Warum ist der Temperaturbereich von Industrie- und Militärprodukten so hoch?

Aus Wikipedia ist der übliche Temperaturbereich für elektrische Komponenten:

Kommerziell: 0 bis 70 ° C

Industriell: -40 bis 85 ° C

Militär: -55 bis 125 ° C

Ich kann den unteren Teil (-40 ° C und -55 ° C) verstehen, da diese Temperaturen in kalten Ländern wie Kanada oder Russland oder in großen Höhen existieren, aber der höhere Teil (85 ° C oder 125 ° C) ist ein etwas verwirrend für einige Teile.

Die Erwärmung von Transistoren, Kondensatoren und Widerständen ist sehr verständlich, aber einige ICs haben eine annähernd konstante geringe Wärmeerzeugung (wie Logikgatter).

1. Wenn ich einen Mikrocontroller in Betracht ziehe oder in einer Sahara-Wüste bei einer Umgebungstemperatur von 50 ° C arbeite (ich weiß nicht, ob es auf der Erde höhere Temperaturen gibt), warum brauche ich dann 125 ° C oder 85 ° C? Die durch den Stromausfall im Inneren entstehende Wärme sollte nicht 50 ° C oder 70 ° C betragen, da sonst der kommerzielle Teil in einer Umgebung von beispielsweise 25 ° C sofort ausfallen würde.

2. Wenn ich in einem gemäßigten Klima lebe, in dem die Temperaturen das ganze Jahr über nur im Bereich von 0 bis 35 ° C schwanken können und wenn ich Industrieprodukte nur für dasselbe Land entwerfe (kein Export), kann ich handelsübliche Komponenten verwenden (vorausgesetzt, keine Zertifizierung, Gesetzgebung) , und Rechenschaftspflicht besteht und nur Ingenieurethik Ihre Handlungen bestimmt)?

Die maximale Temperatur, die das Silizium erfährt, kann viel höher sein als die Umgebungstemperatur. 50 ° C Umgebungstemperatur passiert sicherlich. Das sind nur 122 ° F. Ich persönlich habe das im Kofa Wildlife Refugium nördlich von Yuma, Arizona, erlebt. Sie müssen für den schlimmsten Fall, nicht für den Wunschfall, entwerfen. Angenommen, die Umgebungstemperatur kann 60 ° C betragen.

Das ist an sich kein großes Problem, aber das kriegt man nicht von alleine. Nehmen Sie dasselbe Thermometer, das 60 ° C im Freien anzeigt, und legen Sie es in eine Metallbox, die auf dem Boden in der Sonne liegt. Es wird viel heißer.

Ich habe in Phoenix AZ gesehen, wie jemand ein Ei auf der Motorhaube eines Autos in der Sonne briet. Zugegeben, dies war ein Stunt, der absichtlich für diesen Zweck eingerichtet wurde. Das Auto war im rechten Winkel geparkt, die Motorhaube im rechten Winkel gekippt und schwarz lackiert. Es zeigt sich jedoch immer noch, dass nur ein Stück Metall, das in der Sonne sitzt, sehr heiß werden kann.

Ich habe einmal ein paar Tage lang ein Auto am Flughafen von Las Vegas geparkt. Ich hatte einen dieser billigen Kugelschreiber auf dem Armaturenbrett gelassen, der teilweise über die Seite hinausragte. Als ich zurückkam, war der Stift um 90 ° über die Lippe des Armaturenbretts gebogen. Ich weiß nicht, bei welcher Temperatur solche Stifte schmelzen, aber es wird deutlich heißer als die Umgebungstemperatur unter normalen Bedingungen in einer geschlossenen Box.

Wenn Sie ein billiges Stück Unterhaltungselektronik auf dem Armaturenbrett in der Sonne liegen ließen und es nicht funktionierte, wären Sie wahrscheinlich ein wenig irritiert, werfen Sie es weg und ersetzen Sie es. Wenn der Regler für Ihre Ölpumpe im Sommer nicht mehr funktioniert, weil es zu heiß wird, verlieren Sie viel Geld, sind ziemlich verärgert und kaufen wahrscheinlich den Ersatz von einem anderen Unternehmen, das die Qualität ernst nimmt. Wenn Ihr Raketenabwehrsystem nicht mehr funktioniert, weil Sie es in der Wüste des Irak eingesetzt haben, anstatt in einer netten, bequemen Teststrecke in Massachusetts, wo es entwickelt wurde, wären Sie tot. Die Beschaffungsbeauftragten, die nicht entlassen werden, werden besonders darauf achten, dass die gesamte Elektronik bei hohen Temperaturen arbeitet, und darauf bestehen, dass sie unter diesen Bedingungen getestet wird.

Zuallererst ist militärische Ausrüstung teuer. Sie können es sich leisten, Dinge nur dann auf hohe Temperaturen zu testen, wenn Ihr Kunde bereit ist zu zahlen. Militärkunden haben in der Regel Budgets, von denen normale Menschen nur träumen können.

Wenn Sie dann offensichtlich einen IC in eine Rakete einsetzen, möchten Sie möglicherweise nicht, dass dieses Ding versagt, wenn Ihre Rakete vom brennenden Ende oder vom luftreibenden Ende heiß wird. Gleiches gilt für Dinge, die in einen Satelliten, eine Interkontinentalrakete usw. eingebaut werden könnten: Sobald Sie in den Weltraum fliegen und sich im Schatten der Erde befinden, kann es sehr kalt werden. Militär und Luft- und Raumfahrt (in der Regel die gleichen Unternehmen) sind die typischen Orte, an denen ein Gerät einer Beschleunigung von viel G standhält, innerhalb von Sekunden heiß-kalt-heiß-kalt-heiß sein muss und dennoch extrem sein muss gut integriert und leicht, und wo die Kosten im Vergleich zum Risiko nicht wirklich wichtig sind:

Der Hauptunterschied (abgesehen von der Art und Weise, wie das Temperaturmanagement physisch durchgeführt wird) besteht lediglich darin, dass diese drei Anwendungsgruppen eine unterschiedliche Art der Risikobewertung durchführen:

• Consumer / Commercial Grade-Gerät : 1/5000 Ihrer Fernsehgeräte fallen innerhalb von fünf Jahren aus, weil einige ICs zu lange in der Hitze gebrannt haben. Schlechte Sache. Viele Kunden bekommen nur einen neuen. Für die verbleibenden 1 / 10.000 Kunden müssen Sie Serviceleistungen erbringen (rechnen Sie diese in Ihre Produktkosten ein) oder mit einem verschlechterten Image leben (was Sie nicht wirklich müssen, weil Ihre Konkurrenten dasselbe tun). Ein größerer Sicherheitsspielraum in Ihren Entwürfen ist daher wenig sinnvoll, da nur Komponenten bis an den Rand der angenommenen Umgebungsbedingungen getestet werden müssen. Sie befinden sich auf einem Markt, auf dem der Preis am wichtigsten ist, und die Ausfallrate ist hauptsächlich ein Problem für die Finanzen des Herstellers.
• Gerät in Industriequalität : Ihr Kunde ist jemand, der eine möglicherweise sehr teure Produktionslinie an Ihrem Produkt hängt . Nehmen wir an, die Produktionslinie von Volkswagen steht 8 Stunden still, weil Ihr IC nicht funktioniert hat. Das ist ein sehr solider Verlust, den Sie gerade verursacht haben. VW ist bereit, zusätzliche Kosten zu zahlen, nur um sicherzustellen, dass seine Lieferanten sicherstellen, dass Sie die Komponenten für alle Umgebungen getestet haben, die wahrscheinlich auftreten, und darüber hinaus, um dieses Risiko beherrschbar zu halten.
• Kfz-taugliches Gerät : Menschenleben stehen auf dem Spiel. Das ist nicht so wichtig wie die Tatsache, dass Autos höllisch vibrieren, kompliziert wie die Hölle sind, teilweise heiß wie die Hölle werden und millionenfach auf den Markt gebracht werden Unkritisch für die Sicherheit) bedeutet, dass Sie möglicherweise viele Autos warten müssen, was sehr teuer ist, und Sie riskieren sogar Ihr Markenimage. Jedes Land hat seine eigenen Vorurteile gegen "diesen Autohersteller mit minderer Zuverlässigkeit und schlechter Elektronik", und es beeinträchtigt ernsthaft ihre Verkäufe.
• Militärisches Gerät : Nun, das Versprechen des Militärs ist es, immer und überall einsatzbereit zu sein. Sie riskieren kein Versagen, nur weil sie nicht alle Lieferanten aufgefordert haben, die extremen Umweltanforderungen zu erfüllen. So rollen sie - überlassen Sie nichts dem Risiko, besonders wenn Ihre Anwendung sowieso teuer ist (denken Sie an Kampfflugzeuge) oder zu zehntausenden eingesetzt wird und immer noch lebens- und missionskritisch ist (denken Sie an militärische Kommunikationsausrüstung).

Militärausrüstung (und Luft- und Raumfahrt im Allgemeinen) ist häufig:

1. In einer nicht unter Druck stehenden Bucht erfolgt die Kühlung der Geräte durch Leitung. Bei 30.000 Fuß verliert die Konvektionskühlung an Bedeutung, da nur sehr wenige Luftmoleküle Wärme durch Konvektion übertragen können. Es ist viel schwieriger, Wärme nur durch Wärmeleitung effektiv zu übertragen.

2. In einer Blendungszone (denken Sie in einem Kampfflugzeug direkt unter dem Baldachin nach) und in diesem Bereich kann es sehr heiß werden.

3. In einer Bucht, in der die Umgebungstemperatur über 70 ° C liegen kann.

4. An der Vorderkante eines Flügels, dessen Temperatur von Vereisungsbedingungen (weit unter Null) bis zu sehr hohen Temperaturen (etwa Mach 2) reichen kann, ist die Reibung selbst der wenigen verfügbaren Moleküle immer noch sehr hoch, weshalb das Space Shuttle aufwändiges Wärmemanagement für den Wiedereintritt).

Es ist nicht ungewöhnlich, dass für kurze Zeiträume (normalerweise 30 Minuten) eine Kartenkantentemperatur von 85 ° C erforderlich ist, und es ist nicht viel Prozessoraktivität (um nur einen Gerätetyp zu nennen) erforderlich, um die Sperrschichttemperatur auf 120 ° C oder mehr zu erhöhen.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass Militär- und Luft- und Raumfahrtumgebungen (und im Übrigen auch Bohrlochanwendungen) sehr rau sind.

Wie von anderen angegeben, können vollqualifizierte Teile für militärische Zwecke teuer sein (bis zu 10-fache der Kosten des Handelsäquivalents und in einigen Fällen mehr). Als Reaktion darauf haben einige Hersteller Screening-Programme für Kunststoffteile eingeführt, die zwar immer noch einen hohen Stellenwert haben, aber nicht so hoch sind wie die vorherigen Lösungen.

[Aktualisieren]

Als Antwort auf den Kommentar zu den Kartenkantentemperaturen ist hier ein typisches leitungsgekühltes Gehäuse:

Der äußere Teil des Chassis ist als kalte Wand bekannt (wo wir die Temperatur kennen) und kann einfach aus Metall sein oder andere Methoden zur Aufrechterhaltung einer einigermaßen bekannten Temperatur haben.

Hier ist eine typische Karte mit Wärmeleitern:

Diese bestehen oft aus Aluminium (es ist billig und hat anständige thermische Parameter) und die Leitern haben Kontakt mit den Seitenkanten des darüberliegenden Gehäuses. Da es zwischen der Außenseite und der Innenseite der Box zu einem gewissen Wärmeverlust kommt, wird die Temperaturbeständigkeit der Leiterplatte an dieser internen Wärmeleiter eingestellt, wie Sie an der Kartenkante sehen können .

Da die Wärme von den Komponenten bis zu diesem Punkt abgegeben werden muss, ist es nicht ungewöhnlich, dass die Leiterplatte einer heißen Komponente (wie z. B. eines Prozessors oder einer GPU) 95 ° C oder mehr mit einer Kartenkantentemperatur von 85 ° C erreicht (was häufig ein spezifischer Wert ist) Anforderung).

Der Wärmewiderstand der meisten Aromen von FR-4 beträgt so dass bei diesem Kartentyp viele interne Metallschichten vorhanden sind.$0.4 \frac {W} {mK}$

In einigen Situationen müssen wir möglicherweise thermisch beschichtete Leiterplatten verwenden, die zwar teuer sind, aber möglicherweise die einzige Möglichkeit darstellen, die Wärme abzuleiten.

In mehreren anderen Kommentaren und Antworten wurde erwähnt, dass sich elektronische Schaltkreise in Gehäusen befinden müssen und die eigene Wärmeerzeugung es dort heiß macht. Das wurde nicht genug betont. Bei Industrie-, Gewerbe- und Kraftfahrzeugausrüstungen müssen elektronische Schaltkreise häufig in dicht verschlossenen Gehäusen eingeschlossen werden, um alle Arten von Verunreinigungen fernzuhalten. Darüber hinaus sind höhere Leistungsniveaus üblich. Es gibt viele Motorsteuerungen, Prozessheizungssteuerungen und leistungsstarke Stellantriebe verschiedener Art. Mikrocontroller müssen in der Lage sein, mit dieser Art von Ausrüstung in denselben Gehäusen zu arbeiten. In Gewerbegebäuden werden Motorsteuerungen und Mikrocontroller für Heizungs-, Lüftungs- und Kühlgeräte häufig in nicht temperaturgeregelten Dachgehäusen installiert.

Gängige Industrieanlagen werden durch eigene Wärme heiß. Ein typischer Temperaturanstieg innerhalb eines Gehäuses beträgt 20 bis 30 ° C. In einem Gebäude ohne Klimaanlage beträgt die Temperatur leicht 70 bis 80 ° C, und manchmal reicht selbst die industrielle Reichweite nicht aus. In solchen Fällen werden alle Arten der Kühlung verwendet: passive Konvektion, erzwungene Konvektion, Wasserkühlung usw.

Warum sind sie so hoch? Weil die Umgebung hoch ist und nicht alles in einer angenehmen, temperaturgeregelten Umgebung sitzt ... Der Mensch braucht es, die Elektronik nimmt kein Flugzeug ... Teile, die an der Motorhaube befestigt sind, werden einer Umgebungstemperatur von 85 ° C ausgesetzt sein. In der Höhe werden Teile des Rumpfes -55C erfahren.

Es dreht sich alles um Burn-In-Tests. Der Siliziumwafer weist bei der Herstellung einige Defekte auf, und jedes Element muss eine Endkontrolle bestehen. Daher haben sie eine sogenannte Einbrennkammer zum Testen (ich weiß nicht, ob Einfrieren vorliegt, wahrscheinlich nicht erforderlich), in der je nach Marktziel unterschiedliche Temperaturen eingestellt werden.

Beim Verbraucher überleben die meisten ICs auch dann, wenn ein Defekt vorliegt. In der Industrie werden diejenigen mit einem großen defekten Wafer versagen, in einem militärischen Brennraum werden diejenigen mit nur einem kleinen Defekt versagen.

Wenn Sie also Glück haben, können Sie einen Verbraucherteil erwerben, der so gut ist wie das Militär. Ich habe vergessen zu erwähnen - der Test ist normalerweise für defekte Teile zerstörerisch.

Aus meiner Sicht stellen Sie drei Fragen. Eine Hauptfrage und 2 Unterfragen (1,2).

Die Antwort auf die Hauptfrage lautet, dass die industriellen und militärischen Produkte möglicherweise tatsächlich den angegebenen Temperaturbereich aufweisen, und die Benutzer möchten sicher sein, dass die Produkte nicht versagen , wenn sie innerhalb des angegebenen Temperaturbereichs verwendet werden.

Die Antwort auf Unterfrage 1 lautet, dass zwei zusätzliche Parameter berücksichtigt werden müssen: a) Verlustleistung, b) Sicherheitsspanne.
Damit ein Chip Leistung abgeben kann, sollte seine Umgebungstemperatur 35 ° C niedriger sein als seine Innentemperatur. Außerdem sollte ein Sicherheitsabstand von 25 ° C unter der erforderlichen Maximaltemperatur liegen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, muss ein Produkt, das bei einer Umgebungstemperatur von 50 ° C verwendet werden soll, bei mindestens 110 ° C (50 + 35 + 25) arbeiten können. Es erscheint daher sehr vernünftig, Komponenten zu erfordern, die bei 125 ° C betrieben werden.

Die Antwort auf Unterfrage 2 lautet Nein , Sie sollten keine handelsüblichen Komponenten verwenden, da dies keinen Sicherheitsspielraum lässt ! Sie müssen Industriequalität oder besser verwenden.

Die einfache Antwort (auf der heißen Seite, auf die sich Ihre Frage konzentriert), die allenfalls auf einige der vorhandenen Antworten zutrifft, ist, dass die Verlustleistung des Geräts die Temperatur des Geräts leicht auf die Nennleistung (oder darüber hinaus) bringen kann Temperatur. Die Aufgabe der Designer besteht darin, das Gerät in einem funktionellen Bereich zu halten. Wenn das Gerät für 50 ° C ausgelegt ist und in einer Umgebung mit 50 ° C betrieben wird, kann es KEINE Leistung abgeben, sodass es ohne ein aktives Kühlsystem nicht betrieben werden kann.

Ein 125-C-Gerät im gleichen 50-C-Bereich verfügt über einen thermischen Headroom von 75 ° C, sodass die Leistung bei jedem für das System geltenden Wärmewiderstand abgeführt werden kann.

Ein weiterer Grund ist: weil sie sein können!

Für Weltraumanwendungen mögen sie es sicherlich höher (für eine viel niedrigere Temperatur).

Wegen ungeklärter Ablehnung bearbeiten:

Vielleicht war diese Antwort für jemanden zu kurz. Lassen Sie mich etwas mehr erklären.

Hier ist eine Seite mit einigen Hinweisen.

• Die Obergrenze des tatsächlichen Siliziums selbst liegt typischerweise bei 150 ° C. Das Limit der Verpackung kann also nicht 150 ° C sein - 125 ° C ist eine vernünftige Grenze, wenn die Verpackung und der Stromverbrauch dies zulassen.
• Die Untergrenze des eigentlichen Siliziums selbst liegt laut obigem Link bei -117 ° C (100 ° C). In der Praxis zu weit vom Auslegungspunkt der integrierten Schaltungen entfernt.
• Wenn die Grenzen für kommerzielle und industrielle Schaltungen größer sind, stellt sich die Frage der Wirtschaftlichkeit: Es müssten mehr Geräte weggeworfen werden. Um Produkte für gewerbliche und industrielle Anwendungen wirtschaftlich interessant zu halten, müssen die Betriebsgrenzen begrenzt werden, die wirtschaftlich nicht höher sein können (was heute weniger zutrifft als in der Vergangenheit, als diese Grenzen definiert wurden).
• Es gibt keine Raumklasse, weil der Markt klein ist und weil sie gelernt haben, mit den anderen Klassen zu arbeiten - zum Beispiel ist die Elektronik in der Mitte des Satelliten platziert, wo die Temperatur innerhalb von Grenzen liegt und nicht zu stark variiert. Sie verwenden auch spezielle Konstruktionen - insbesondere strahlungshärtende Geräte [Strahlung kann in den Kern des Satelliten gelangen] und Technologien, die weniger strahlungsempfindlich sind.