Термин «температурные проблемы», связанный со свойствами радиодеталей и печатных плат, обычно относится к потенциальному перегреву компонентов или мест пайки. Другая крайность – низкие температуры – волнует разработчиков обычно не сильно. Что же происходит, когда температура падает ниже комнатной? Всегда ли устройство работает так, как задумано? В большинстве случаев эти вопросы еще недостаточно изучены, и многие конструкторы пользуются общими рекомендациями, вытекающими из многолетнего опыта, или полагаются на данные от производителей комплектующих.
Остерегайтесь низких температур в электронике
В течение последних нескольких десятилетий разработчики электроники исходили из того, что печатные платы работают в диапазоне температур, близком к комнатной, что справедливо для бытового оборудования, обычно неиспользуемого при температуре ниже нуля. Только спецтехника для военных прошла всесторонние испытания в диапазоне температур от -55 до 125°С. В последние годы электроника имеет гораздо более широкий спектр применения и в настоящее время широко используется на открытом воздухе, в том числе в зимних условиях окружающей среды. Поскольку цена традиционно является важнейшим параметром при выборе продукции заказчиком, этот момент обычно исключает использование в проекте элементов специального назначения. В качестве примера возьмем смартфоны или мультимедийные системы в транспортных средствах, которые относятся к потребительским устройствам.
При низких температурах потери энергии уменьшаются из-за лучшей проводимости металлов. В МОП-транзисторах ток насыщения уменьшается, КМОП-ИС переключаются быстрее, поэтому они могут работать на более высоких тактовых частотах. Это означает, что цифровые микросхемы на основе этой технологии могут работать даже при -230°С (биполярные технологии только до -195°С), т.е. на 40 градусов выше абсолютного нуля. Но при снижении температуры пороговое напряжение увеличивается, что вынуждает блок питания брать выше по напряжению. И наоборот, более высокое напряжение питания создает риск повреждения конструкции и является источником проблем с целостностью сигнала из-за более короткого времени нарастания.
Одновременные низкие и высокие температуры характерны для космических приборов. Космический аппарат, отправленный к Нептуну, должен был надежно работать при -220°С, а тот, что летел к Венере, при +330°С. Причем экстремально низкие температуры преобладают не только на больших расстояниях, но и на орбите, когда спутники находятся в тени Земли.
Разработчики оборудования используемого в космических миссиях пробуют разные способы борьбы с экстремальными температурами. В большинстве случаев электронику изолируют пеной и фольгой, а затем схемы нагревают или охлаждают до необходимого значения с помощью термостатов. Но низкие или высокие температуры — не единственная проблема для космических полетов. Возможно, еще более серьезным является быстрое изменение температуры, когда спутники улетают из освещенных солнцем областей в тень Земли или зонды входят в атмосферу и начинают нагреваться от трения.
При больших колебаниях температуры, из-за различных коэффициентов теплового расширения используемых материалов, печатная плата, дорожки и переходные отверстия, соединения проводов внутри микросхем, подвергаются механическим воздействиям и возникающее напряжение вызывает разрыв или деформацию соединений. Кремниевые структуры внутри чипов могут даже треснуть.
Большие диапазоны температур
С температурными проблемами сталкиваются не только конструкторы летающей в космос техники. Это также забота авиации и медицины, где в системах МРТ используются охлаждаемые электромагниты, интегрированные с очень чувствительными аналоговыми схемами, которые тоже должны работать при низких температурах. В автомобилях электроника управления двигателем работает под капотом, где очень жарко, а системы салона должны выдерживать годами холодную зиму и работать тысячи температурных циклов от -40°С до 200°С.
Ниже -20°C электролит в электролитических конденсаторах загустевает или замерзает и становится плохо проводящим. Следовательно, ESR быстро увеличивается при низких температурах, как и тангенс угла потерь.
Жидкие кристаллы в дисплеях IPS и TFT чувствительны к холоду, они могут замерзать при низких температурах, а жидкость, в которой они находятся, густеет. Правда OLED более устойчивы к холоду. Тактовые генераторы становятся менее стабильными при низких температурах, а аналого-цифровые преобразователи иногда могут искажать результаты.
Прецизионные резисторы обеспечивают жесткие допуски и стабильность только при температурах в пределах рабочего диапазона. Однако это регулирование работает только в ограниченном диапазоне температур. Цифровые схемы переключаются быстрее в холодном состоянии, что приводит к значительным ошибкам синхронизации.
Низкая температура и влажность
Поместить аккумулятор в холодильник для хранения — это хорошая идея чтобы уменьшить саморазряд, но обязательно используйте герметичный пакет, чтобы избежать конденсации. Влага также оседает на дисплеях, которые могут запотевать изнутри и тогда требуют прогрева и проветривания. Внезапные перепады температуры с высокой на низкую всегда несут в себе риск образования конденсата. Влажный теплый воздух конденсируется в холодном корпусе и компонентах. Влага в устройстве может повредить контакты аккумулятора, а ещё привести к короткому замыканию и коррозии.
Влага проникает в печатную плату, затем она может замерзнуть, а связанное с этим увеличение объема воды приводит к образованию трещин. Вздутие платы и образовавшиеся пустоты внутри изменяют электрические параметры антенн и условия распространения радиочастотных сигналов. Отложения могут накапливаться и кристаллизоваться в этих полостях, что приводит к эффекту CAF (Conductive Anodic Filament), который вызывает трудно обнаруживаемые аномалии.
Как следствие, печатные платы подверженные воздействию холода и влаги, часто монтируются в герметичных корпусах (IP54 или выше). Но дилемма в том, что герметичные корпуса хуже рассеивают тепло и их проблематично использовать при более высоких рабочих температурах из-за отсутствия вентиляции. Поведение печатной платы в зависимости от различных физических параметров можно отобразить с помощью термоэлектрического моделирования электроники и корпуса при различных температурах окружающей среды.
Для защиты аккумулятора от повреждения некоторые смартфоны отключаются при экстремально низких температурах, а иногда процедура защиты даже активируется при температуре окружающей среды вне диапазона от 0 до 35°С. Допустимый диапазон температур хранения для большинства потребительского оборудования составляет от -20 до 45°C, и рекомендуется подождать полчаса перед зарядкой или запуском холодного оборудования (с зимней улицы). Потребители также рискуют лишиться гарантии если будут использовать устройство при отрицательных температурах, а повреждения, вызванные конденсатом, не покрываются гарантией и обнаруживаются с помощью специальных тест-полосок, вставленных внутрь устройств.
Конденсация происходит, когда влажность воздуха слишком высока и водяной пар становится перенасыщенным и точка росы, при которой начинается конденсация, зависит от давления и температуры. Конденсат может вызвать коррозию печатных плат и короткие замыкания из-за уменьшения зазора и путей утечки. В очень холодную погоду для снижения точки росы можно использовать вакуумную изоляцию или активный контроль влажности, но влагозащитные покрытия имеют ограниченный срок службы.
Мониторинг и регулирование температуры
Диапазон температур на печатной плате может достигать предельных значений от -40 до +150°C.
Про вентиляторы и радиаторы для охлаждения известно каждому радиолюбителю. Но многие не знают, что существуют также нагреватели на печатных платах. Они включаются при снижении температуры ниже минимальной и вызывают равномерный нагрев платы. Благодаря этому влага испаряется, а замерзающая вода не вызывает коротких замыканий или механических воздействий. Контуры, состоящие из дорожек, также можно использовать для нагрева и задавать размеры в инструментах проектирования печатных плат.
Запуск схем на холоде
При включении устройства при экстремально низких температурах может происходить локальный, быстрый нагрев схемы, что приводит к механическим напряжениям из-за разных коэффициентов теплового расширения материалов. При больших перепадах температур они вызывают растрескивание корпусов или разрыв паяных соединений и микроотверстий в технологии HDI.
Компоненты ограничения тока, такие как PTC, теряют свою защитную способность, если работают при температуре ниже определенной спецификации. Поэтому при моделировании следует позаботиться и о том, чтобы они соответствовали нужному диапазону, поскольку производители часто предоставляют данные только для коммерческого перепада температур.
В общем, при сборке радиосхемы под зимнюю работу, нужно учесть воздействие холода на детали, предусматривая её обогрев или герметизацию. Ну или хотя бы проведя тестирование работоспособности в уличных условиях.
