Uwaga na niskie temperatury w elektronice
| TechnikaTermin "problemy temperaturowe", związany z właściwościami płytek drukowanych lub towarzyszący wynikom symulacji termicznej, zwykle dotyczy potencjalnego przegrzania komponentów lub punktów lutowniczych oraz wynikających z tego problemów. Drugi koniec skali termometru zaprząta uwagę niewielu projektantów. Co się dzieje, gdy temperatura spada poniżej temperatury pokojowej? Czy zawsze wszystko działa zgodnie z założeniami? Zagadnienia te w większości przypadków nie zostały jeszcze dostatecznie zbadane przez naukę, a wielu projektantów posługuje się w pracy ogólnymi wytycznymi wynikającymi z lat doświadczeń lub opiera na rekomendacjach producentów komponentów.
Przez ostatnie kilka dekad projektanci elektroniki zakładali, że obwody drukowane pracują w zakresie temperatur zbliżonym do temperatury pokojowej, co było prawdą dla sprzętu powszechnego użytku, nieużywanego poniżej 0ºC. Tylko sprzęt specjalny dla wojska był wszechstronnie testowany w zakresie temperatur od –55 do 125°C. W ostatnich latach elektronika ma znacznie szerszy zakres zastosowań i jest dzisiaj powszechnie wykorzystywana także na zewnątrz pomieszczeń, również w trudnych warunkach środowiskowych. Ponieważ cena jest tradycyjnie najważniejszym parametrem selekcji produktu przez klienta, dyktat ten zwykle wyklucza wykorzystanie w projekcie elementów specjalnego przeznaczenia. Jako przykład niech posłużą smartfony czy systemy multimedialne w pojazdach, które są klasyfikowane jako sprzęt powszechnego użytku, niemniej często pracujący poza łagodną specyfikacją temperaturową.
W niskich temperaturach maleją straty energii związane z przewodzeniem ze względu na lepszą przewodność metali. W tranzystorach MOS maleje prąd nasycenia, układy scalone CMOS przełączają szybciej, więc mogą pracować z wyższymi częstotliwościami taktowania. Powoduje to, że układy cyfrowe bazujące na tej technologii mogą działać nawet przy około –230°C (technologie bipolarne tylko do –195°C), czyli 40 stopni powyżej zera absolutnego. Jednak wraz ze spadkiem temperatury wartość napięcia progowego się zwiększa, co wymusza zasilanie większym napięciem. Z kolei wyższe napięcie zasilające tworzy ryzyko zniszczenia struktury i jest źródłem problemów z integralnością sygnałową przy krótszych czasach narastania sygnałów.
Jednoczesne niskie i wysokie temperatury są charakterystyczne dla aplikacji kosmicznych. Sonda kosmiczna wysłana w okolicę Neptuna musiała pewnie działać w temperaturze –222°C, a ta, która poleciała na Wenus, musiała działać przy +330°C. Co więcej, ekstremalnie niskie temperatury panują nie tylko w dużych odległościach, ale także na orbicie, gdy satelity znajdują się w cieniu Ziemi.
Konstruktorzy sprzętu wykorzystywanego w misjach kosmicznych próbują różnych technik radzenia sobie ze skrajnymi temperaturami. W większości przypadków elektronika jest izolowana pianką i folią, a następnie obwody są ogrzewane lub chłodzone do wymaganego zakresu za pomocą termostatów. Ale niskie lub wysokie temperatury nie są jedynym problemem misji kosmicznych. Być może jeszcze poważniejsza jest szybka zmiana temperatury, gdy satelity przelatują z obszarów nasłonecznionych w cień Ziemi lub sondy wchodzą do atmosferę i zaczynają się nagrzewać od tarcia.
Przy dużych wahaniach temperatur, na skutek różnych współczynników rozszerzalności cieplnej użytych materiałów, płytka drukowana, ścieżki i przelotki, połączenia drutowe wewnątrz układów scalonych są poddawane naprężeniom mechanicznym, a wynikający z tego stres powoduje zrywanie lub nadwyrężanie połączeń. Rezystancja kontaktów się zwiększa lub pojawiają się przerwy. Struktury krzemowe wewnątrz układów scalonych mogą nawet popękać.
Różne zakresy temperatur
Problemy z temperaturą mają nie tylko projektanci sprzętu latającego w kosmos. To także kłopoty lotnictwa, medycyny, w której w systemach MRI wykorzystuje chłodzone elektromagnesy zintegrowane razem z bardzo czułymi obwodami analogowymi, które w konsekwencji też muszą działać w niskich temperaturach. W samochodach elektronika sterująca silnikiem pracuje pod maską, gdzie jest bardzo gorąco, natomiast systemy kabinowe muszą być odporne na mroźną zimę i działać przez lata, znosząc bez szwanku tysiące cykli temperaturowych od –40°C do 200°C.
Poniżej –20°C elektrolit w kondensatorach elektrolitycznych gęstnieje lub zamarza i staje się słabo przewodzący. Stąd ESR gwałtownie rośnie w niskich temperaturach, tak samo jak tangens kąta strat (tg δ).
Wrażliwe na zimno są ciekłe kryształy w wyświetlaczach IPS i TFT, które w niskich temperaturach mogą zamarzać, a ciecz, w której są one zawieszone, gęstnieje. Wymagają one podgrzewania. Bardziej odporne na zimno są OLED-y. Oscylatory zegarowe w niskich temperaturach stają się mniej stabilne, a przetworniki analogowo-cyfrowe mogą czasami fałszować wyniki. Rezystory precyzyjne zapewniają małą tolerancję i stabilność jedynie w temperaturach mieszczących się w zakresie roboczym. Jednak ta regulacja działa tylko w ograniczonym zakresie temperatur. Układy cyfrowe przełączają szybciej, gdy jest zimno, co prowadzi do istotnych błędów czasowych (hazardu).
Niska temperatura i wilgotność
Umieszczenie akumulatora w lodówce na czas przechowywania jest dobrym pomysłem, gdyż ogranicza samorozładowanie, ale należy użyć hermetycznej torby ze względu na możliwość kondensacji wilgoci. Wilgoć skrapla się też na wyświetlaczach, które mogą zaparować od wewnątrz i wymagają potem wygrzania i wietrzenia. Nagłe zmiany temperatury z wysokiej na niską zawsze niosą duże ryzyko kondensacji. Wilgotne, ciepłe powietrze skrapla się w zimnej obudowie i elementach. Wilgoć w urządzeniu może uszkodzić kontakty baterii, a woda ze skroplin może doprowadzić do zwarć i korozji.
Wilgoć wnika w laminat płytki drukowanej, może potem zamarznąć, a wzrost objętości wody z tym związany prowadzi do pęknięć. Pęcznienie płytki i wynikające z tego pustki wewnątrz zmieniają parametry elektryczne anten oraz warunki propagacji sygnałów w.cz. W tych wnękach mogą się też gromadzić i krystalizować osady, co prowadzi do efektu CAF (Conductive Anodic Filament), będącego powodem trudnych do wykrycia anomalii.
W konsekwencji płytki obwodów drukowanych narażone na działanie zimna i wilgoci są często montowane w obudowach szczelnych (np. IP54 lub lepsze). Ale hermetyczne obudowy, które chronią przed wilgocią, gorzej rozpraszają ciepło i są problematyczne w użyciu przy wyższych temperaturach roboczych, ponieważ nie ma tam wentylacji. Zachowanie płytki PCB zależne od różnych parametrów fizycznych można odwzorować za pomocą symulacji termoelektrycznych elektroniki i obudowy w różnych temperaturach otoczenia.
Aby chronić baterię przed uszkodzeniem, niektóre smartfony wyłączają się w ekstremalnie niskich temperaturach, a niekiedy procedura ochronna aktywuje się przy temperaturze otoczenia wykraczającej poza zakres od 0 do 35°C. Dopuszczalny zakres temperatur przechowywania dla większości sprzętu konsumenckiego wynosi od –20 do 45°C, a zalecenia producenta mówią, że przed ładowaniem lub uruchomieniem zimnego sprzętu należy odczekać pół godziny. Konsumenci mogą również ryzykować utratę gwarancji, jeśli będą używać urządzenia w ujemnych temperaturach, przy czym uszkodzenia spowodowane przez skroploną wodę nie są objęte gwarancją i są wykrywane za pomocą specjalnych pasków testowych zamontowanych wewnątrz urządzenia.
Kondensacja występuje, gdy wilgotność powietrza jest zbyt duża i para wodna staje się przesycona. Kondensacja występuje na powierzchniach, a punkt rosy, w którym zaczyna się skraplanie, zależy od wartości ciśnienia i temperatury. Kondensacja może powodować korozję płytek drukowanych i zwarcia w wyniku zmniejszonego prześwitu i odległości izolacyjnych (creepage). W ekstremalnie niskich temperaturach do obniżenia punktu rosy można zastosować izolację próżniową lub aktywną kontrolę wilgotności. Powłoki zabezpieczające przed wilgocią mają jednak ograniczoną żywotność.
Monitorowanie i regulacja temperatury
Do chłodzenia mamy wentylatory i radiatory. Wiele osób nie wie, że istnieją również podgrzewacze do płytek drukowanych. Grzałki te włączają się po spadku temperatury poniżej minimum i powodują równomierne nagrzewanie się płytki drukowanej. Dzięki temu wilgoć rozprasza się, a zamarzająca woda nie powoduje zwarć ani naprężeń mechanicznych. Do podgrzewania można wykorzystać także pętle wykonane ze ścieżek i wymiarować je w narzędziach do projektowania PCB, takich jak Cadence Allegro, a ogrzewanie można symulować za pomocą Sigrity.
Proces uruchamiania
Podczas włączania urządzenia w ekstremalnie niskich temperaturach może dojść do miejscowego, szybkiego nagrzania układu, co prowadzi do powstania naprężeń mechanicznych spowodowanych różnymi współczynnikami rozszerzalności termicznej materiałów. Przy dużymi różnicach temperatur powodują one pękanie obudów lub zrywanie połączeń lutowniczych i mikroprzelotek w technologii HDI.
Elementy ograniczające prąd, takie jak PTC, tracą zdolności ochronne, gdy działają poniżej określonej temperatury ze specyfikacji. Podczas symulacji należy zwrócić uwagę na to, aby ich modele PSpice były dostosowane do zakresu aplikacji, gdyż producenci często dostarczają dane jedynie dla komercyjnego zakresu temperatur.
Tomasz Górecki
FlowCAD Poland
www.FlowCAD.pl
