최소 작동 온도-우주?


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일부 마이크로 컨트롤러를 살펴본 결과 -25도 또는 -10도 등과 같은 "이상한"최소 작동 온도가 있습니다. 그러나 왜 최소, 최대가 있는지 이해가되지 않습니다. 모든 것이 녹아 부서지기 때문에 저항이 증가하여 신호가 너무 약해집니다. 그러나 당신이 차가운쪽으로 갈 때. 모든 것이 점점 좋아지고 저항이 줄어들고 모든 것이 안정됩니다. 그러나 아직 ... 최저 작동 온도는 -25 도입니다. 왜 0Kelvin이 아닌가?

나는 화성 로버와 다른 위성에 대해 생각하고 있었기 때문에 태양 뒤에서 거의 0-50 켈빈에서 작동하고 있습니다. 위키에 따르면 -87 ° C만큼 차가워집니다. 125 ° F). 그리고 이것은 여전히 ​​-25 도보 다 훨씬 춥습니다.

그렇다면 왜 마이크로 컨트롤러가 작동 온도가 가장 낮은 지 설명해 주시겠습니까? 더 철저할수록 좋습니다.


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-25는 차량 등의 공간에 따라 공간이 충분히 차갑지 않을 수도 있습니다. 또한 마이크로 컨트롤러가 너무 단단해서 의심 할 여지가 없습니다. 그러나 알래스카 나 카 난다 또는 차가워 질 수 있지만 여전히 작동 할 것으로 예상되는 기타 장치의 자동차 스테레오에 대해 생각해보십시오. 다이는 빨리 예열되지만 주위의 공기 등은 시간이 걸립니다. 상업용 부품은 너무 차가워지면 잠기고 전류가 흐르지 않으면 녹입니다.
old_timer

답변:


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2 차 편집! 아래의 jk의 답변을 기반으로 반도체에 대한 내 대답을 수정했습니다. 내가 수정 한 잘못된 비트를 보려면 기록을 읽으십시오!


특정 한도 내에서 모든 것이 이상해집니다. 물론, 저항은 도체에서는 향상되지만 반도체에서는 증가하며 IC의 작동 방식에 영향을 미칩니다. 트랜지스터가 저항을 수정할 수있는 방식으로 작동하는 방식을 기억하십시오. 온도가 너무 낮아서 저항을 더 이상 줄일 수 없다면 문제가 있습니다! 반도체가 갑자기 저항이되었다고 상상해보십시오. 어떻게 제어합니까? 더 이상 같은 방식으로 작동하지 않습니다! 산업 / 군사 사양에서 최소 작동 온도를 -40 ° C로 설정해야하므로 -25 ° C를 얻는 위치에서 약간 혼란스러워합니다.

그러나 우주 문제에 대해서는 우주 실험실에서 일할 때 대답 할 수 있습니다! 일반적으로 공간에 대한 세 가지 열 문제가 있습니다.

1) 우주에서는 열만 방출합니다. 방사선은 열을 제거하는 끔찍한 방법입니다. 대기에서는 주변 공기로 열을 전달하여 냉각이 훨씬 쉬워집니다. 따라서 우주에서는 열을 더 큰 복사 표면으로 가져 오려면 큰 방열판을 착용해야합니다.

2) 열을 발생시키지 않는 구성 요소가 있다면 공간이 너무 차갑게 차가워집니다! 일반적으로 수행하는 작업은 활성 발열체를 사용하여 방사하는 것보다 더 많은 열을 발생시키지 않지만 열 제한이있는 구성 요소를 유지하는 것입니다.

3) 열선은 태양 광선을 빠져 나가고 다시 들어가기 때문에 일반적입니다. 따라서 더운 때는 열을 방출 할 수있는 큰 방열판과 그렇지 않은 경우에는 히터를 사용하는 열 관리가 활발해야합니다.

또한 온도 범위가 점점 더 확장되는 확장 된 장치를 얻을 수 있지만 항상 한계가 있습니다. 그들 중 일부는 금속이 플라스틱보다 더 많이 수축하기 때문에 (또는 그 반대의 경우) 차가운 온도가 다이를 크랙하는 곳을위한 것입니다.

한계는 대부분 재료에 있습니다. 또한 포장용 세라믹으로 만든 공간 정격 칩을 얻는 경향이 있으며, 이는 열 제한을 높이거나 낮출 수도 있습니다.

어쨌든, 나는 그것이 당신을 위해 그것을 설명하기를 바랍니다. 나는 다른 질문에 답할 수는 있지만 저온 반도체의 물리학은 나의 장점이 아니라는 것을 인정할 것입니다!


1 차 편집 :

다음 은 더 낮은 온도에서 반도체 격자를 통해 전류 흐름을 생성하기에 충분히 여기되는 전자가 더 적다는 생각에 관한 위키피디아 항목 에 대한 링크 입니다. 이렇게하면 왜 저항이 높아지는 지, 왜 0 Kelvin이 선택이되지 않았는지 알 수 있습니다.


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재미있는 읽을 거리! 실제로 본드 와이어는 수축으로 인해 플라스틱 패키지에서 파손될 것으로 생각합니다.
jippie

금 본드 와이어에 대한 CTE 응력은 결빙보다 한 요소 낮습니다. 침입시 결빙시 수분 팽창이 발생합니다.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

우주 공간에서 IC를 죽이는 온도가 아니라 걱정해야 할 감마선입니다.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

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우주에서 IC를 죽일 모든 종류의 것들이 있습니다. 방사선으로 인한 래치 업은 분명히 우려 할 사항이지만 일부 테스트를 수행했으며 현대 트랜지스터의 작은 제조 크기로 인해 오래된 회로보다 탄력성이 높아졌습니다 (이상하게도). 그러나 어느 쪽이든, 나는 당신이 우주 환경에 대해 한 가지를 골라서 "그것! 그것을 어렵게 만드는 것"이라고 말할 수 있는지 확실하지 않습니다. 모두 어렵습니다 (아연 코팅 커넥터를 끔찍한 선택으로 만드는 가스 방출 문제는 언급조차하지 않습니다). 우주는 어렵다!
키트 Scuzz

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대기에서는 열을 공기로 전도 할뿐만 아니라 대류를 사용하여 뜨거운 공기를 열원으로부터 멀리 떨어 뜨립니다. 하나의 가격에 대한 두 가지 냉각 방법은 무료입니다.
MBraedley

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키트의 대답은 우주의 구성 요소에 대해서는 적절하지 않지만 반도체 대 도체 (수학 없이는 느슨하게)를 조금 확장 할 것이라고 생각했습니다.

온도 강하에 따라 도체 저항이 감소합니다. 저항은 자유 유동 전자가 통과하는 결정 격자의 진동으로 인해 느려지기 때문에 느슨합니다. 온도를 낮추면 진동이 줄어 듭니다.

온도 강하에 따라 반도체의 저항이 증가합니다. 처음에는 저온에서 전하를 운반 할 자유 전자가 없기 때문에 느슨합니다. 따뜻해지면서 더 많은 전하 운반체를 얻습니다. 이것은 구조의 진동 증가로 인한 추가 저항의 무게를가집니다.

마지막으로 초전도체는 이상한 양자 현상에 의존합니다. 매우 추운 온도 및 / 또는 자유 전자가 3D 고체가 아닌 2D 필름에 국한되어 물리학이 이상하게 될 수 있습니다.


이것은 반도체가없는 전자 기기가 일반적으로 극저온의 반도체 전자 기기보다 신뢰성이 높음을 의미합니까?
Lie Ryan

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@LieRyan 대신 사용하는 것에 의존하지 않습니까? 예를 들어, 극저온 환경에서 작동하는 진공관은 다른 조치를 취하지 않는 한 내부 (필라멘트)와 주변 환경 사이의 온도 차이로 인해 고장의 위험이 높은 것 같습니다.
CVn

그래, 장치 물리학을 복용 한 지 오래 됐어 ... 수정 해줘서 고마워!
키트 Scuzz

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추가 된 항공 우주 차량 시스템 연구소 (AVSI)이 문제에 대한 연구를 실시하고있다.

"집적 회로 신뢰성에 대한 정확한 정량적 물리- 물리적 접근" 결론은 특히 크기가 지난 30 년 동안 규모가 줄어든 물리 및 근본 원인 분석을 기반으로합니다.

1) ElectroMigration (EM) (금속 이온의 느린 누출로 인한 반도체 오염)

2) 약한 장 (및 감마선)으로부터 산화물 절연체를 통한 TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown) 또는 도체 경로의 느린 터널링

3) 핫 캐리어 주입 (HCI) : 홀의 농도가 메모리 셀에 의해 사용되는 전하 트랩에서 유전체 장벽을 뛰어 넘을 때 방사선에 의해 발생하는 메모리 상태가 영구적으로 변경 될 때까지 고장이 발생할 때까지 점차적으로 메모리 상태를 변경합니다.

4) NTITI (Negative Bias Temperature Instability, NBTI) PMOS 트랜지스터 임계 전압을 이동시키는 NBTI 스트레스는 트랜지스터 구조가 90 nm 이하에 도달하고 고장을 일으킬 정도로 정적 장시간 충전 트랩으로 악화됨에 따라 더욱 두드러졌다.

위의 4 가지 이유는 현재 우주 IC뿐만 아니라 소비자 IC에서도 가장 일반적입니다. 우주에는 더 많은 방사선과 환경 스트레스 요인이 있습니다. 무어의 법칙은 이러한 새로운 실패 모드를 가속화했습니다.

역사적으로 오래된 기술 IC의 가장 일반적인 이유는 포장 및 환경 스트레스로 인한 온도 범위가 제한적이었습니다.

열 충격, 응축 및 빠른 증발 및 열 드리프트의 아날로그 효과 소비자 IC는 플라스틱 케이스에서 0 ~ 85 ° C로 제한됩니다. 완벽한 밀봉이 아니며 습기 유입이 가능합니다. 그러나 공간 강화 유리 부동 태화 세라믹 IC조차도 열 제한이 있습니다. 아래에 언급 된 습기 문제 외에도 위의 가장 최근에 확인 된 문제를 읽으십시오.

편집 종료

시간이 지남에 충분한 수분 분자가 있고 기판을 얼리고 깨 뜨리면 실패합니다. 냉동 된 수분 분자로 얼어 붙은 상태에서 제대로 작동하면 해동하여 부식이나 누수가 발생합니다. 네 잘못이야 일부 플라스틱 씰은 약간 더 좋으며 자체 발열로 인해 일부 온도 이하에서 얼어 붙는 것을 방지하여 수분 이동을 줄입니다.

최고점에서 popcorm 효과는 수분을 날려 칩을 날려 버리고 Black 에폭시 등급은 지난 40 년 동안 Sumitomo로 인해 크게 개선되었습니다. Clear Epoxy는 일부 LED 케이스 또는 IR 장치에 적합하지 않으며 사용되지 않습니다. 따라서 납땜하기 전에 LED는 건조한 상태를 유지해야합니다. 금 휘스커 와이어 본드가없는 대형 LED 엔진의 현대적인 디자인은 특정 RH @ Temp 등급으로 무기한 등급이 부여되며 나머지는 높은 RH에 며칠 동안 노출 된 후 위험합니다. 실제로 그것은 유효한 위험이며 금 와이어 본드를 깎는 것을 제외하고는 ESD를 상처 입히는 것만 큼 나쁩니다.

그렇기 때문에 모든 공간 또는 군용 온도 범위 부품은 납에 유리 코팅이되어있는 세라믹 인 경향이 있으며 소비자 부품은 0 ℃로 평가됩니다.

Industrial 및 Military 온도 범위와 같은 예외는 Industrial보다 넓은 온도 범위에서 Military에 필요한 사양이 더 엄격하기 때문이지만 둘 다 보장되지는 않지만 아날로그 사양만으로는 광범위하게 작동합니다.

CMOS가 고온보다 더 빨리 작동합니다. TTL은 차가움보다 더 빨리 뜨겁고 접합 온도가 낮아 열을 덜 방출합니다. 나는 군대가 그것이 작동한다는 것을 증명하기 위해 한 시간 후에 <-40'C 드라이 아이스 한 봉지에서 HDD 8 "디스크 드라이브를 테스트했지만 머리 충돌을 방지하는 응결을 보장하지는 않습니다. (모터 베어링이 초 tho ....하지만 0'C가 얼어 붙는 것을 막는 것은 습도 위험입니다.


증명을 위해 저널 참조를 추가했습니다. 모든 집적 회로 (특히 마이크로 컨트롤러와 같은 큰 칩)의 온도에 영향을 미치는 제한 신뢰성 계수는 ​​반도체의 기능 이상의 기계적 패키징입니다. 여기에 이것을 설명하는 수백 개의 신뢰성 기사가 있습니다. 저온 한계의 편차가있는 이유를 설명하는 기사도 있습니다. 좋은 이유로 일부는 -40 ℃에서 등급이 낮아지고, 0C에서 연장 된 것은 나쁜 이유 일 수 있습니다. 비록 이윤이 이유라고 명시 적으로 언급하지는 않았지만, 후배 엔지니어들은 HALT를 잘못 적용하여 존재하는 화학적 이동 및 구조적 스트레스를 오해하여 적격 범위를 잘못 확장 할 수 있습니다. 더 현명한 회사는 정당한 이유들로 다시 거론 할 것이지만, 아래에서 참고할 것입니다.

1. 밀폐 된 특성은 디지털 현상이 아닙니다.

이것은 아날로그이며 기계적 패키지로 원자 적으로 붕괴되는 유입 또는 수분 누출량과 관련이 있습니다.
여기에 이미지 설명을 입력하십시오 위의 링크에 명시된 바와 같이

  1. "내부 탈기 (outgassing)는 물방울 응축 형성을 유발할 수 있으며, 따라서 장치 성능을 저하시키고 결과적으로 장치 고장을 초래할 수 있습니다." 2. "생산 된 씰은 처음에는 밀폐되어 있었지만 유리 캡슐 벽 (5.5 × 10-6 / ◦C)과 90 % 사이의 CTE 차이로 인해 식염수에서 침지 및 온도 순환이 길어질 때 심각한 피해를 입는 경향이있었습니다. Pt–10 % Ir 피드 스루 (8.7 × 10–6 / ◦C). "

  2. "도 6의 노모 그래프에서, 1.0 atm 및 0 ℃에서, 물방울을 형성하기 위해 필요한 수분 농도는 6,000 ppm임을 알 수있다.이 수증기 퍼센트 미만의 수준에서는 액체 방울이 불가능할 것이다. 따라서 대부분의 재료 및 밀봉 공정은 내부 패키지 환경을 장치 수명 동안 5,000ppm 이하의 수분으로 유지하도록 선택됩니다. " 그러나 오염은이를 변경할 수 있습니다. 여기에 이미지 설명을 입력하십시오

나는이 주제에 대한 책을 쓸 수 있었다, 그러나 나는 단지 내 증명하는 몇 가지 문헌, 참조 할 수 있도록 다음 다른 많은 사람들은, 이미 대답은 유효을 .

링크가있는 키워드


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이것이 회로가 특정 온도 이하에서 작동하지 않는 이유는 아닙니다. 확실히의 이유 IC를에 온도 사이클은 자신의 삶을 끝낼 것, 그리고 왜 수분이 제조 과정에서 문제가 발생할 것입니다,하지만이 문제는 요청이 있었는지 ... 아니다
키트 Scuzz

뿐만 아니라 후에. 나는 당신의 질문에만 대답하고 있습니다. Pls는 내 답변에 추가 된 증거를 참조하십시오. 수분 유입, 응력, CTE 등 및 패키징은 앞에서 논의한 이론적 한계 이전의 모든 IC 방식의 기능적 한계입니다. 나는 근거를 유지하고 관련성을 유지하려고 노력하고 있습니다.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

나는 당신의 대답이 유효하다는 것을 부인하지 않으며 나는 의미하지 않으려 고 노력하고 있습니다! 온도를 낮추고 제조하는 동안 수분이 유입되면 많은 문제가 발생할 수 있습니다. 이 스레드에서 묻는 질문에 대답하지 않는다고 말하려고합니다. "최소 작동 온도가 왜입니까?"
Kit Scuzz

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TI의 방사선 경화 c6701 프로세서 는 수분 문제로 인해 최소 -55 ° C의 온도를 기록 한다고 믿지 않습니다 . 더 이상 습기가없는 GEO 궤도의 위성에 c6701이 있으면 습기와 무관 한 전기적 및 기계적 이유로 인해 -70 ° C에서 작동하지 않습니다. 그리고 나는 asker가 온도 순환으로 인한 습기 고장이 아닌 이러한 유형의 고장에 대해 더 많이 묻고 있다고 생각합니다.
키트 Scuzz

특정 부분에 대해 물었다면 구체적인 대답을했을 것입니다. 귀하의 문의는 이상한 -10'C 및 기타 비표준 군용 IC 및 일부 마이크로 프로세서에 대한 일반적인 질문이므로 암시 적으로 일반적으로 정확한 대답을주었습니다. 한 번에 관련 답변을 원하면 새로운 질문을하십시오. BTW X-RAY 검사 등을
받았지만 여전히
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