Betrieb von ICs bei hohen Temperaturen

Der atmosphärische Druck oder dessen Fehlen beeinflusst elektronische Komponenten. Komponenten mit niedrigem bis nahezu Nulldruck neigen zum Ausgasen, und während ICs dafür relativ einfach zu konditionieren sind, fallen Teile wie Elektrolytkondensatoren aus. Daher werden stattdessen speziell für den Nulldruck vorgesehene Komponenten verwendet.

Strahlung beeinflusst ICs auf zweierlei Weise: Zum einen ändert sich das Verhalten von Halbleitern deutlich unter erhöhter ionisierender Strahlung, wie sie außerhalb der Schutzatmosphäre der Erde und in den hochionisierten Gürteln der Stratosphäre herrscht. Daher werden strahlungsgehärtete Teile speziell für solche Zwecke hergestellt und in der Weltraumelektronik verwendet.

Zweitens wird bei normalem Betrieb (am Boden) die Wärmeleistung eines ICs durch eine Kombination aus Strahlung und passivem Abtransport durch bewegte Luft vom Gehäuse entfernt ... Bei niedrigem Druck oder Vakuum funktioniert nur Wärmestrahlung, keine passive Luftkühlung, wodurch sich die Wärmeableitungsberechnungen für jede Komponente ändern.

Daher sind nicht-traditionelle Kühlmechanismen und eine beträchtlich größere Verteilung von leitenden Kühlpfaden erforderlich.

In Bezug auf gasbezogene Vorsichtsmaßnahmen für Weltraumelektronik: Bemannte Raumfahrzeuge haben manchmal sauerstoffangereicherte Umgebungen verwendet. Dies führt zu einem notwendigen Umdenken bei Schaltungsdesignelementen wie PCB-Funkenstrecken, was zu einer Katastrophe führen könnte.

Auch konstruktionsfremde Funkenbildung, wie z. B. durch Zusammenbruch des Motor-/Spulenfeldes, Metallkontakte von Schaltern oder einfach nur eine lose Verbindung, müssen vollständig eliminiert werden – viel kritischer als bei normaler Erdatmosphäre. Silikongefüllte Kontaktgehäuse, wie die klassischen ölgefüllten Schalter, sind eine Überlegung wert. In ähnlicher Weise ist die platzsichere Epoxid-Vergussmasse praktisch aller freiliegenden Metalle, einschließlich Leiterbahnen, ein möglicher Weg.

Darüber hinaus ist der gesamte thermische Betriebsbereich zu berücksichtigen, insbesondere für unbemannte Fahrzeuge: Von sehr heiß (durch Sonneneinstrahlung ohne atmosphärischen Schutz) bis sehr kalt (durch keine "atmosphärische" Wärme bei Sonnenabwendung).

Dieses zyklische Erhitzen und Abkühlen verursacht potenzielle Metallermüdung, Verbindungsspannungen und Brüche, wie z. B. an Lötstellen, und lockere Kontakte aufgrund ungleichmäßiger mechanischer Ausdehnung und Kontraktion zwischen verschiedenen Materialien.

Schließlich sind nicht alle Halbleiterbauelemente für extrem niedrige Temperaturen spezifiziert. Während Hitze ein offensichtliches Problem sein könnte, ist Kälte ein ebenso großes Problem. Einige Teile werden speziell für den Betrieb bei extrem niedrigen Temperaturen hergestellt und getestet. Bei anderen Teilen müssen Änderungen des Komponentenverhaltens konstruktiv berücksichtigt werden. So ist beispielsweise die einfachste rückstellbare PTC-Sicherung kein triviales Schaltungselement mehr in der Raumfahrtelektronik.

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Beeinflusst der atmosphärische Druck die Betriebstemperaturen von Schaltungen und/oder ICs, die in einem System im Weltraum implementiert sind?

Es wirkt sich auf die Betriebstemperatur von im Weltraum implementierten Schaltungen und ICs aus. Dies geschieht durch Ändern der Wärmeableitungsmechanismen, die den ICs zur Verfügung stehen, wie pjc50 in seiner Antwort feststellte. Bei normalen Anwendungen verlassen Sie sich fast ausschließlich auf konvektive Kühlung durch Luftströmung. Die in den Leistungstransistor- und IC-Datenblättern aufgeführten Eigenschaften der thermischen Sperrschicht gehen davon aus, dass sich das Gerät in Luft befindet, und die Kühlkörperspezifikationen gehen davon aus, dass sich der Kühlkörper in Luft befindet. Daher die vielen Rippen in einem normalen Kühlkörper - Die Vergrößerung der Oberfläche vergrößert die Kontaktfläche mit Luft und ermöglicht es ihr, mehr Wärme abzuziehen. Dies fehlt im Weltraum vollständig (nun, es gibt einen gewissen Luftdruck, wenn Sie sich in einer niedrigen Erdumlaufbahn befinden, aber der Kühleffekt sinkt selbst dort auf ein vernachlässigbares Niveau). Das Problem wird gelöst, indem eine Kombination von Techniken verwendet wird, um die Schaltung zu kühlen und die Elektronik innerhalb eines zulässigen Bereichs zu halten. Dies sind im Allgemeinen eine Kombination aus aktiven und passiven thermischen Steuerungssystemen (einschließlich Heizung, nicht nur Kühlung). Kühlkörper sind normalerweise leitfähig und leiten Wärme an größere Bereiche ab, die effektiv in die Dunkelheit des Weltraums strahlen können.

Darüber hinaus gibt es schnelle „thermische Zyklen“, wenn Sie etwas zwischen Finsternis- und Nicht-Finsternis-Perioden umkreisen, und auch thermische Gradienten, die zwischen den beleuchteten und dunklen Seiten der Satelliten aufgebaut werden. Diese erfordern besser kontrollierte Herstellungsprozesse und Materialien, um zu vermeiden, dass Dinge reißen, brechen und sich anderweitig verschlechtern.

Ferner verursacht das Vakuum selbst ein nicht temperaturbezogenes Problem, da die verwendeten Materialien durch einen als Entgasen bekannten Prozess verdampfen können. Dies könnte zum Ausfransen der Drahtisolierung, zum Entkapseln von ICs, zur Kondensation dieses verdampften Materials auf der Optik, zur Schwächung mechanischer Komponenten, zu einer Änderung der dielektrischen (und damit HF-) Eigenschaften, zu einer Änderung der thermischen Eigenschaften usw. führen.

Beeinflussen Strahlung/Gase die Betriebstemperaturen eines Schaltkreises und/oder ICs im selben Szenario oben? Wenn ja, muss der Ingenieur beim Bau einer Schaltung Vorkehrungen treffen, wenn das System in niedrigen Umlaufbahnen von Planetensystemen exponiert sein könnte?

Strahlung tut es. Gase, na ja, hängt davon ab, welche Gase. Wenn es sich um ein stark ionisierbares Gas handelt, kann es leicht funken.

Strahlung beeinflusst den Betrieb auf andere Weise als die Temperatur. Strahlung greift die ICs direkt an und führt zu Fehlfunktionen und sogar zum Ausfall des Geräts. Dies ist übrigens auch auf der Erde ein Problem, und Hochleistungs-Computing-Cluster mit Tausenden von Knoten sehen oft genug Datenkorruption und sogar Knotenausfälle, um es zu einem ernsthaften Problem zu machen. Es würde auch mit Desktops passieren, außer dass, da Sie nur einen einzelnen Knoten isoliert betrachten würden, die Ausfallrate unglaublich niedrig erscheint und meistens unbemerkt bleibt.

Die beiden Hauptwege, auf denen Strahlung die Elektronik beeinflusst, sind Latch-up und SEUs. Latch-Ups treten auf, wenn ein geladenes Teilchen in einem Gate stecken bleibt. Dies schließt das Gate effektiv kurz und bewirkt, dass ein hoher Strom durch es fließt. Die Tatsache, dass das Gate von Anfang an geladen ist, zieht die Partikel an erster Stelle an und der Strom hält sie fest. Wenn die Situation anhält, würde sich das Gate verschlechtern und im schlimmsten Fall dazu führen, dass der IC selbst ausfällt. Die Art und Weise, wie dies behoben wird, besteht darin, die Stromversorgung zu veranlassen, zu zyklieren, was durch intelligente Überwachungs- und Stromversorgungssysteme erfolgt, was normalerweise ausreicht, um das Partikel zu entfernen. Die zweite, häufigere Art ist ein Single Event Upset (SEU), bei dem ein einzelnes Bit des Speichers aufgrund eines vorbeiziehenden geladenen Teilchens umgedreht wird. Dies kann zu Datenverfälschung führen und abhängig davon, wo sich das Bit befindet (Programmzähler, zum Beispiel), schwerwiegendere Systemfehler. Dies wird durch ein als dreifache Mehrheitsredundanz (TMR) bekanntes Verfahren überwunden, bei dem jedes Bit an drei Stellen gespeichert und regelmäßig (oder zum Zeitpunkt der Verwendung) überprüft wird. Die Annahme ist, dass es unwahrscheinlich ist, dass das beschädigte Bit in allen drei Kopien beschädigt wird, da dies ein grundsätzlich zufälliges Ereignis ist.

Je kleiner Ihre Strukturgröße (IC-Fertigungsprozess), desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass eines davon eintritt. Je heißer der IC ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass dies passiert (wenn auch um einen kleinen Faktor).

Die Strahlungshärtung erfolgt auf Hardware- und häufig auf IC-Ebene, indem TMR in den IC selbst eingebaut wird. Tatsächlich gibt es Prozessoren in Weltraumqualität, die sogar 3 Kerne haben, die parallel arbeiten und genau dasselbe tun. Auf einer höheren Ebene wird die Redundanz auf Platinen- oder Gehäuseebene aufrechterhalten und in einigen Fällen als Fallback und in anderen auf TMR-Art verwendet. Die Chips selbst sind robuster, um mehr Wärme zu tolerieren, mehr Wärme durch Strahlung abzuleiten, viel besser kontrollierte Prozesse, so dass es weniger „Ausreißer“ gibt, die die Arbeit der Strahlung erleichtern können, und haben oft eingebettete Platten zur Abschirmung aus einem strahlungsundurchlässigen Material. Dies hängt davon ab, über welche Art von Strahlung Sie sich Sorgen machen, aber normalerweise funktioniert eine Tantalplatte in einer niedrigen Erdumlaufbahn.

Von welchen Vorsorgemaßnahmen sprechen wir ALLGEMEIN? Gibt es gute Ressourcen, die erklären, wie Schaltkreise Wärme erzeugen können, und welche Taktiken verwendet werden, um ihre abgegebene Wärme zu senken?

Es werden allgemeine Dinge getan, die selbst für normale Elektronik üblich sind. FMEA / FMECA kann helfen, potenzielle Problembereiche zu priorisieren. Eine sorgfältige Design- und Fehleranalyse kann dabei helfen, alle Quellen von Einzelfehlern zu identifizieren und zu eliminieren (bei denen ein einzelnes Problem einen katastrophalen Fehler verursachen kann). Darüber hinaus werden weitere Maßnahmen ergriffen, wie z. B. eine sorgfältige Auswahl des Materials für das Verhalten im Vakuum, bei Strahlung und bei thermischen Auslenkungen. Das NASA System Engineering Handbuch enthielt einige ziemlich gute Erklärungen, wenn ich mich recht erinnere. Aus der Hand kann ich mich an keine bestimmte, nicht klassifizierte Quelle erinnern, in der die Details an einem einzigen Ort gesammelt wurden.

Druck und Gase haben keinen direkten Einfluss auf die Betriebstemperatur, aber sie beeinflussen die normale passive Luftkühlung, die mit Schaltungen auf der Erde möglich ist. Auf Luftkühlung im Vakuum kann man sich nicht verlassen. Normalerweise wird der Schaltkreis durch Wärmeleitung durch seine Erdungsebenen in Richtung des Gehäuses gekühlt und dann in den Weltraum emittiert.

Umgekehrt besteht auch die Gefahr, dass der Kreislauf zu kalt ist. Die sonnenzugewandte Seite eines Raumfahrzeugs erwärmt sich und die dunkle Seite kühlt ab und bewegt sich asymptotisch in Richtung 3 Kelvin. Daher sorgfältige Isolierung .

Im Allgemeinen endet die gesamte Energie, die in einem elektronischen System verwendet wird, als Wärme (offensichtliche Ausnahme: Funkemissionen). Der allgemeine Ansatz ist genau wie bei PCs auf der Erde: Eine reduzierte Spannung und Frequenz reduziert den Stromverbrauch und damit die Überhitzung.

Strahlung kann für Raumfahrzeuge ernsthafte Probleme darstellen, insbesondere wenn sie außerhalb der Van-Allen-Gürtel operieren (die geladene Teilchen von der Erde ablenken). Ich bin mir nicht sicher, wie genau "Strahlenhärtung" funktioniert.