Por que a faixa de temperatura dos produtos industriais e militares é tão alta?

Na Wikipedia, a faixa de temperatura comum para componentes elétricos é:

Comercial: 0 a 70 ° C

Industrial: -40 a 85 ° C

Militar: -55 a 125 ° C

Entendo a parte mais baixa (-40 ° C e -55 ° C), já que essas temperaturas existem em países frios como o Canadá ou a Rússia, ou em grandes altitudes, mas a parte mais alta (85 ° C ou 125 ° C) é uma um pouco confuso para algumas partes.

O aquecimento de transistores, capacitores e resistores é muito compreensível, mas alguns ICs têm uma geração de calor aproximadamente constante baixa (como portas lógicas)

1. Se estou pensando em um microcontrolador ou operado em desertos do Saara a 50 ° C ambiente (não sei se existe uma temperatura mais alta na Terra), por que precisaria de 125 ° C ou 85 ° C? O calor acumulado pela perda de energia interna não deve ser de 50 ° C ou 70 ° C, caso contrário, a parte Comercial falhará imediatamente em, por exemplo, ambiente de 25 ° C?

2. Se eu viver em um clima moderado, onde as temperaturas só podem variar entre 0 e 35 ° C durante todo o ano, e projetar produtos industriais apenas para o mesmo país (sem exportação), eu poderia usar componentes de classe comercial (assumindo que não há certificação, legislação ou legislação) e existe responsabilidade e apenas a ética da engenharia governa suas ações)?

A temperatura máxima que o silício experimenta pode ser muito mais do que ambiente. O ambiente a 50 ° C certamente acontece. Isso é apenas 122 ° F. Eu pessoalmente experimentei isso no refúgio de vida selvagem Kofa, ao norte de Yuma, Arizona. Você precisa projetar na pior das hipóteses, não na desejável. Então, digamos que o ambiente possa ser 60 ° C (140 ° F).

Isso por si só não é um grande problema, mas você não entende isso por si só. Pegue o mesmo termômetro que lê 60 ° C ao ar livre e coloque-o em uma caixa de metal no chão ao sol. Vai ficar muito mais quente.

Vi alguém fritar um ovo no capô de um carro ao sol em Phoenix AZ. Concedido, este foi um golpe deliberadamente criado para esse fim. O carro estava estacionado no ângulo reto, o capô inclinado no ângulo reto e pintado de preto. No entanto, ainda mostra que apenas um pedaço de metal sentado ao sol pode ficar muito quente.

Certa vez, deixei um carro estacionado no aeroporto de Las Vegas por alguns dias. Eu tinha deixado uma daquelas canetas esferográficas baratas no painel, em parte de lado. Quando voltei, a caneta estava dobrada a 90 ° sobre a borda do painel. Não sei em que temperatura essas canetas derretem, mas claramente fica muito mais quente que o ambiente sob condições comuns suficientes em uma caixa fechada.

Se você deixasse alguma peça barata de eletrônicos de consumo no painel ao sol e não funcionasse, provavelmente ficaria um pouco irritado, depois jogue-o e substitua-o. Se o controlador de sua bomba de óleo parasse de funcionar no verão porque estava muito quente, você perderia muito dinheiro, ficaria muito chateado e provavelmente compraria o substituto de uma empresa diferente que leva a qualidade mais a sério. Se seu sistema de defesa antimísseis parasse de funcionar porque você o implantou no deserto do Iraque, em vez de um bom e confortável intervalo de testes em Massachusetts, onde foi desenvolvido, você estaria morto. Os agentes de compras que não forem demitidos terão um cuidado extra ao exigir que todos os aparelhos eletrônicos trabalhem em alta temperatura e insistirão para que sejam testados nessas condições.

Primeiro de tudo, o equipamento militar é caro. Você pode se dar ao luxo de testar as coisas para altas temperaturas somente se o seu cliente estiver disposto a pagar. Clientes militares tendem a ter orçamentos com os quais as pessoas normais só podem sonhar.

Então, obviamente, se você colocar um CI em um míssil, poderá não querer que essa coisa falhe se o míssil esquentar por causa de sua extremidade em chamas ou de seu atrito com o ar. O mesmo vale para coisas que podem ser colocadas em um satélite, foguete intercontinental etc.: assim que você atinge o espaço e fica na sombra da terra, as coisas podem ficar realmente frias. Militar e aeroespacial (que geralmente são basicamente as mesmas empresas) são o local típico em que você espera que um dispositivo suporte muito G de aceleração, seja quente-frio-quente-frio-quente em segundos, ainda precisa ser extremamente bem integrado e leve, e onde os custos simplesmente não importam muito em comparação com o risco:

A principal diferença (além de como o gerenciamento de temperatura é feito fisicamente), porém, é simplesmente que esses três grupos de aplicações fazem um tipo diferente de avaliação de risco:

• dispositivo de nível comercial / para consumidor : 1/5000 de suas TVs falharão dentro de cinco anos, porque alguns ICs permaneceram quentes por muito tempo. Coisa ruim. Muitos clientes receberão apenas um novo. Para os 1 / 10.000 clientes restantes, você precisará prestar serviços de manutenção (calcule isso no custo do produto) ou viver com uma imagem degradada (que você realmente não precisa, porque seus concorrentes fazem o mesmo). Portanto, ter mais margem de segurança em seus projetos não faz muito sentido, assim como testar componentes até o limite das condições ambientais aceitáveis. Você está em um mercado em que o preço é mais importante e a taxa de falhas é principalmente uma preocupação para as finanças do fabricante.
• dispositivo de nível industrial : seu cliente é alguém que está articulando uma linha de produção possivelmente muito cara no seu produto. Digamos que a linha de produção da Volkswagen fique parada por 8h porque seu IC falhou em funcionar. Essa é uma quantidade muito sólida de perda que você acabou de causar. A VW estará disposta a pagar mais apenas para garantir que seus fornecedores testem os componentes para todos os ambientes que provavelmente ocorrerão, e um pouco além, para manter esse risco gerenciável.
• dispositivo automotivo : vidas humanas estão em risco. Isso não é tão importante quanto o fato de que os carros vibram como o inferno, são complexos como o inferno, ficam parcialmente quentes como o inferno e são distribuídos em milhões , o que significa que descobrir que qualquer componente fica um pouco quente para funcionar de maneira confiável (mesmo que seja apenas algo que não é crítico para a segurança) significa que você pode precisar fazer a manutenção de muitos carros, o que é muito caro e realmente arriscar sua imagem de marca. Todo país tem seus próprios preconceitos contra "esse fabricante de carros com confiabilidade ruim e eletrônicos ruins", e isso prejudica seriamente suas vendas.
• dispositivo de nível militar : Bem, a promessa dos militares é estar pronto sempre que desejar. Eles não correrão o risco de algo falhar apenas porque não pediram a todos os fornecedores que cumprissem especificações ambientais extremas. É assim que eles rolam - não deixe nada em risco, especialmente se o seu aplicativo for caro demais (pense em jatos de combate) ou for implantado em dezenas de milhares e ainda for essencial à vida e à missão (pense em equipamentos de comunicação militar).

O equipamento militar (e aeroespacial em geral) geralmente é:

1. Em um compartimento não pressurizado, o que significa que o equipamento é resfriado por condução. O resfriamento por convecção perde o significado a 30.000 pés, pois existem muito poucas moléculas de ar para transferir calor por convecção. É muito mais difícil transferir efetivamente o calor apenas por condução.

2. Em uma zona ofuscante (pense logo abaixo do dossel em um avião de combate) e essa área pode estar muito quente.

3. Em uma baía onde a temperatura ambiente pode exceder 70 ° C.

4. Na extremidade dianteira de uma asa, que pode variar de temperatura, desde condições de congelamento (bem abaixo de zero) até muito quente (no Mach 2 ou mais, o atrito de até as poucas moléculas disponíveis ainda é muito alto; é por isso que o ônibus espacial tinha gerenciamento de calor elaborado para reentrada).

Não é incomum ter um requisito de temperatura da borda do cartão de 85 ° C por curtos períodos (normalmente 30 minutos) e não é necessária muita atividade do processador (para citar apenas um tipo de dispositivo) para aumentar a temperatura da junção para 120 ° C ou mais.

Em resumo, os ambientes militar e aeroespacial são realmente severos (assim como os aplicativos de fundo de poço, aliás).

Como observado por outros, peças de nível militar totalmente qualificadas podem ser caras (até 10 vezes o custo do equivalente comercial e, em alguns casos, mais); em resposta a isso, alguns fabricantes instituíram programas de triagem de peças plásticas que ainda têm um prêmio, mas não tanto quanto as soluções anteriores.

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Em resposta ao comentário sobre as temperaturas da borda da placa, eis um chassi típico de refrigeração por condução:

A parte externa do chassi é conhecida como parede fria (onde podemos conhecer a temperatura) e pode ser simplesmente metálica ou ter outros métodos para manter uma temperatura razoavelmente bem conhecida.

Agora, aqui está uma placa típica, com escadas térmicas:

Geralmente são feitos de alumínio (é barato e tem parâmetros térmicos decentes) e as escadas estão em contato com as bordas laterais do gabinete acima; como haverá algum diferencial de calor entre o exterior e o interior da caixa, o requisito de temperatura suportada pela placa de circuito impresso é definido nesta escada de calor interna, ou seja, como você pode ver na borda da placa .

Como o calor deve passar dos componentes até esse ponto, não é incomum que a placa de circuito impresso em um componente quente (como um processador ou GPU) atinja 95 ° C ou mais com uma temperatura de 85 ° C na borda da placa (que geralmente é um problema específico). requerimento).

$0.4 \frac {W} {mK}$

Em algumas situações, podemos precisar usar PCBs termicamente revestidos que, apesar de caros, podem ser a única maneira de aliviar o calor.

Vários outros comentários e respostas mencionaram que os circuitos eletrônicos precisam estar em gabinetes e sua própria produção de calor o torna quente lá dentro. Isso não foi estressado o suficiente. Para equipamentos industriais, comerciais e automotivos, os circuitos eletrônicos geralmente precisam ser selados em gabinetes hermeticamente fechados para evitar todo tipo de contaminantes. Além disso, níveis mais altos de energia são comuns. Existem muitos controles de motor, controles de aquecimento de processo e atuadores poderosos de vários tipos. Os microcontroladores precisam poder operar nos mesmos gabinetes com esse tipo de equipamento. Em edifícios comerciais, controladores de motor e microcontroladores para aquecimento de equipamentos de ventilação e refrigeração costumam ser instalados em gabinetes na cobertura que não são controlados pela temperatura.

Os equipamentos industriais comuns esquentam devido ao seu próprio calor. Um aumento típico de temperatura dentro de um gabinete é de 20 a 30 graus C. Se instalado em um prédio sem ar-condicionado, a temperatura vai facilmente para 70 a 80 graus e, às vezes, até a faixa industrial não é suficiente. Nesses casos, todos os tipos de resfriamento são usados: convecção passiva, convecção forçada, resfriamento a água, etc.

Por que eles são tão altos? porque o ambiente é alto e nem tudo ficará em um ambiente agradável com temperatura controlada ... Os seres humanos precisam, a eletrônica não pega uma aeronave ... as peças presas ao capô do motor experimentam um ambiente de 85 ° C. À altitude, partes da fuselagem sofrerão -55C.

É tudo sobre testes de queima. A pastilha de silicone apresenta alguns defeitos quando produzida, e cada elemento deve passar por uma inspeção final. Portanto, eles têm a chamada câmara de queima para testes (não sei a existência de congelamento, provavelmente não é necessário) onde temperaturas diferentes são definidas, de acordo com o destino do mercado.

No consumidor, a maioria dos CIs também sobrevive se houver um defeito. Na indústria, aqueles com uma grande bolacha defeituosa falharão, na sala de queima militar, aqueles com apenas um pequeno defeito falharão.

Portanto, se você tiver sorte, poderá obter uma parte do consumidor que seja boa como militar. Eu esqueci de mencionar - o teste geralmente é destrutivo para peças defeituosas.

Na minha opinião, você está fazendo três perguntas. Uma questão principal e duas sub-questões (1,2).

A resposta para a pergunta principal é que os produtos industriais e militares podem realmente experimentar a faixa de temperatura especificada e os usuários querem ter certeza de que os produtos não falharão , se usados ​​dentro da faixa de temperatura especificada.

A resposta à subquestão 1 é que existem dois parâmetros adicionais que precisam ser considerados: a) dissipação de energia, b) margem de segurança.
Para que um chip consiga dissipar energia, sua temperatura ambiente deve ser 35 ° C mais baixa que a temperatura interna. Além disso, deve-se permitir uma margem de segurança de 25 ° C abaixo da temperatura máxima exigida. Para atender a esses requisitos, um produto para ser usado com uma temperatura ambiente de 50 ° C precisa poder trabalhar a não menos que 110 ° C (50 + 35 + 25). Portanto, exigir componentes que operem a 125 ° C parece muito razoável.

A resposta à sub-pergunta 2 é não , você não deve usar componentes de classe comercial , não deixa margem de segurança ! Você precisa usar classe industrial , ou melhor.

A resposta simples (no lado quente, que é onde sua pergunta está focada), que é, na melhor das hipóteses, abordada em algumas das respostas existentes, é que a dissipação de energia do dispositivo pode facilmente obter a temperatura do dispositivo até (ou além) da temperatura nominal temperatura. O trabalho dos designers é tentar manter o dispositivo em uma faixa funcional; se o dispositivo estiver classificado para 50 ° C e operando em um ambiente de 50 ° C, não poderá dissipar QUALQUER energia; portanto, não poderá operar sem um sistema de refrigeração ativo.

Um dispositivo de 125C no mesmo 50C possui 75C de altura livre térmica, permitindo que a energia seja dissipada em qualquer resistência térmica que se aplique ao sistema.

Outro motivo é: porque eles podem ser!

Para aplicações espaciais, eles certamente gostam mais (para uma temperatura muito mais baixa).

Edite por causa de voto negativo inexplicável:

Talvez essa resposta tenha sido curta demais para alguém. Deixe-me explicar um pouco mais.

Aqui está uma página com algumas indicações também.

• O limite superior do próprio silício real é tipicamente 150 ° C. Portanto, o limite da embalagem não pode ser de 150 ° C - 125 ° C é um limite razoável se o consumo de embalagem e energia permitir.
• O limite inferior do próprio silicone está de acordo com o link acima, a cerca de -117 ° C (100 ° C). Na prática, muito longe do ponto de projeto dos circuitos integrados.
• Se os limites para circuitos comerciais e industriais são maiores, há a questão da economia: mais dispositivos teriam que ser jogados fora. Então, novamente - para manter os produtos economicamente interessantes para aplicações comerciais e industriais, os limites operacionais precisam ser limitados - não podem ser economicamente mais altos (o que é menos verdadeiro hoje do que era no passado quando esses limites foram definidos).
• Não há classificação espacial porque o mercado é pequeno e também porque eles aprenderam a trabalhar com as outras classes - por exemplo, a eletrônica é colocada no centro do satélite, onde a temperatura está dentro dos limites e não varia muito. Eles também usam projetos específicos - dispositivos endurecidos por radiação em particular [a radiação pode chegar ao núcleo do satélite] e tecnologia menos sujeita à radiação.