Работа ИС при высоких температурах

Атмосферное давление или его отсутствие влияет на электронные компоненты. Компоненты, работающие под давлением от низкого до почти нулевого, имеют тенденцию к выделению газа, и, хотя ИС относительно просто подготовить для этого, такие детали, как электролитические конденсаторы, выйдут из строя. Следовательно, вместо них используются компоненты, специально предназначенные для нулевого давления.

Радиация влияет на ИС двумя способами: во-первых, поведение полупроводников значительно меняется при повышенном ионизирующем излучении, существующем за пределами защитной атмосферы Земли, и в сильно ионизированных поясах стратосферы. Поэтому радиационно-стойкие детали изготавливаются специально для таких целей и используются в космической электронике.

Во-вторых, при нормальной работе (на земле) тепловая мощность любой ИС снимается с корпуса за счет комбинации излучения и пассивного уноса движущимся воздухом... При низком давлении или вакууме работает только излучение тепла, не пассивное воздушное охлаждение, что меняет расчеты рассеивания тепла для любого компонента.

Таким образом, требуются нетрадиционные механизмы охлаждения и значительно большее распространение кондуктивных путей охлаждения.

Что касается мер предосторожности при работе с космической электроникой, связанной с газом: Пилотируемые космические аппараты иногда использовали среду, обогащенную кислородом. Это приводит к необходимому переосмыслению таких элементов схемотехники, как разрядники печатных плат, что может привести к катастрофе.

Кроме того, необходимо полностью исключить непреднамеренное искрение, например, из-за коллапса поля двигателя/катушки, металлических контактов переключателей или просто ненадежного соединения, что гораздо более критично, чем для нормальной земной атмосферы. Корпуса контактов с силиконовым наполнением, как и классические маслонаполненные выключатели, заслуживают внимания. Аналогичным образом, безопасная для космоса эпоксидная заливка практически всего открытого металла, включая следы печатных плат, — это путь.

Кроме того, необходимо учитывать весь температурный диапазон, особенно для беспилотных летательных аппаратов: от очень жаркого (из-за воздействия солнечных лучей без атмосферной защиты) до очень холодного (из-за отсутствия «атмосферного» тепла, если смотреть в сторону от солнца).

Этот циклический нагрев и охлаждение вызывают потенциальную усталость металла, напряжение соединения и разрушение, например, в местах пайки, а также ослабление контактов из-за неравномерного механического расширения и сжатия между различными материалами.

Наконец, не все полупроводниковые компоненты рассчитаны на экстремально низкие температуры. В то время как жара может быть очевидной проблемой, холод является не менее серьезной проблемой. Некоторые детали специально изготовлены и испытаны для работы при экстремально низких температурах. Для других частей изменения поведения компонентов необходимо учитывать при проектировании. Например, простейший самовосстанавливающийся предохранитель PTC уже не является тривиальным схемным элементом космической электроники.

Я надеюсь, что это дало представление только о некоторых факторах, связанных с вашим вопросом. В остальном лучше всего подойдет поисковая система.

Влияет ли атмосферное давление на рабочие температуры схем и/или интегральных схем, реализованных в системе в космосе?

Это влияет на рабочую температуру схем и интегральных схем, реализованных в космосе. Это достигается за счет изменения механизмов рассеивания тепла, доступных для ИС, как отметил pjc50 в своем ответе. Для обычных приложений вы полагаетесь почти исключительно на конвективное охлаждение, вызванное потоком воздуха. Свойства теплового перехода, указанные в спецификациях силовых транзисторов и интегральных схем, предполагают, что устройство находится в воздухе, а в характеристиках радиатора предполагается, что радиатор находится в воздухе. Таким образом, в обычном радиаторе много ребер. Увеличение площади поверхности увеличивает площадь контакта с воздухом и позволяет ему отводить больше тепла. Это полностью отсутствует в космосе (ну, если вы находитесь на низкой околоземной орбите, есть некоторое давление воздуха, но эффект охлаждения даже там падает до пренебрежимо малых уровней). Проблема решается с помощью комбинации методов охлаждения схемы и поддержания электроники в допустимом диапазоне. Как правило, это комбинация активных и пассивных систем терморегулирования (включая нагрев, а не только охлаждение). Теплоотвод обычно является проводящим, отводя тепло в более крупные области, которые могут эффективно излучаться в темноту космоса.

Кроме того, существует быстрый «термальный цикл», если вы вращаетесь вокруг чего-то между периодами затмения и отсутствия затмения, а также температурные градиенты, которые устанавливаются между освещенной и темной сторонами спутников. Для этого требуются более контролируемые производственные процессы и материалы, чтобы избежать растрескивания, поломки или иной деградации вещей.

Кроме того, вакуум сам по себе вызывает проблему, не связанную с температурой, поскольку используемые материалы могут испаряться в процессе, известном как дегазация. Это может привести к изнашиванию изоляции проводов, декапсуляции интегральных схем, конденсации этого испарившегося материала на оптике, ослаблению механических компонентов, изменению диэлектрических (и, следовательно, радиочастотных) свойств, изменению тепловых свойств и т. д.

Влияют ли радиация/газы на рабочие температуры схемы и/или интегральных схем в том же сценарии, что и выше? Если да, то должен ли инженер принимать меры предосторожности при построении контура, если система может оказаться незащищенной на низкой орбите планетных систем?

Радиация делает. Газы, ну смотря какие газы. Если это сильноионизируемый газ, то он может легко воспламениться.

Радиация влияет на операцию не только температурой. Излучение напрямую воздействует на микросхемы и вызывает сбои в работе и даже отказ устройства. Между прочим, это также проблема на Земле, и высокопроизводительные вычислительные кластеры с тысячами узлов сталкиваются с повреждением данных и даже отказом узла достаточно часто, чтобы сделать это серьезной проблемой. То же самое произойдет и с настольными компьютерами, за исключением того, что, поскольку вы будете рассматривать только один изолированный узел, частота отказов кажется невероятно низкой и в основном остается незамеченной.

Два основных способа, которыми электроника с радиационными эффектами - это защелка и SEU. Защелки возникают, когда заряженная частица попадает в затвор. Это эффективно закорачивает затвор и вызывает протекание через него большого тока. Тот факт, что затвор заряжен с самого начала, в первую очередь притягивает частицы, а ток удерживает их внутри. Если ситуация сохранится, затвор будет деградировать, а в худшем случае приведет к выходу из строя самой ИС. Способ, которым это фиксируется, состоит в том, чтобы вызвать циклическую подачу питания, что выполняется интеллектуальным сторожевым устройством и системами питания, чего обычно достаточно, чтобы сместить частицу. Второй, более распространенный тип — это сбой одного события (SEU), когда один бит памяти переворачивается из-за пролетающей заряженной частицы. Это может привести к повреждению данных, и в зависимости от того, где находится бит (счетчик программ, например), более серьезный сбой системы. Это преодолевается с помощью метода, известного как избыточность тройного большинства (TMR), где каждый бит хранится в трех местах и ​​периодически проверяется (или проверяется во время использования). Предполагается, что поврежденный бит вряд ли будет поврежден во всех трех копиях, так как это принципиально случайное событие.

Чем меньше размер вашего элемента (процесс изготовления ИС), тем больше вероятность того, что произойдет одно из этих событий. Чем горячее IC, тем выше вероятность того, что это произойдет (хотя и с небольшим коэффициентом).

Радиационная защита выполняется на аппаратном уровне и часто на уровне ИС путем встраивания TMR в саму ИС. На самом деле, есть процессоры космического уровня, у которых даже 3 ядра работают параллельно, делая точно то же самое. На более высоком уровне избыточность поддерживается на уровне платы или пакета и используется в некоторых случаях в качестве запасного варианта, а в других — по типу TMR. Сами чипы имеют усиленную конструкцию, чтобы выдерживать больше тепла, рассеивать больше тепла за счет излучения, гораздо лучше контролировать процессы, поэтому меньше «выбросов», которые могут облегчить работу излучения, и часто имеют встроенные пластины для защиты с использованием непрозрачного для излучения материала. Это зависит от того, о каком излучении вы беспокоитесь, но обычно пластина из тантала работает на низкой околоземной орбите.

О каких мерах предосторожности идет речь в ОБЩИХ условиях? Существуют ли какие-либо хорошие ресурсы, которые объясняют, как схемы могут генерировать тепло, и тактики, используемые для снижения уровня выделяемого ими тепла?

Делаются общие вещи, общие даже для обычной электроники. FMEA / FMECA может помочь расставить приоритеты в потенциальных проблемных областях. Тщательное проектирование и анализ отказов могут помочь выявить и устранить все источники единичного отказа (где одна проблема может привести к катастрофическому отказу). Кроме того, принимаются и другие меры, такие как тщательный выбор материала для поведения в вакууме, радиации и теплового отклонения. Если я правильно помню, в справочнике по системной инженерии НАСА было несколько довольно хороших объяснений. Навскидку, я не могу вспомнить какой-либо конкретный незасекреченный источник, в котором детали собраны в одном месте.

Давление и газы не влияют напрямую на рабочую температуру, но они влияют на обычное пассивное воздушное охлаждение, которое возможно с контурами на земле. Вы не можете полагаться на воздушное охлаждение в вакууме. Обычно схема охлаждается за счет теплопроводности через заземляющие пластины к корпусу, а затем излучается в космос.

И наоборот, существует также риск переохлаждения контура. Солнечная сторона космического корабля будет нагреваться, а темная сторона охлаждаться, асимптотически приближаясь к 3 Кельвинам. Отсюда тщательная изоляция .

Как правило, вся энергия, используемая в электронной системе, превращается в тепло (очевидное исключение: радиоизлучение). Общий подход точно такой же, как у ПК на Земле: пониженное напряжение и частота снижают энергопотребление и, следовательно, перегрев.

Излучение может создавать серьезные проблемы для космических аппаратов, особенно при работе за пределами поясов Ван Аллена (которые отклоняют заряженные частицы от Земли). Я точно не знаю, как работает «радиационная закалка».