電子機器の温度制限が低いのはなぜですか？

結露とは別に、電子部品の温度が通常低いのはなぜですか？たとえば、私のラップトップは、使用中に-10°Cから75°Cの温度に沿って何かを言います。

物事はおそらく溶けるので、高温限界を理解することができます！

しかし、なぜ寒さはそんなに悪いことですか？

バッテリーは別として、どのコンポーネントが極度の低温損傷を被りますか？

それを使用するとダメージが増えますか？

機器を使用すると、この損傷が相殺されますか（使用によりウォームアップされるため）？

また、-50°C未満の極端な温度について話しているので、結露はまだ問題ですか？

注：私はそれを保存していないので、別の質問の複製ではありません。

注2：私は半導体について話しているのではなく、一般的に言っています。

-10°Cで発振するアンプを設計したことがあります。位相マージンを追加するように設計を変更して修正しました。この場合、発振は損傷を引き起こしませんでしたが、回路はこの状態ではうまく機能せず、エラーを引き起こしました。これらのエラーは、高温になるとなくなりました。

一部のプラスチックは凍結すると割れます。ドライアイスは-78.5°Cであり、ドライアイスで多くのプラスチックを破壊しました。たとえば、ドライアイスの塊がある場所で小さな破片に割れた完全に良いアイスチェストを破壊しました。

表面実装設計では、回路基板にはんだ付けされた部品と回路基板の間の膨張温度差係数が大きなストレスを引き起こす可能性があります。応力とひずみと温度の関係は、多くの場合、指定された温度範囲ではほとんど機能しません。機器の電源を入れると、古いコンポーネントのように、高温のコンポーネントの形状が変化し、壊れやすいプラスチックが破損する可能性があります。

機器が0°C未満の場合、それを暖かく湿度の高いオフィスに持ち込むと、回路基板に水が凝縮し、問題を引き起こす可能性があります。おそらく天気によっては霜でも同様のことが起こります。霜が溶けると、問題が発生する可能性があります。

午前中に航空貨物として運ばれてきた機器を受け取ったとき、私は最近非常に寒かったと仮定し、オフィスの箱を開ける前にゆっくりと暖めて乾いた状態に保つために数時間放置しました。

非常に冷たいギアをオンにすることは興味深いかもしれません。PTCやPPTCなどの電流制限コンポーネントには、より多くの電流が流れます。

ファンやディスクドライブなどのモーターの潤滑剤も問題になる可能性があります。

私はあなたに答えを出すことができます。私は半導体ICの仕様を書いたり検証したりした人の一人だったからです。

法的および倫理的に言えば、IC /プロセッサが機能することを確認したパラメータのみを承認できました。そして、上司とその上司、そして他の全員がテストの証拠を見て、彼らもそれらの制約を承認しました。

-100 Cで一連のテストを実行しなかった場合、プロセッサのバッチが-100 Cで動作することを倫理的または法的に承認できませんでした。

-15 Cの低いしきい値でサインオフしたプロセッサーを装備した-50 Cで機器を使用することを選択した場合、私の会社はそのプロセッサーに対する義務を負いません。保証を破りました。

-50 Cでのテストは、-15 Cでのテストよりもはるかに費用がかかります。テストサイトが実際に-50 C--であることを確認する必要があります。また、非常に危険です。

それに加えて、ICを極低温で動作させるには、特別な/ハーメチックパッケージが必要です。極端な例として、プラスチック製のパッケージに液体窒素を注ぐと、クラックや構造的な妥協が生じる可能性があります。

ダイとパッケージの膨張差により、ダイがその取り付け位置から引き剥がされたり、ダイが割れたりする可能性があります。

ICの機能における温度変動のシミュレーションを含むストレステストがあります。ラップトップが-10℃の凍結温度で車に座っているとしましょう。電源を入れて5分以内に85℃の温度に達します。そして、冬の間、毎晩それを行いました。北部のメイン州では毎冬、このような変動にさらされ、今後15年間運転するヘッドユニットと車に搭載されているコンピューターコントローラーについてはどうでしょうか。

極度の低温試験に関しては、機械工学の同僚が対処しなければならない機械的問題が多すぎました。それで、どのくらい低い温度で私たちに確認してもらいたいと思いますか？また、消費者がその低い温度のテストに対して喜んで支払いをするので、あなたはどれくらい余分に余分になりますか？

マザーボードをeBayから購入した1つまたは2つのプロセッサでオーバークロックする実験をする人とは異なり、1つまたは2つのユニットをテストして、ダイとパッケージングの非互換性などの機械的な問題がないことを確認することはできません。製品ラインを流れるICのストリームに適用される、許容可能な統計分布とその分布に該当するサンプリング計画を設計する必要があります。

場合によっては、これらのIC /プロセッサのテスト中に米国政府機関がOEMに代理人の出席を要求するため、制約の合法性がかなり関係する可能性があり、バッチに数日かかる場合があります。その代表は、私たちが実際にそのような制約でそのようなテストを実行したことを承認します。それは、100ドルのプロセッサが米国政府に2000ドルかかるということです。

そのため、米国政府機関が何らかの形でテストおよび検証された制約を超えて機器を操作することを決定した場合、いかなる事故または将来の誤動作についても法的責任を負いません。

多分、バッテリーや多分、LCDコンポーネントは、極端な寒さでも直接損傷を受けません。温度が極端に、特に急速に変化すると、温度または温度勾配による収縮の不一致による物理的な損傷が生じる可能性があります。

ただし、低温での動作は不可能な場合があります。コンポーネントは温度によって変化し、確実に動作しなくなったり、起動したり、完全に終了したりする場合があります。バイポーラトランジスタのゲインは温度とともに低下します。約50Kを大幅に下回ると、ほとんどのバイポーラ部品はキャリアのフリーズアウトにより完全に機能しなくなります。電解キャップは、氷点下をはるかに下回る温度を好まないため、その変化（より高いESRとより低い静電容量）により、他の部品が損傷する可能性があります。デジタルCMOSパーツは多かれ少なかれ正常に機能する可能性がありますが、チップのアナログ部分が仕様から外れたり、動作に失敗したりする場合があります（クロックオシレーターまたはマイクロのBORまたはADCなど）。

絶対零度に近づくと、さらに奇妙なことが起こります。たとえば、4.2K（液体ヘリウム）では、1N4148は緩和オシレーターを作成できます。さらに寒くなると、通常のはんだはすべての抵抗を失う可能性があり、磁束が閉じ込められるまで本当に素晴らしい音になります。

基本的な問題は、半導体の「自由な」電荷キャリアの密度が温度の強い関数であることです。温度が十分に低くなると、トランジスタなどを機能させるのに十分なキャリアが利用できなくなり、バルク半導体の実効直列抵抗も上昇します。回路の全体的なゲインは、設計エンジニアが許可したものを下回り、性能仕様を満たすことができなくなります。

実際のICに関連する温度制限は、融解などよりも熱膨張/収縮に関係しています。

ICはさまざまな材料で構成されています。ダイ、基板、ボンドワイヤ、ボンディング方法、脚、および本体。温度が変化すると、これらの異なる材料は膨張/収縮し、同じ速度で変化しない他の材料から引き裂かれます。

その後、ドーピングの品質が得られますが、これはウェーハのエッジでさらに問題になります。つまり、データシートに対する実際の特性（立ち上がり時間、伝播遅延など）は、電子の移動度が異なるため、指定された最小値/最大値を満たしません（製造者は通常、ICを作成し、軍用温度でテストします。 、工業用温度でテストします。それも失敗した場合は、商業用温度でテストします...失敗した場合、彼らはそれを廃棄し、歩留まりに追加します）。

次に、損傷の詳細があります...シリコンには、半導体に対する下限がありません。175°Cに上限があるため、破損します。

LCDは結晶を形成し、極端な温度で故障し、コンデンサの誘電体も同様に故障し始めます。

このような低温でのその他の問題は、たとえば、LCDが凍結し、反応が非常に遅いことです。

そして、最新のICテクノロジーのより重要なポイントは、低温でそれらを遅くする効果です（マルチVtおよびマルチ電圧ドメインのタイミング/温度反転の課題への対処を参照）。

また、この興味深い記事には、低温問題に関するその他の重要なポイントがあります：寒い環境向けの電子機器の設計。

いくつかの理由：

• 多くの場合-最低温度以下のコンポーネントを使用できますが、パラメータがデータシートで指定されたものと同じであることを期待しないでください
• コンデンサが縮小します-電極間の距離が変化します
• コンデンサ内の電解質が凍結し、容量が変化する場合があります

• 多くの電子デバイスは異なる材料で作られており、温度を広範囲に変化させるとバイメタルの破損のように動作する場合があります。多くの場合、製造業者は同様の熱膨張係数を持つ材料を使用してこれを回避するためにできることを行いますが、これは不可能な場合もあれば、単に不要な場合もあります

  

  これが、高電力デバイスが高温でビニングされる理由だと思います。たとえば、一部のCREEダイオードは85°C（185°F）でビニングされます。

場合によっては最低温度ではなく、温度範囲の広さについてです。

お使いのデバイスが非常に低い温度で動作することになっている場合は、スズの同素変態について読んでください。

特にシリコンは、ドーパントとしての熱励起に依存して半導体として機能し、その半導体特性の性質を温度に大きく依存します。これにより、基本的な低い動作制限と、動作するようにチップを設計できるかなり狭い温度範囲が得られます。広い温度範囲で動作する電子機器が必要な場合は、シリコンを使用しません。Gallium Arsnideエレクトロニクスはミリケルビン以下まで動作しますが、はるかに高価です。

抵抗器は、熱特性が異なる材料の混合物で設計されているため、熱効果が相殺され、指定された範囲で温度に対してほぼ一定の抵抗値が得られます。

指定された温度範囲外では、抵抗器の抵抗は指定された値から大きく逸脱する可能性があります。

関心のある問題として、精密抵抗器は残りの温度依存性と寸法ひずみ依存性のバランスをとる場合があります：基板が温度とともに収縮または成長すると、抵抗要素のひずみが抵抗を変化させ、抵抗の残りの温度依存性の一部を補います材料。

もう1つの要因は、低温でのデジタルタイミングです。通常、デジタル回路は温度が低いほど高速に動作しますが、回路のタイミングが失敗する場合があり（たとえば、ホールド時間違反により内部レジスタが失敗する場合があります）、回路は適切に機能しません。ラップトップでは、おそらく機械的な問題のためにHDDは機能しません（たとえば、ヘッドがディスクトラック上で正しく位置合わせされない）。

一般に、温度が低いほど半導体接合が速くなり、温度が低いほど優れています。-50Cは実際にはかなり控えめで、大きな問題ははるかに低くなります。

しかし、多くのことが間違っている可能性があります。日中の温度サイクルは、熱ストレスにつながる可能性があります。特に冷たい表面が暖かい湿った空気に当たると、結露が発生し、実際の問題を引き起こす可能性があります。

あなたの質問は本当に不完全です。-50°Cの保温室に保管されていれば、おそらくあなたのラップトップはいつまでも幸せになります。しかし、-50Cに出入りする場合、多くのトラブルの余地があります。絶対温度は、湿度の範囲、温度の範囲、および低温での物理的衝撃の大きさと同様に、1つの要因です。