تصميم برامج البيئات العالية التمرين في المستوطنات الصناعية

(ج) إن تصميم المتحولين من نوع " المتحول إلى " ، و " المتحولون " ، و " المتحولون " ، و " المتحولون " ، و " المتحولون " ، و " الإدارة الحرارية " ، وفي التطبيقات التي تتراوح بين حفر الآبار وضبط المحرك الآلي وصناعة الفولاذ، يجب أن تعمل الأجهزة الإلكترونية على نحو موثوق به عند درجة الحرارة القصوى 125.

فهم تأثير درجات الحرارة العالية على أداء شركة ADC

وتؤثر درجات الحرارة المرتفعة تأثيرا سلبيا على كل جانب تقريبا من جوانب عملية شركة ADC، والأسباب الجذرية هي: زيادة تنقل الناقلين، وتيارات التسرب العالي، وتوسيع المواد التي تتآمر جميعها على تدهور الأداء، وفهم هذه الآثار بالتفصيل هو الخطوة الأولى نحو التخفيف من حدة الآثار.

الضجة والتخريب

ويزيد الضوضاء الحرارية، المعروفة أيضاً باسم الضوضاء التي تصدرها جونسون - نايكيست، من حيث الجذر المربع للحرارة المطلقة، وفي شركة ADC، يزيد هذا من الحد الأدنى من الضوضاء، ويقلل من عدد القطع الفعالة (ENOB)، وعلاوة على ذلك، فإن درجات الحرارة في دائرة متماثلة تزيد عن 125 درجة مئوية، وتحد من الضوضاء المشتعل، ولا سيما في مراحل المدخلات التي تعالج الإشارات الصغيرة.

التحلل والتحلل من الإدمان

وتعتمد البلدان المتقدمة على إشارات ثابتة إلى الفولط، وشبكات مقاومة متطابقة، ومصادر حديثة محسنة التجهيز، وتتسبب درجات الحرارة العالية في حدوث انجرافات كبيرة في كثير من الأحيان على ترتيب عشرات أجزاء لكل مليون درجة مئوية، وتتغير قيم الترسبات مع درجة الحرارة بسبب معامل الحرارة فيها (التوقيت)، وتستحدث أخطاء في الكسب وتقابل الانجراف.

الإجهاد الحراري والاعتماد

(أ) إن تكرار التدوير الحراري واستمرار ارتفاع درجات الحرارة يؤدي إلى الإجهاد الميكانيكي في السليكون يموت، أو أسلاك السندات، أو مواد التغليف، ويظهر معامل التوسيع الحراري بين السليكون، أو الخماس، أو الطرد أن الدقائق الدقيقة، أو التحلل، أو السندات السلكية، ويظهر هذا الفشل كإخفاقات شبه متقطعة، أو زيادة موثوقية طويلة الأجل، أو أي جهاز كامل.

اختيار العناصر اللازمة لعملية التدرج القصوى

ولا تُنشأ جميع المكونات الإلكترونية على قدم المساواة عندما يتعلق الأمر بالاحتفاظ بمستوى الحياة العالية الحرارة، ويجب على المهندسين أن يختاروا بعناية أجهزة نشطة وسلبية تُقيَّم للمدى الحراري المقصود وتحافظ على البارامترات الرئيسية على هذا النطاق.

موصلات خام عالية التأقلم: سي سي سي، غا إن، سو آي

وتعاني هذه المركبات من تسرب كبير يزيد على 150 درجة مئوية. وتُعرض الآن عدة مواد واسعة النطاق مثل قنبل السيليكون ونايتريد غالويوم (GaN) على نطاق واسع، مما يقلل من التسربات التي تُستخدم في إطارها أجهزة التسرب المكونية من 3.6 درجة مئوية و3.4 درجة مئوية، على التوالي، مقارنة بمقياس 1.12 درجة حرارة.

العناصر السلبية ذات معامل التدرج المنخفض

ويجب أن يكون للمقاومين والمكثفين في مسار الإشارة المشابهة حد أدنى من الزمن، حيث يفضل المقاومون الذين يقل وزنهم عن 50 جزء من المليون/س، بينما يمكن للمقاومين المتخصصين للرغوة أن يحققوا 5 أجزاء من المليون/س أو أكثر، حيث أن المكثفات المكونية من نوع Ceramic هيدروجيني (NP0) التي تميل إلى الاسترخاء في درجة الحرارة، خلافاً للأجهزة الهندسية X7R أو Y5V.

الاعتبارات المتعلقة بالتعبئة: السيراميك، الهرمزي، والسلوك الحراري

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الطرود البلاستيكية غير ملائمة للبيئات العالية الحرارة لأنها تفوق طاقتها، وتستوعب الرطوبة، ولا يمكن تحمل درجات الحرارة فوق 150 درجة مئوية لفترات طويلة، كما أن مجموعات المواد الكيميائية، مثل رزمة التسخين العالي الحرارة، أو مجموعات المعادن الاصطناعية، توفر قدرة ممتازة على التصرف الحراري واستقرارا آليا.

تقنيات تصميم الدوائر من أجل الاستقرار الحراري

وإلى جانب اختيار العناصر، تؤدي طب طبوغرافيا الدوائر والتصميم دورا حاسما في الحفاظ على أداء شركة ADC عبر درجات الحرارة.

Bandgap References and Voltage Regulation

وكثيراً ما تكون الإشارة إلى الفولط هي أضعف حلقة في درجة حرارة عالية من درجة الحرارة (ADC) أما الإشارات التقليدية للفرقبة باستخدام أجهزة التبريد ذات القطبين السيليكونية فتتراوح بين 50 و100 جزء من المليون/س. وبالنسبة للبيئات القاسية، فإن المهندسين يتحولون إلى إشارات مدفونة إلى مناطق محسوبة أو إلى أجهزة قياسية مستهلكة بدرجة الحرارة تستخدم نقاط تشغيل متعددة لإلغاء معامل الحرارة.

التفاضلي والتفاضل بين التعاليم المثبطة

فبحكم وجود هياكل مدخلات مختلفة ترفض الضوضاء الشائعة الحد من تأثير الانجراف الناجم عن درجة الحرارة بالمقارنة مع التصميمات الوحيدة - وتثبيت الشُعبة هو أسلوب معروف تماماً يُعَد فيه مؤشر المدخلات إلى درجة أعلى، ويُضفي عليه طابع مُضلل، ويُهدم بعد ذلك، ويزيل الضوضاء المنخفضة التردد (1/المطهر) وقابلة DCsta التي يزيد حدها على درجة الحرارة العالية 150.

دائرة المعايرة والتعويض

ويسمح معيار مستوى النظام باستخدام محولات رقمية من نوع إلى متطور ومجسات درجة الحرارة لمؤسسة ADC بتصحيح أخطاءها في الوقت الحقيقي، ويشمل الآن العديد من البلدان الصناعية المشتركة بين الأجهزة جهازاً قياسياً متكاملاً للحرارة، ومقياساً للمقاييس يُعدل الفولط المرجعي ويكسب ويقابله كتغيير في درجات الحرارة.

التقنيات الرقمية المتقدمة

وتوفر الحدود الرقمية لتجهيز الإشارات أدوات قوية للحفاظ على التكوين لدى تعطل الأداء المدون.

تصحيح الأخطاء في الوقت الحقيقي باستخدام النماذج الافتراضية

ويمكن للتفاعل الرقمي، عن طريق إدخال جهاز استشعار درجة الحرارة على رقاقة التكييف والجدول المتطلع لبارامترات التصحيح التي تم تصنيعها قبل درجة الحرارة، أن يطبق تعديلات دقيقة على كل تحويل، وهذه التقنية، التي تسمى أحياناً " المعالجة الذاتية الرقمية " ، أن تقلل كثيراً من الأخطاء الناجمة عن الحرارة دون تغيير الطرف الأمامي المشابه.

التأليف والتقسيم

وفي إطار عمليات التقاط البيانات المحتوية على التحلل المائي، يمكن تكييف مرشح التحلل الرقمي استناداً إلى قراءة درجة الحرارة من أجل تعظيم تشكيل الضوضاء وقطع الترددات، وفي درجات الحرارة المرتفعة، حيث تهيمن الضوضاء الحرارية، وزيادة نسبة أخذ العينات المفرطة، وتخفيض نطاق الترددات يمكن أن يستعيد بعض سمات SNR.

الاستشعار والرصد المتكاملان للمواقف

وكثيراً ما تدمج أجهزة القياس الحديثة ذات الحرارة العالية مع جهاز استشعار أو أكثر من أجهزة قياس درجة الحرارة إلى جانب قلب التحويل، وتغذي هذه أجهزة الاستشعار منطق الرصد المستمر الذي يمكن أن يولد إنذاراً أو يُحدث وقفاً مراقياً إذا تجاوزت درجة الحرارة المتوفية عتبة آمنة، كما أنها توفر إشارة التغذية المرتدة اللازمة لثبات المعايرة في الوقت الحقيقي، التي سبق وصفها، ويخلق الجمع بين الاستشعار والتصويب نظاماً فرعياً متوافقاً تماماً معياً ذاتياً.

استراتيجيات الإدارة الحرارية

وحتى أفضل طريقة لتصميم المواد والعمليات ستفشل إذا تجاوزت بيئتها الحدود الحرارية للمواد والعمليات، وبالتالي فإن الإدارة الحرارية الفعالة جزء لا يتجزأ من التصميم على مستوى المنظومة.

دقات النفاية والتبريد الجاهز

وعلى مستوى اللوحة، ينبغي بيع الرصيف الحراري التابع لشركة ADC إلى طائرة نحاسية كبيرة تسخن في مغسلة حرارية مخصصة أو إلى الفوضى، وباستخدام قنابل حرارية تربط أعلى طبقة أرضية داخلية، فإن ذلك يزيد من التقاطع بين التدفق الحراري، وفي بعض التصميمات الصناعية، فإن ثنائي الفينيل متعدد الكلور نفسه مثبت على أساس معدني (ملوث ثنائي الفينيل متعدد الكلور) يعمل بكفاءة.

حلول التبريد النشط

وفي حين يفضل التبريد السلبي للموثوقية، فإن التبريد النشط قد لا يمكن تجنبه في بؤر ساخنة للغاية، فالمعجبون بمجالات التوليد عالية الحرارة، ولكنهم يستحدثون أجزاء متحركة يمكن أن تزول وتحتاج إلى الصيانة، حيث أن مبردات الحرارة (أجهزة الرسوب) توفر التبريد في الدولتين الصلبتين، ولكنها تستهلك طاقة كبيرة وتصبح أقل كفاءة مع ارتفاع درجة الحرارة العالية.

التصميم الحراري على مستوى المنظومة: عزل وتجزئة

ومن النهج العملي عزل دائرة تنمية الحوائط الحساسة عن أشد المصادر الحرارية، مثلاً، وضع مركز التكييف في هيئة بنت منفصلة تفصل حرارياً عن الكترونيات الكهربائية الساخنة، أو استخدام أنابيب حرارية لنقل الحرارة، يمكن أن يبقي الشركة ضمن نطاقها المعدل، وينبغي أن يستفيد التصميم المادي للنظام من الانتصاب الطبيعي وأن يضمن عدم تكاثر المكونات الساخنة مباشرة.

اختبار وتقييم البلدان المتقدمة النمو

فالتصميم على درجة الحرارة العالية لا يكتمل بدون اختبار دقيق، فالاختبارات التجارية الموحدة عند درجة حرارة الغرفة غير كافية لضمان الأداء في ظل ظروف متطرفة.

اختبار الحياة المعجلة وحياة التشغيل العالية التوليد

وتضغط اختبارات HTOL على درجة حرارة درجة حرارة عالية (التي تبلغ في الغالب 150 درجة مئوية أو 175 درجة مئوية) مع تطبيق إشارات مدخلات مستمرة أو دينامية، ويرصد الجهاز بسبب الفشل العائم والوظيفي المتماثل على مدى آلاف الساعات، وتوفر معايير الصناعة مثل نظام JEDEC JESD22A108) مبادئ توجيهية لهذا الاختبار.

السمنة فوق درجة الحرارة: من - - 55 درجة مئوية إلى +225 درجة مئوية

ويتطلب التخصيص الكامل مسح درجة حرارة البلدان النامية عبر نطاق حرارة البلدان النامية المعتزمة، مع قياس البارامترات الرئيسية: خطأ في الربح، وقابله، ودي إن ر، وSNR، وENOB. والبيانات التي جمعت تغذي نماذج المعايرة وتثبت أيضا هوامش التصميم.

المعايير والتصديقات: AEC-Q100، MIL-STD، وغيرها

وبالنسبة لتطبيقات السيارات والفضاء الجوي، فإن الامتثال لمعايير التأهيل إلزامي، ويشمل الرقم القياسي للكهرباء 100 (للسيارات) تصنيفاً من الدرجة صفراً للأجهزة التي تعمل في درجات حرارة مرتفعة تصل إلى 150 درجة مئوية، بينما يمكن أن يصل نطاق خط الاستيعاب إلى 175 درجة مئوية.

دراسات حالات إفرادية وتطبيقات

حفرة أسفل

وفي صناعة النفط والغاز، يجب أن تصمد أدوات القياس أثناء ذلك في درجات الحرارة التي تتجاوز 175 درجة مئوية في أعماق عدة كيلومترات، كما أن أجهزة تحديد الانبعاثات في هذه الأدوات تحول إشارات من أجهزة المغناطيس، ومطياف التسارع، ومجسات الضغط، وقد أظهرت دراسة حالة من أحد شركات صناعة الأدوات الرئيسية أن استخدام جهاز تدفئة مبردة ذات قاعدة 16 كيلو متراً، مع زيادة دقة قياس السائل المحتوي على 40 جهازاً.

الفضاء الجوي والفيون

وتحتاج وحدات مراقبة محركات الطائرات النفاثة ونظم التغذية المرتدة للمحركات إلى أجهزة متطورة تعمل في نطاق يتراوح بين 125 درجة مئوية و150 درجة مئوية، وغالبا ما تكون ذات موثوقية صارمة على آلاف دورات الرحلات الجوية، وهنا يفضل استخدام أجهزة تحديد درجات الحرارة ذاتية مجهزة بالأجهزة ذاتية، ويزيد استخدام قنوات التثبيت الهوائية الزائدة مع المنطق الضيق في تحديد درجات الحرارة من سوء التسامح.

أجهزة التحكم في المحرك الآلي والكهربائي

كما أن محركات الاحتراق الداخلي الحديثة لديها أجهزة استشعار قرب محركات العادم التي ترقى إلى 150 درجة مئوية، كما أن المركبات الكهربائية تضع أجهزة التصنت الآلي في مواقد الكهرباء وشحنات على متنها حيث يكون التبريد صعباً، كما أن هناك الآن شيوعاً في هذه التطبيقات، حيث يتجه الاتجاه نحو دمج السيارات التي تجمع بين اللافت والسيارات في وحدة واحدة.

الاتجاهات المستقبلية في تصميمات عالية الجودة

ولا تزال درجة الحرارة التشغيلية المرتفعة تدفعها الطلبات على نظم أصغر حجما وأكثر تكاملا، وعلى العمل في بيئات متطرفة مثل استكشاف الزهرة أو الآبار الحرارية الأرضية العميقة.

وسامات الناموسيات الساموية وأجهزة السحب الوطنية

وقد أظهرت أفرقة البحوث وجودات في واجهة شركة ADC بنيت بالكامل في نيتريد غالويوم (GaN) تعمل عند 300 درجة مئوية دون تدهور في الأداء، وفي حين أن هذه الأرقام تقتصر حاليا على قرار أدنى (10-12 قطعة) وسرعة متوسطة، فإن إمكانات تشغيل 200 درجة مئوية + في تطبيقات الطاقة الكهربائية - الكهربائية هائلة، كما أن المجال الكهربائي الكبير للشبكة يتيح أيضاً وجود أجهزة متقدمة ذات قدرة على التفاعل المباشر مع أجهزة الاستشعار الخارجية القاسية.

التغليف المتقدم: 3D Integration and Thermal Isolation

3D stacking of dies with through‐silicon vias (TSVs) allows the analog and digital portions of an ADC to be placed on separate thermal planes. The digital die, which generates more heat, can be located on a dedicated thermal path, while the sensitive analog die remains cooler. This technili, combined with micro-fluidic cooling channels etched into the s

تعليم الآلات من أجل معايرة طبية

وبدلاً من جداول النظر البسيطة، يمكن أن تستخدم البلدان المتقدمة في المستقبل شبكات عصبية عالية الحرارة مدربة على التنبؤ بارامترات المعايرة المثلى استناداً إلى درجات الحرارة في الوقت الحقيقي وقراءات الفولط، ويمكن لهذا النهج أن يعوض عن آثار العصر غير الخطية والجهاز المعتمد عليها، ويظهر العمل المبكر المُنشَر في IEE أن هذه الأساليب التي تُحد من درجة الحرارة التقليدية تزيد على

خاتمة

إن تصميم البلدان النامية ذات التأثيرات العالية في البيئات الصناعية ذات التمرينات العالية هو تخصص متعدد الجوانب يتطلب اختيار المواد بعناية، وتوليد الطوابق المبتكرة، والإدارة الحرارية القوية، والجمع بين نظم شبه الحزم الواسعة النطاق، والتغليف المتقدم، والدوائر الرقمية ذاتية الرفع، والاختبار الدقيق، يمكن من الدقة في التحويل الموثوقة في البيئات التي كان يمكن أن تكون غير قابلة للتصور منذ عقد مضى.