産業用および軍事用製品の温度範囲がこれほど高いのはなぜですか？

ウィキペディアから、電気部品の一般的な温度範囲は次のとおりです。

コマーシャル：0〜70°C

工業用：-40〜85°C

ミリタリー：-55〜125°C

これらの温度はカナダやロシアなどの寒い国や高地に存在するため、下部（-40°Cおよび-55°C）は理解できますが、上部（85°Cまたは125°C）は一部の部分で少し混乱します。

トランジスタ、コンデンサ、および抵抗器の加熱は非常に理解しやすいですが、一部のICはほぼ一定の低発熱（ロジックゲートなど）を備えています

1. マイクロコントローラを検討している場合、または周囲温度50°Cのサハラ砂漠で動作している場合（地球上に高温があるかどうかはわかりません）、なぜ125°Cまたは85°Cが必要ですか？内部の電力損失から発生する熱は50°Cまたは70°Cであってはなりません。

2. 気温が一年中0〜35℃の範囲でしか変動しない中程度の気候に住んでいて、同じ国のみ（輸出なし）の工業製品を設計する場合、商用グレードのコンポーネントを使用できます（認証、法律はありません） 、および説明責任が存在し、エンジニアリング倫理のみがあなたの行動を支配しますか？

シリコンが受ける最高温度は、周囲温度よりもはるかに高くなる場合があります。周囲温度は50℃です。それはわずか122°Fです。私はアリゾナ州ユマの北にあるコファ野生生物保護区でそれを個人的に経験しました。希望的なケースではなく、最悪のケースに合わせて設計する必要があります。したがって、周囲温度は60°C（140°F）になる可能性があるとします。

それ自体はそれほど大きな問題ではありませんが、それ自体は得られません。屋外で60°Cを読み取る同じ温度計を使用して、太陽の下で地面に座っている金属製の箱に入れます。ずっと暑くなるでしょう。

アリゾナ州フェニックスで、太陽の下で車のボンネットの上で誰かが卵を揚げるのを見たことがあります。確かに、これはこの目的のために意図的に設定されたスタントでした。車は直角に駐車され、ボンネットは直角に傾けられ、平らな黒に塗られました。しかし、それでも太陽の下に座っている金属片が本当に熱くなることがあることを示しています。

私はかつてラスベガス空港に駐車した車を数日間置いていました。私はダッシュボードにそれらの安価な「スティック」ボールペンの1つを残して、部分的に側面から突き出ていました。私が戻ったとき、ペンはダッシュボードのリップ上で90°に曲がっていました。このようなペンがどの温度で溶けるかはわかりませんが、密閉された箱の中で一般的な十分な条件下では、周囲よりも明らかに高温になります。

太陽の下でダッシュボードに安価な家電製品を置いて、それが機能しなかった場合、おそらく少しイライラして、それを投げて交換してください。暑くなりすぎたためにオイルポンプのコントローラーが夏に機能しなくなった場合、多額のお金を失い、かなり動揺し、おそらく品質をより重視する別の会社から交換品を購入することになります。ミサイル防衛システムが開発されたマサチューセッツ州の快適なテスト範囲ではなく、イラクの砂漠に配備したためにミサイル防衛システムが機能しなくなったら、死んでしまいます。解雇されない調達担当者は、すべての電子機器を高温で動作させるように細心の注意を払っており、それらの条件の下でテストを行うことを要求します。

まず、軍事装備は高価です。顧客が喜んで支払いをする場合にのみ、実際に高温で物事をテストする余裕があります。軍の顧客は、普通の人が夢見ることしかできない予算を持つ傾向があります。

そして、明らかに、ICをミサイルに入れた場合、ミサイルが燃焼端または空中摩擦端から熱くなったとしても、そのことを失敗させたくないかもしれません。同じことが、衛星や大陸間ロケットなどに置かれる可能性のあるものにも当てはまります。宇宙に衝突し、地球の影にいるとすぐに、物事は本当に寒くなる可能性があります。軍事および航空宇宙（通常はほぼ同じ企業）は、デバイスが多くのGの加速に耐え、数秒以内に暑い寒い暑い暑さに耐えることが期待される典型的な場所です。統合性と軽量性があり、リスクと比較してコストがそれほど重要ではない場合：

ただし、（温度管理が物理的に行われる方法を除いて）主な違いは、これら3つのアプリケーショングループが異なる種類のリスク評価を行うことです。

• 民生用/商用グレードのデバイス：一部のICは長すぎる熱で焼かれているため、5年以内にテレビの1/5000が故障します。悪いこと。多くのお客様は新しいものを入手するだけです。残りの1 / 10,000の顧客については、サービスを行う（製品コストに計算する）か、品質の低下した画像を使用する必要があります（競合他社も同じであるため、実際には必要ありません）。したがって、想定される環境条件の端までコンポーネントをテストするのと同じように、設計でセキュリティマージンを増やすことはあまり意味がありません。あなたは価格が最も重要な市場にいます。そして、故障率は主にメーカーの財政上の懸念です。
• 工業用グレードのデバイス：顧客は、製品の非常に高価な生産ラインを使用している人です。ICが機能しなかったため、フォルクスワーゲンの生産ラインが8時間残っているとしましょう。それはあなたが今引き起こした非常に堅実な損失です。VWは、そのリスクを管理しやすくするために、サプライヤが発生する可能性のあるすべての環境でコンポーネントをテストしたことを確認するためだけに追加料金を支払おうとします。
• 自動車グレードのデバイス：人命が危険にさらされています。それは、車が地獄のように振動し、地獄のように複雑で、部分的に地獄のように熱くなり、数百万単位で展開されるという事実ほど重要ではありません。安全性にとって重要ではないもの）は、多くの車の修理が必要になる可能性があることを意味します。これは本当に高価であり、実際にブランドイメージを危険にさらします。すべての国は、「見掛け倒しの信頼性と悪い電子機器を備えた自動車メーカー」に対して独自の偏見を持ち、売り上げに深刻な打撃を与えています。
• ミリタリーグレードのデバイス：ええと、ミリタリーの約束はいつでも準備ができていることです。彼らはなりません、彼らは極端な環境仕様を満たすためにすべてのサプライヤーを求めなかったという理由だけで、失敗は何を危険にさらします。それは、その方法です。特に、アプリケーションがとにかく高価な場合（戦闘機を考えてください）、または数万に展開されて、まだ生命とミッションクリティカルである場合（軍事通信機器を考えてください）

多くの場合、軍事（および一般的に航空宇宙）機器は次のとおりです。

1. 加圧されていないベイでは、機器の冷却は伝導によって行われます。対流によって熱を伝達する空気分子は非常に少ないため、対流冷却は30,000フィートでは意味を失います。伝導のみによって熱を効果的に伝達することははるかに困難です。

2. グレアゾーン（戦闘機のキャノピーのすぐ下を考える）で、このエリアは非常に暑くなることがあります。

3. 周囲温度が70°Cを超える可能性のあるベイ。

4. 着氷状態（ゼロ以下）から非常に高温（マッハ2程度）の温度範囲にある翼のリーディングエッジでは、利用可能な少数の分子でさえ摩擦が非常に高いため、スペースシャトルが使用されます。再入国のための入念な熱管理がありました）。

短時間（通常30分）に85℃のカードエッジ温度要件を持つことは珍しくなく、ジャンクション温度を120℃以上に上げるのに多くのプロセッサ（1つのデバイスタイプを挙げると）アクティビティを必要としません。

要約すると、軍事および航空宇宙環境は非常に過酷です（偶然ダウンホールアプリケーションと同様）。

他の人が述べたように、完全に認定された軍用グレードの部品は高価である可能性があります（商用同等品の10倍、場合によってはそれ以上）。それに応えて、一部の メーカーは、以前のソリューションほどではないが、まだプレミアムを持っているプラ​​スチック部品のスクリーニングプログラムを制定しました。

[更新]

カードのエッジ温度に関するコメントに応えて、典型的な伝導冷却シャーシを以下に示します。

シャーシの外側の部分はコールドウォール（温度を知ることができる場所）として知られ、単に金属製であるか、かなりよく知られた温度を維持する他の方法があります。

ここに、はしごを備えた典型的なカードを示します。

これらは多くの場合、アルミニウムで作られており（安価で、適切な熱パラメータがあります）、梯子は上のエンクロージャーの側端に接触しています。ボックスの外側と内側の間に熱差があるため、PCBの温度耐性要件はこの内部の熱ラダーに設定されます。これは、カードの端で確認できます。

熱はコンポーネントからこのポイントまで到達する必要があるため、高温のコンポーネント（プロセッサやGPUなど）のPCBが85℃のカードエッジ温度で95℃以上になることは珍しくありません（多くの場合、特定の要件）。

$0.4 \frac {W} {mK}$

状況によっては、熱を逃がすための唯一の方法は高価ではありますが、熱で覆われた PCB を使用する必要があるかもしれません。

他のいくつかのコメントと回答では、電子回路はエンクロージャー内に配置する必要があり、独自の熱生成によりエンクロージャー内が高温になると述べています。それは十分に強調されていません。産業用、商業用、自動車用の機器の場合、あらゆる種類の汚染物質を排除するために、電子回路を密閉されたエンクロージャに密封する必要があります。さらに、より高い電力レベルが一般的です。多くのモーター制御、プロセス加熱制御、さまざまな種類の強力なアクチュエータがあります。マイクロコントローラーは、その種の機器と同じエンクロージャーで動作できる必要があります。商業ビルでは、換気および冷蔵機器を加熱するためのモーターコントローラーとマイクロコントローラーが、温度制御されていない屋上エンクロージャーに設置されることがよくあります。

一般的な産業機器は、それ自体の熱のために熱くなります。エンクロージャー内の一般的な温度上昇は20〜30℃です。エアコンのない建物に置くと、温度は70〜80℃に容易になり、場合によっては工業的な範囲でさえ十分ではありません。そのような場合、受動対流、強制対流、水冷など、あらゆる種類の冷却が使用されます。

なぜ彼らはそんなに高いのですか？環境が高く、すべてが素敵な温度管理された環境に置かれるわけではないためです...人間はそれを必要としますが、電子機器は飛行機に乗らないでください...エンジンカウルに取り付けられた部品は85°Cの周囲温度になります。高度では、胴体の一部が-55Cになります。

バーンインテストがすべてです。シリコンウェーハには製造時にいくつかの欠陥があり、各要素は最終検査に合格する必要があります。そのため、市場の目的地に応じて、さまざまな温度が設定される、テスト用のいわゆるバーンインチャンバーがあります（凍結の存在はおそらくおそらく必要ありません）。

消費者では、欠陥がある場合でもほとんどのICが生き残ります。産業では、欠陥のあるウェーハが大きいものは故障しますが、軍事燃焼室では、欠陥が小さいものは故障します。

したがって、運がよければ、軍隊に匹敵する消費者部分を手に入れることができます。言及するのを忘れました-通常、テストは欠陥のある部品に対して破壊的です。

私が見るように、あなたは3つの質問をしています。1つのメインの質問と2つのサブ質問（1,2）。

主な質問に対する答えは、工業用および軍事用製品が実際に指定された温度範囲を経験する可能性があり、ユーザーが特定の温度範囲内で使用された場合、製品が故障しないことを保証したいということです。

サブ質問1の答えは、考慮する必要がある2つの追加パラメーターがあるということです。a）電力消費、b）安全マージン。
チップが電力を消費できるようにするには、周囲温度を内部温度より35℃低くする必要があります。また、必要な最大温度よりも25°C低い安全マージンを確保する必要があります。これらの要件を考慮するには、周囲温度が50℃の製品を110℃（50 + 35 + 25）以上で動作させる必要があります。したがって、125℃で動作するコンポーネントを必要とすることは非常に合理的です。

サブ質問2の答えは「いいえ」です。商用グレードのコンポーネントは使用しないでください。安全性に余裕はありません。工業グレード以上を使用する必要があります。

既存の回答のいくつかにせいぜい付け加えられている単純な回答（質問の焦点となるホットサイド）は、デバイスの電力消費により、デバイスの温度が容易に定格（またはそれ以上）に達する可能性があるということです温度。設計者の仕事は、デバイスを機能範囲内に保つことです。デバイスの定格が50Cで、50C環境で動作している場合、電力を消費することはできないため、アクティブな冷却システムなしでは実際に動作することはできません。

同じ50Cの125Cデバイスには75Cのサーマルヘッドルームがあり、システムにどのような熱抵抗が適用されても電力を消費できます。

もう一つの理由は：彼らができるからです！

宇宙用途の場合、彼らはそれをより高く（はるかに低い温度で）確実に好むでしょう。

原因不明のダウン投票のために編集します。

たぶん、この答えは誰かにとって短すぎました。もう少し説明させてください。

ここにいくつかの指示を与えるページがあります。

• 実際のシリコン自体の上限は、通常150°Cです。したがって、パッケージの制限は150°Cにはできません-パッケージと電力消費が許す限り、125°Cは合理的な制限です。
• 実際のシリコン自体の下限は、上記リンクによると約-117°C（100°C）です。実際には、集積回路の設計ポイントから離れすぎています。
• 商業および産業用回路の制限が大きい場合、経済性の問題があります。より多くのデバイスを廃棄する必要があります。繰り返しになりますが、商業および産業用途で製品を経済的に興味深いものにするためには、動作制限を制限する必要があります-経済的に高くすることはできません（これらの制限が定義されていた以前よりも今日はそれほど真実ではありません）。
• 市場が小さいため、また他のクラスと連携することを学んだため、宇宙グレードはありません。たとえば、電子機器は温度が範囲内であまり変化しない衛星の中心に配置されます。また、特定の設計を使用します-特に放射線耐性デバイス[放射線は衛星の中心部に到達できる]および放射線の影響を受けにくい技術です。