus memungkinkan margin keamanan 25C lebih rendah dari suhu maks yang diperlukan. Untuk memperhitungkan persyaratan ini, produk yang akan digunakan dengan suhu sekitar 50C harus dapat bekerja pada suhu tidak kurang dari 110C (50 + 35 + 25). Jadi, membutuhkan komponen yang beroperasi pada 125C, tampaknya sangat masuk akal.

Jawaban untuk sub-pertanyaan 2 adalah tidak , Anda tidak harus menggunakan komponen kelas komersial , tidak meninggalkan margin keselamatan ! Anda perlu menggunakan kelas industri , atau lebih baik.

Jawaban sederhana (di sisi panas, di mana pertanyaan Anda difokuskan) yang paling baik ditempelkan ke beberapa jawaban yang ada adalah bahwa disipasi daya perangkat dapat dengan mudah mendapatkan suhu perangkat hingga (atau lebih) nilai suhu. Tugas desainer adalah mencoba dan menjaga perangkat dalam jangkauan fungsional; jika perangkat diberi peringkat 50C dan beroperasi di lingkungan 50C, ia tidak dapat menghilangkan daya APA PUN, sehingga tidak dapat benar-benar beroperasi tanpa sistem pendingin aktif.

Perangkat 125C dalam 50C yang sama memiliki 75C ruang kepala termal yang memungkinkan daya untuk dihilangkan pada apa pun hambatan termal yang berlaku untuk sistem.

Alasan lain adalah: karena mereka bisa!

Untuk aplikasi luar angkasa, mereka pasti menyukainya lebih tinggi (untuk suhu yang jauh lebih rendah).

Edit karena downvote yang tidak dapat dijelaskan:

Mungkin jawaban ini terlalu pendek untuk seseorang. Biarkan saya jelaskan sedikit lagi.

Ini adalah halaman yang memberikan beberapa indikasi juga.

• Batas atas silikon itu sendiri biasanya adalah 150 ° C. Jadi batas paket tidak bisa 150 ° C - 125 ° C adalah batas wajar jika pengemasan dan konsumsi daya memungkinkannya.
• Batas bawah dari silikon itu sendiri sesuai dengan tautan di atas sekitar -117 ° C (100 ° C). Dalam prakteknya terlalu jauh dari titik desain dari sirkuit terintegrasi.
• Jika batas untuk sirkuit komersial dan industri lebih besar, maka ada pertanyaan tentang ekonomi: lebih banyak perangkat harus dibuang. Jadi sekali lagi - untuk menjaga produk menarik secara ekonomi untuk aplikasi komersial dan industri, batas operasi harus dibatasi - tidak dapat secara ekonomi lebih tinggi (yang saat ini kurang benar daripada di masa lalu ketika batas-batas ini ditentukan).
• Tidak ada kelas ruang karena pasar kecil dan juga karena mereka telah belajar untuk bekerja dengan kelas-kelas lain - misalnya elektronik ditempatkan di pusat satelit di mana suhunya dalam batas dan tidak terlalu bervariasi. Mereka juga menggunakan desain spesifik - perangkat radiasi yang dikeraskan khususnya [radiasi dapat mencapai inti satelit] dan teknologi yang kurang terkena radiasi.