-40〜85度の作業環境の仕様で、-55度でMCUを動作させることは可能ですか。

誰かがスクリーニングの方法について言及していると聞きました。10のMCUを-55度で動作させ、正常に動作するものを見つけて、壊れたものを捨てます。

方法は適用可能ですか？MCUが私のスクリーニングテストで-55度で適切に動作し、実際の作業環境で失敗する可能性があることを心配しています。

そうでない場合、可能な解決策は何でしょうか？非常に優れたDSPパフォーマンスのため、stm32f4を使用しています。私たちが発見した-55度で動作するMCUにはDSPがなく、20MHz前後の低周波数でのみ動作します。

運用の限界に達していないことを確認する大雑把な方法は、範囲外でテストすることです。たとえば、通常よりも高いクロック速度と高い/低い電圧で、-65°Cの電圧で部品をテストする場合があります。

製造元はおそらく極端な温度でテストしていませんが、テスト条件下でどの程度のマージンが必要かを知っており、テストを行っています。また、すべてをテストしていることを確認する方法も知っています。あなたはそれを知りません。たとえば、発振器のようなものは-40°Cまで正常に動作し、非常に低い温度で動作を開始すると、-45°Cで起動できない場合があります。いくつかのタイミング条件のため、特定の命令が最初に失敗し始める場合があります。

メーカーがその温度に適したユニットを提供できる場合は、それが最適です。または、要件を緩和するためのロビー活動。または、ヒーターを入れて、許容可能なウォームアップ期間後の最低温度を保証します（おそらく、許容可能な温度に達するまで操作を禁止します）。

パーツが軍用のより低い温度範囲を満たす必要がある場合は、それが確実に機能することを本当に確認する必要があります。

あなたが言ったように、その温度範囲外でのテスト中にユニットを劣化させたかどうかを見分けることは不可能です。次の2つのオプションがあります。

1. 製造業者に連絡して、部品が耐えられるべき極端な温度を尋ねます。温度範囲が非常に似ていることに気付いたかもしれません。メーカーは、一般的に指定されている、実現可能でありながら潜在的な顧客にとって魅力的な温度範囲を選択し、パーツがより堅牢であると考えている場合でも、その温度範囲でテストできます。テストは高価です。彼らが奇跡的に答えるなら、私は彼らが確実に答えることは決してないだろうと保証します、そしてあなたの部品が死んだならそれはあなた自身の責任であると言います。ただし、信頼性の目標によっては、ユニットをテストし、その拡張温度範囲でユニットを使用する方が安心できる場合があります。
2. ヒーター、温度センサー、制御システム（同じマイクロコントローラー+ドライバーの場合もあります）を使用して、設定された制限内で温度を制御します。あなたは幸運にも低温で操作したいのですが、同じ周囲温度差に対しては簡単で安価です。正直なところ、これははるかに信頼性の高いシステムではそれほど問題にはなりません。ヒーターの電力要件の大まかな計算を行ってから、チップの近くに電力抵抗器とサーミスターをはんだ付けし、ヒーターのドライバー（単純なトランジスタの場合もあります）を追加して、で実行されている比例積分コントローラーからそれらを制御しますバックグラウンドで低周波数。これは、解くべき1つの方程式、約5-6のコンポーネント、および最大10行のコードです。PI制御を使用する必要すらありません。ヒステリシスを備えたコンパレータで十分です。

あなたが言及しているものは、時々「アップグレード」と呼ばれています。これは、アプリケーションと信頼性のニーズに応じて、コンポーネントの一部またはすべてに対して行う「遅延」の反対です。

これは、格上げに関する古い記事です。最後の推奨事項は適切です。製造元に連絡して、低温での動作によって何が影響を受ける可能性があるかを理解してください。彼らは限界を超えた運用を保証することは決してありませんが（あなたが彼らにとって大きな/戦略的顧客でない限り）、彼らは彼らが最も心配することについていくつかのガイダンスを提供することができるかもしれません。

本当の答えはたくさんの要因に依存します。熱サイクルが発生するのでしょうか（高温と低温の間）、-55℃で動作しますか？熱サイクルは、ボンドワイヤーとICパッケージングに機械的な障害を引き起こします。「ワンオフ」対「ミッションクリティカル」のアプリケーションですか、つまり、障害が発生した場合の結果は何ですか。これが「1回限り」の場合（短期間の使用のために1つのユニットが構築されている場合）、いくつかのユニットをテストしても問題ない可能性があります。それがミッションクリティカルな状況である場合、または部品が恒久的に低温で動作する場合は、おそらく認定にもっと努力したいと思うでしょう。

このようなスクリーニングは、長年にわたって軍事用途で行われてきました。理解しておくべき重要なことは、部品の性能における本当の「崖」がどこにあるかです。パーツがおそらく-200Cで機能しないことに同意することができます。また、パーツがおそらく-41C（STM32Fの動作範囲外）でも問題なく機能することに同意できるでしょう。メーカーは、コンポーネントの動作範囲にいくつかのガードバンドを設定しています。

関連する質問は次のとおりです。ガードバンドがどこにあるか（また、望ましい低温範囲が含まれるか）を把握できますか。また、複数のロット間で変化することはありませんか。

低温での部品の信頼性、およびそれらの故障の分布がどのように見えるかについて統計を得るには、多くの部品をテストする必要があることを理解するため、故障モードが実装に現れる可能性が高いかどうかを予測できます。そして、製品が生産されたら、何らかのアクセプタンスサンプリングで部品のパフォーマンスを監視する必要があります。

これらすべてに対する代替のアプローチは、ヒーターを取り付け、STM32Fのダイ温度センサーをヒーター制御ループのフィードバックとして使用することです。コールドスタートには役立ちませんが、継続的に実行されるユニットの場合は問題ありません。

MCUはCMOSだと思いますが、そうは言えません。すべてのMCUに自己発熱の問題があり、最大動作温度が制限されています。たとえば、充電器が接続されたiPhoneは、触ると約50Cを感じるが、操作時には内部的に125C以上になる。そのため、通常はサーモストリームによる認定中に制御されるMCUのテスト制限により、設計制限がOKであることが保証されます。この制限を下回ると、トランジスタの遅延が減少し、レースの危険性が高まります。さらに、固有のキャリア濃度が低下すると、移動度に影響が出ます。MCUにA / DまたはD / Aコンバーターがある場合、最大エラーなどの特性が増加するか、まったく機能しない可能性があります。

周波数のディレーティングはまったく役に立ちません（これは高温で役立つ場合があります）。範囲外でデバイスを使用する場合の主な欠点は、エラーの確率が低い場合でも、毎秒数百万の命令が実行されるため、重大なことです。電力消費にあまり気を配っていない場合は、コード内の省電力ルーチン（停止、スリープなど）を無効にすることができます。これにより、小さな断熱効果が得られ、厚い断熱材を使用することで強化できます。 。ただし、デバイスが非常に低い温度と高い温度で動作する必要がある場合、これは問題になります。

メーカーの低速ロットと高速ロットにアクセスできない限り、デバイスの事前認定はあまり役に立ちません。これらは、極端なドーピングと、信頼性を評価するための金属の厚さなどの他のパラメータになります。

予算に余裕がない場合は、ARMまたはその競合他社から独自のプロセッサのライセンスを取得し、独自の温度仕様に合わせて強化することができます。これは、顧客独自のツール（COT）アプローチとして知られています。必要に応じて、メモリコントローラIPおよび周辺機器のライセンスも取得できます。別の方法としては、カスタマイズを専門とする製造元に連絡し、拡張温度範囲で必要な製品を事前認定するよう依頼することもできます。

カスタマイズを行うメーカーは、チップの検証に必要なすべてのコンピューター支援設計（CAD）データベースにアクセスできます。その後、より低い温度で設計を再検証するのは簡単なことです。ただし、通常の範囲外の温度でシリコンを特性評価するために、別のベンダーに依存している場合があります。これには、広範なSPICEシミュレーションと関連するライブラリの特性化実験が必要ですが、これらは最大の顧客を除くすべての顧客が喜んで行うことの範囲を超えている可能性があります。このプロセスの一部として、前述のサーモストリームを使用して、指定した低温でも分割ロットがテストベクトルに合格することを確認できます。これはまた、他の回答で述べられているように、歩留まりの低下をもたらす可能性があります。