เหตุใดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จึงมีอุณหภูมิ จำกัด ต่ำ

นอกเหนือจากการควบแน่นแล้วทำไมชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ถึงมีอุณหภูมิต่ำ? ตัวอย่างเช่นแล็ปท็อปของฉันพูดบางสิ่งบางอย่างตามเส้น -10 ° C ถึง 75 ° C อุณหภูมิขณะใช้งาน

ฉันสามารถเข้าใจขีด จำกัด อุณหภูมิสูงเพราะสิ่งต่าง ๆ อาจละลาย!

แต่ทำไมความเย็นถึงเป็นสิ่งเลวร้าย

นอกเหนือจากแบตเตอรี่ส่วนประกอบใดที่จะสร้างความเสียหายอย่างรุนแรงและเป็นอย่างไร

จะใช้มันเพิ่มความเสียหายหรือไม่

การใช้อุปกรณ์จะชดเชยความเสียหายนี้หรือไม่ (ขณะอุ่นเครื่องจากการใช้งาน)?

นอกจากนี้ฉันกำลังพูดถึงอุณหภูมิที่ต่ำกว่า -50 ° C ดังนั้นการควบแน่นยังเป็นปัญหาหรือไม่

หมายเหตุ: ฉันไม่ได้เก็บไว้ดังนั้นจึงไม่ได้ซ้ำกับคำถามอื่น

หมายเหตุ 2: ฉันไม่ได้พูดถึงเซมิคอนดักเตอร์ แต่พูดโดยทั่วไป

ฉันเคยออกแบบเครื่องขยายเสียงที่จะสั่นที่ -10 ° C ฉันแก้ไขมันโดยการเปลี่ยนการออกแบบเพื่อเพิ่มระยะขอบเพิ่มเติม ในกรณีนี้การแกว่งไม่ได้ทำให้เกิดความเสียหาย แต่วงจรทำงานได้ไม่ดีในสภาพนี้และทำให้เกิดข้อผิดพลาด ข้อผิดพลาดเหล่านี้หายไปเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

พลาสติกบางชนิดแตกเมื่อแช่แข็ง น้ำแข็งแห้งคือ -78.5 ° C และฉันทำพลาสติกแตกมากด้วยน้ำแข็งแห้ง ตัวอย่างเช่นฉันทำลายหีบน้ำแข็งที่ดีเลิศที่แตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยในจุดที่ฉันมีก้อนน้ำแข็งแห้งอยู่ในนั้น

ในการออกแบบที่ยึดพื้นผิวค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่แตกต่างกันของการขยายตัวระหว่างแผงวงจรบัดกรีและแผงวงจรอาจทำให้เกิดความเครียดที่รุนแรง ความสัมพันธ์ระหว่างความเครียดกับอุณหภูมิมักจะทำงานในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด เมื่ออุปกรณ์ขับเคลื่อนขึ้นส่วนประกอบที่ร้อนสามารถเปลี่ยนรูปร่างและแตกพลาสติกเปราะได้เหมือนหีบน้ำแข็งเก่าของฉัน

หากอุปกรณ์อยู่ต่ำกว่า 0 ° C จากนั้นให้นำไปที่สำนักงานที่อบอุ่นและชื้นน้ำจะกลั่นตัวบนแผงวงจรและอาจทำให้เกิดปัญหา น่าจะเป็นสิ่งที่คล้ายกันสามารถเกิดขึ้นได้กับน้ำค้างแข็งขึ้นอยู่กับสภาพอากาศ เมื่อน้ำค้างแข็งละลายอาจมีปัญหาได้

เมื่อฉันได้รับอุปกรณ์ในตอนเช้าที่บรรทุกสินค้าทางอากาศฉันคิดว่ามันหนาวมากและฉันปล่อยให้มันนั่งรอเป็นเวลาหลายชั่วโมงเพื่ออุ่นเครื่องอย่างช้า ๆ และแห้งก่อนเปิดกล่องในออฟฟิศ

การเปิดเกียร์ที่เย็นจัดอาจเป็นเรื่องที่น่าสนใจ ส่วนประกอบที่ จำกัด ในปัจจุบันบางอย่างเช่นPTCหรือPPTCจะผ่านกระแสได้มากขึ้น

น้ำมันหล่อลื่นในมอเตอร์เช่นพัดลมและดิสก์ไดรฟ์อาจเป็นปัญหาได้เช่นกัน

ฉันสามารถให้คำตอบกับคุณได้เพราะฉันเป็นหนึ่งในผู้ที่เขียนหรือตรวจสอบสเป็คของวงจรรวมเซมิคอนดักเตอร์

ฉันพูดได้อย่างถูกกฎหมายและมีจริยธรรมฉันสามารถลงชื่อใช้งานพารามิเตอร์ที่เราตรวจสอบแล้วว่าตัวประมวลผล IC / ทำงานได้เท่านั้น จากนั้นเจ้านายของฉันและเธอ / เจ้านายของเขาและทุกคนจะเห็นหลักฐานของการทดสอบและพวกเขาก็จะลงนามในข้อ จำกัด เหล่านั้นด้วย

ฉันไม่สามารถลงนามในทางจริยธรรมหรือทางกฎหมายว่าชุดประมวลผลจะทำงานที่ -100 C หากฉันไม่ได้ใส่ชุดการทดสอบที่ -100 C

หากคุณเลือกที่จะใช้อุปกรณ์ของคุณที่ -50 C ซึ่งมาพร้อมกับโปรเซสเซอร์ที่ฉันลงชื่อออกด้วยขีด จำกัด ต่ำ -15 C บริษัท ของฉันจะไม่มีภาระผูกพันใด ๆ กับโปรเซสเซอร์ดังกล่าวอีกต่อไป คุณทำลายการรับประกัน

การทดสอบที่ -50 C นั้นแพงกว่าการทดสอบที่ -15 C มากฉันต้องตรวจสอบเว็บไซต์ทดสอบที่ -50 C จริง ๆ มันก็อันตรายมาก

นอกจากนั้นบรรจุภัณฑ์แบบพิเศษ / แบบปิดผนึกนั้นจำเป็นสำหรับไอซีที่จะทำงานที่อุณหภูมิต่ำมาก เป็นตัวอย่างที่รุนแรงบรรจุภัณฑ์พลาสติกสามารถพัฒนารอยแตกหรือโครงสร้างที่ไม่เหมาะสมเมื่อเราเทไนโตรเจนเหลวลงบนพวกเขา

การขยายตัวที่แตกต่างกันระหว่างแม่พิมพ์และบรรจุภัณฑ์อาจทำให้แม่พิมพ์หลุดออกจากตำแหน่งที่แนบมา

มีการทดสอบความเครียดที่รวมถึงการจำลองการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในการทำงานของ IC สมมติว่าแล็ปท็อปของคุณกำลังนั่งอยู่ในรถในอุณหภูมิแช่แข็งที่ -10 องศาเซลเซียสคุณเปิดเครื่องและภายใน 5 นาทีอุณหภูมิจะสูงถึง 85 องศาเซลเซียสและตลอดฤดูหนาวคุณทำอย่างนั้นทุกเย็น แล้วเฮดยูนิตและตัวควบคุมคอมพิวเตอร์ที่อยู่ในรถของคุณจะเป็นอย่างไรใน 15 ปีข้างหน้าภายใต้ความผันผวนของทุกฤดูหนาวทางตอนเหนือของเมน

มีปัญหาทางกลหลายอย่างที่เพื่อนร่วมงานวิศวกรรมเครื่องกลของฉันต้องเผชิญเมื่อต้องทำการทดสอบที่อุณหภูมิต่ำมาก ดังนั้นคุณต้องการให้เราตรวจสอบอุณหภูมิต่ำแค่ไหนและคุณมีความพิเศษมากเพียงใดในฐานะผู้บริโภคที่ยินดีจ่ายสำหรับการทดสอบที่อุณหภูมิต่ำ

เราไม่สามารถทดสอบเพียงหนึ่งหรือสองหน่วยเพื่อตรวจสอบว่าไม่มีปัญหาทางกลเช่นความเข้ากันไม่ได้ระหว่างแม่พิมพ์และบรรจุภัณฑ์ซึ่งแตกต่างจากคนที่ใช้งานเมนบอร์ดในการทดสอบการโอเวอร์คล็อกด้วยหน่วยประมวลผลเพียงหนึ่งหรือสองตัวเท่านั้นที่ซื้อจากอีเบย์ เราต้องออกแบบการแจกแจงทางสถิติที่ยอมรับได้และแผนการสุ่มตัวอย่างที่จะตกอยู่ในการกระจายนั้นซึ่งจะใช้กับกระแสของไอซีที่ไหลผ่านสายผลิตภัณฑ์

ในบางครั้งความถูกต้องตามกฎหมายของข้อ จำกัด อาจมีส่วนเกี่ยวข้องค่อนข้างมากซึ่งหน่วยงานรัฐบาลของสหรัฐอเมริกาต้องการให้ OEM มีตัวแทนอยู่ในขณะที่เราทดสอบ IC / โปรเซสเซอร์เหล่านั้นซึ่งอาจใช้เวลาสองสามวันสำหรับแบทช์ ตัวแทนนั้นจะลงนามว่าเราได้ทำการทดสอบดังกล่าวในข้อ จำกัด ดังกล่าวแล้ว นั่นคือวิธีที่ตัวประมวลผล $ 100 จะมีค่าใช้จ่าย US govt $ 2000

เช่นว่าหากหน่วยงานรัฐบาลของสหรัฐอเมริกาตัดสินใจที่จะใช้งานอุปกรณ์เกินกว่าข้อ จำกัด ที่ผ่านการทดสอบและตรวจสอบแล้วเราจะไม่รับผิดชอบต่อความผิดพลาดใด ๆ หรือความผิดปกติในอนาคตอีกต่อไป

นอกเหนือจากแบตเตอรี่และส่วนประกอบของ LCD โดยทั่วไปจะไม่ได้รับความเสียหายโดยตรงแม้ในอุณหภูมิที่เย็นจัด หากอุณหภูมิเปลี่ยนเป็นสุดขั้วอย่างรวดเร็วโดยเฉพาะอย่างยิ่งอาจมีความเสียหายทางกายภาพเนื่องจากการหดตัวไม่ตรงกันกับการไล่ระดับอุณหภูมิหรืออุณหภูมิ

อย่างไรก็ตามอาจไม่สามารถใช้งานที่อุณหภูมิเย็นได้ - ส่วนประกอบเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิจนถึงจุดที่ไม่สามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถืออีกต่อไปอาจไม่เริ่มทำงานหรืออาจเลิกทำงานทั้งหมด อัตราขยายของทรานซิสเตอร์สองขั้วลดลงตามอุณหภูมิ ต่ำกว่ามากประมาณ 50K ชิ้นส่วน bipolar ส่วนใหญ่หยุดทำงานอย่างสิ้นเชิงเพราะผู้ให้บริการตรึง แคปอิเล็กโทรไลติกไม่ชอบอุณหภูมิที่ต่ำกว่าจุดเยือกแข็งมากและการเปลี่ยนแปลงของมัน (ESR ที่สูงขึ้นและความจุต่ำกว่า) อาจทำให้ชิ้นส่วนอื่นเสียหาย ส่วนของ CMOS แบบดิจิทัลอาจทำงานได้ดีขึ้นหรือน้อยลง แต่ชิ้นส่วนอะนาล็อกของชิปอาจออกจากสเป็คหรือไม่สามารถทำงานได้ (เช่น oscillator นาฬิกาหรือ BOR หรือ ADC ในไมโคร)

สิ่งแปลกประหลาดมากขึ้นเกิดขึ้นเมื่อคุณเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ - ที่ 4.2K (ฮีเลียมเหลว) เช่น 1N4148 สามารถทำให้ออสซิลเลเตอร์ผ่อนคลายได้ รับการบัดกรีที่เย็นกว่าและสามัญสามารถสูญเสียความต้านทานทั้งหมดซึ่งฟังดูดีมากจนกว่าคุณจะได้รับฟลักซ์แม่เหล็กติดอยู่

ปัญหาพื้นฐานคือความหนาแน่นของผู้ให้บริการประจุ "ฟรี" ในเซมิคอนดักเตอร์เป็นฟังก์ชันที่แข็งแกร่งของอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำพอมีพาหะไม่เพียงพอที่จะอนุญาตให้ทรานซิสเตอร์ ฯลฯ ทำงานและความต้านทานอนุกรมที่มีประสิทธิภาพของเซมิคอนดักเตอร์จำนวนมากก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน อัตราขยายโดยรวมของวงจรลดลงต่ำกว่าที่วิศวกรออกแบบอนุญาตและไม่สามารถปฏิบัติตามข้อกำหนดประสิทธิภาพได้อีกต่อไป

ขีด จำกัด อุณหภูมิที่เกี่ยวข้องกับ IC ที่เกิดขึ้นจริงนั้นเกี่ยวข้องกับการขยายตัวทางความร้อน / การหดกลับมากกว่าสิ่งที่ต้องการละลาย

IC ประกอบด้วยวัสดุที่แตกต่างกัน ความตายพื้นผิวพันธะวิธีการเชื่อมขาและร่างกาย เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไปวัสดุที่แตกต่างกันเหล่านี้จะขยายตัว / หดตัวและจะแตกตัวจากวัสดุอื่นที่ไม่เปลี่ยนแปลงในอัตราเดียวกัน

จากนั้นคุณมีคุณภาพของยาสลบปัญหาที่ขอบเวเฟอร์ นั่นหมายถึงลักษณะที่แท้จริงของแผ่นข้อมูล (เวลาที่เพิ่มขึ้น, ความล่าช้าในการแพร่กระจาย ฯลฯ ) ไม่เป็นไปตามค่าต่ำสุด / สูงสุดที่ระบุเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนั้นแตกต่างกัน (ผู้ผลิตมักจะสร้าง IC และทดสอบที่อุณหภูมิทางทหาร ทดสอบที่อุณหภูมิอุตสาหกรรมหากยังล้มเหลวทดสอบที่อุณหภูมิเชิงพาณิชย์ ... หากล้มเหลวพวกเขาจะทำมันเป็นเศษเหล็กและเพิ่มลงในหมายเลขผลผลิตของพวกเขา)

ถ้าอย่างนั้นคุณจะได้รับความเสียหายโดยเฉพาะ ... ซิลิคอนไม่ได้มีการ จำกัด เซมิคอนดักเตอร์ wrt ที่ต่ำกว่า มันมีค่าสูงสุดที่ 175 ° C ซึ่งมันจะได้รับความเสียหาย

จอแอลซีดีจะก่อตัวเป็นผลึกและสลายตัวที่อุณหภูมิสูงและไดอิเล็กทริกในตัวเก็บประจุก็เริ่มแตกตัว

ปัญหาอื่น ๆ ที่อุณหภูมิต่ำเช่นเป็นLCDที่แช่แข็งและมีปฏิกิริยาช้ามาก

และจุดที่สำคัญกว่าสำหรับเทคโนโลยีICสมัยใหม่คือเอฟเฟกต์ซึ่งทำให้ช้าลงที่อุณหภูมิต่ำกว่า (ดูการจัดการกับความท้าทายด้านการผกผันของเวลา / อุณหภูมิ / การผกผันของโดเมนแบบหลาย Vt และหลายแรงดันไฟฟ้า )

ฉันยังพบบทความที่น่าสนใจนี้ซึ่งมีบางจุดที่สำคัญอื่น ๆ เกี่ยวกับปัญหาอุณหภูมิต่ำในมันอิเล็กทรอนิกส์ที่ออกแบบมาสำหรับสภาพแวดล้อมที่เย็น

เหตุผลไม่กี่:

• ในหลายกรณี - คุณสามารถใช้ส่วนประกอบต่ำกว่าอุณหภูมิต่ำสุดเพียงแค่ไม่คาดหวังว่าพารามิเตอร์จะเหมือนกับที่ระบุในแผ่นข้อมูล
• ตัวเก็บประจุจะหดตัว - ระยะห่างระหว่างขั้วไฟฟ้าจะเปลี่ยน
• อิเล็กโทรไลต์ในตัวเก็บประจุอาจหยุดและความจุจะเปลี่ยน

• อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากทำจากวัสดุที่แตกต่างกันและอาจทำหน้าที่เหมือนการแตกหักของbimetalเมื่อคุณเปลี่ยนอุณหภูมิในช่วงกว้าง ในหลายกรณีผู้ผลิตทำสิ่งที่สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยใช้วัสดุที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนคล้ายกัน แต่บางครั้งสิ่งนี้เป็นไปไม่ได้หรือไม่จำเป็น

  

  ฉันเดาว่านี่คือเหตุผลว่าทำไมอุปกรณ์พลังงานสูงถูกหลอมละลายที่อุณหภูมิสูง ตัวอย่างเช่นไดโอด CREE บางอันถูกอบที่อุณหภูมิ 85 ° C (185 ° F)

บางครั้งก็ไม่ได้เกี่ยวกับอุณหภูมิต่ำสุด, บางครั้งมันเป็นเรื่องของวิธีการที่กว้างช่วงอุณหภูมิ

หากอุปกรณ์ของคุณควรทำงานในอุณหภูมิต่ำมาก - คุณควรอ่านเกี่ยวกับการแปลงดีบุกแบบออลโทรโทรปิกก

ซิลิคอนโดยเฉพาะนั้นขึ้นอยู่กับการกระตุ้นความร้อนของสารเจือปนเพื่อทำหน้าที่เป็นสารกึ่งตัวนำทำให้ธรรมชาติของคุณสมบัติสารกึ่งตัวนำขึ้นกับอุณหภูมิสูง นี่เป็นข้อ จำกัด ขั้นพื้นฐานสำหรับการทำงานที่ต่ำและช่วงอุณหภูมิค่อนข้างแคบซึ่งคุณสามารถออกแบบชิปของคุณให้ทำงานได้ หากคุณต้องการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้งานได้ในช่วงอุณหภูมิสูงคุณไม่ต้องใช้ซิลิคอน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของ Gallium Arsnide ทำงานไปจนถึงมิลลิเคลวินและที่ต่ำกว่า แต่มีราคาแพงกว่ามาก

ตัวต้านทานได้รับการออกแบบด้วยส่วนผสมของวัสดุที่มีคุณสมบัติทางความร้อนที่แตกต่างกันเพื่อให้ผลกระทบความร้อนยกเลิกและให้ค่าความต้านทานที่คงที่โดยประมาณเกี่ยวกับอุณหภูมิในช่วงที่กำหนด

นอกช่วงอุณหภูมิที่กำหนดความต้านทานของตัวต้านทานสามารถและจะแตกต่างอย่างรุนแรงจากค่าที่ระบุ

เป็นเรื่องที่น่าสนใจตัวต้านทานที่มีความแม่นยำบางครั้งสมดุลการพึ่งพาอุณหภูมิที่เหลือกับการพึ่งพาความเค้นของมิติ: เมื่อสารตั้งต้นหดตัวหรือเติบโตขึ้นกับอุณหภูมิ วัสดุ.

อีกปัจจัยหนึ่งคือช่วงเวลาดิจิตอลที่อุณหภูมิต่ำ โดยทั่วไปวงจรดิจิตอลจะทำงานเร็วกว่าที่อุณหภูมิต่ำกว่า แต่วงจรเวลาอาจล้มเหลว (เช่นการลงทะเบียนภายในอาจล้มเหลวเนื่องจากการละเมิดเวลาค้าง) ดังนั้นวงจรจะทำงานไม่ถูกต้อง ในแล็ปท็อป HDD อาจไม่ทำงานเนื่องจากปัญหาทางกล (เช่นหัวไม่เรียงอย่างถูกต้องบนแทร็กดิสก์)

โดยทั่วไปหนาวเย็นทำให้การแยกเซมิคอนดักเตอร์เร็วขึ้นและเย็นกว่าดีกว่า -50C ค่อนข้างเจียมเนื้อเจียมตัวจริงปัญหาใหญ่เกิดขึ้นน้อยกว่ามาก

แต่มีอะไรผิดพลาดมากมาย การขี่จักรยานอุณหภูมิในระหว่างวันอาจทำให้เกิดความเครียดจากความร้อน การควบแน่นอาจเกิดขึ้นและก่อให้เกิดปัญหาจริงโดยเฉพาะเมื่อพื้นผิวที่เย็นกระทบกับอากาศชื้นที่อบอุ่น

ดังนั้นคำถามของคุณไม่สมบูรณ์จริง ๆ หากเก็บไว้ในห้องระบายความร้อนที่ -50C แล็ปท็อปของคุณอาจจะมีความสุขมากไปเรื่อย ๆ แต่ถ้าย้ายเข้าและออกจาก -50C จะมีปัญหามากมาย อุณหภูมิสัมบูรณ์เป็นปัจจัยหนึ่งเช่นช่วงของความชื้นช่วงอุณหภูมิและขนาดของการกระแทกทางกายภาพที่อุณหภูมิต่ำ