Comment le froid affecte-t-il l'électronique ?

Lorsqu'il s'agit du comportement thermique ou de la simulation thermique des circuits imprimés, tout le monde pense immédiatement à la surchauffe des composants et des joints de soudure et aux problèmes qui en résultent. L'extrémité inférieure de l'échelle de température emploie très peu de concepteurs. 

Grâce à la meilleure conductivité des métaux, les pertes électriques à basse température sont réduites. Le courant de saturation dans les circuits CMOS s'améliore, les circuits intégrés commutent plus rapidement et peuvent fonctionner avec des fréquences plus élevées. La température minimale à laquelle les circuits CMOS ont été testés est d'environ -230°C (bipolaire seulement -195°C), soit 40K au-dessus du zéro absolu. Le silicium CMOS en lui-même est donc adapté à de telles températures. Cependant, la tension de commutation se décale vers le haut et des niveaux de tension plus élevés doivent être utilisés. Il en résulte un risque accru de destruction et des problèmes de SI avec des flancs plus raides.

Les écrans IPS et TFT contiennent des cristaux liquides qui sont sensibles au froid et peuvent geler à basse température. Ils ne réagissent alors que lentement ou pas du tout au toucher. En comparaison, les écrans AMOLED utilisent des diodes plus résistantes au froid. Pour qu'un écran gelé puisse être réutilisé, il doit être réchauffé lentement et doucement. La congélation n'est dangereuse que s'il y a des tensions dans le verre lorsque la température change et que le verre se fend.

À basse température, les oscillateurs d'horloge dérivent amplifiés et les convertisseurs analogique-numérique peuvent également produire des résultats de décalage. Les résistances sont constantes dans la plage de température spécifiée. En dehors de ces limites, ils peuvent s'écarter sensiblement. Les résistances de précision compensent les dilatations linéaires dépendantes de la température en modifiant la conductivité en fonction de la température dans la plage de fonctionnement. Toutefois, ce réglage ne fonctionne que sur une plage de température limitée.

Temperaturspreizung von -40 bis +150°C
Plage de température de -40 à +150°C

Les changements brusques froid-chaud entraînent un risque élevé de condensation. De l'air chaud et humide se dépose dans la chambre froide et dans le composant froid. Dans ce cas, vous devez éteindre l'appareil et retirer la batterie. Laissez ensuite sécher l'appareil ouvert dans un endroit sec et chaud pendant plusieurs heures ou plusieurs jours avant de le remettre en service. L'humidité à l'intérieur de l'appareil peut endommager les contacts des piles ou l'eau peut provoquer des courts-circuits et de la corrosion. En conséquence, les lignes de fuite sur les circuits imprimés pour les surfaces enduites d'eau doivent être prises en compte et les distances correspondantes doivent être respectées.

Si l'humidité pénètre dans le circuit imprimé et gèle, l'anomalie de l'eau et l'augmentation du volume pendant le gel entraînent une expansion et l'élargissement des fissures. L'eau glacée peut faire éclater les circuits imprimés sur plusieurs cycles de température. Le gonflement de la carte de circuit imprimé et les cavités qui en résultent modifient le comportement électrique des antennes et des signaux à grande vitesse. Des dépôts cristallins peuvent également se produire dans les cavités (CAF = Conductive Anodic Filament). Il en résulte des défaillances soudaines dans le fonctionnement à long terme.

Pour cette raison, les circuits imprimés exposés au froid et à l'humidité sont souvent installés dans des boîtiers fermés (par ex. IP54). Les boîtiers étanches à l'air qui aident à lutter contre le froid sont problématiques à des températures de fonctionnement plus élevées, car la dissipation de la chaleur sans ventilation est rendue plus difficile. Des cosimulations thermoélectriques de l'électronique et des boîtiers à différentes températures ambiantes permettent de cartographier le comportement multiphysique.
Pour les plages de températures extrêmement basses, il convient d'utiliser l'isolation sous vide ou le contrôle actif de l'humidité pour abaisser le point de condensation. Cependant, les revêtements de protection contre l'humidité n'ont qu'une durée de vie limitée.

Des ventilateurs et des dissipateurs thermiques sont utilisés pour refroidir les circuits imprimés. Les éléments chauffants pour circuits imprimés sont inconnus de beaucoup. Ils s'allument lorsqu'une température minimale est atteinte. Un courant de repos plus élevé circule alors sur une couche interne et les pertes ohmiques provoquent un échauffement uniforme du circuit imprimé de l'intérieur. L'humidité se déforme et il n'y a pas de courts-circuits ou de stress mécanique causés par l'eau gelée. De telles boucles d'induction peuvent être dimensionnées dans des outils d'implantation de circuits imprimés tels que Cadence Allegro et le chauffage simulé avec Sigrity.

La mise en marche à des températures extrêmement basses peut provoquer un échauffement local et rapide de l'électronique, ce qui entraîne des contraintes mécaniques. Ces contraintes causées par des coefficients de dilatation différents et des différences de température élevées provoquent l'éclatement des boîtiers ou l'arrachement des joints de soudure et des microvias dans la technologie HDI.

Lorsqu'ils sont utilisés en dessous de la température spécifiée, les composants limiteurs de courant tels que PTC ou PPTC permettent le passage d'un courant beaucoup plus important. Ces courants élevés peuvent détruire d'autres composants. Lors de la simulation de tels circuits, il est important de s'assurer que les modèles PSpice sont adaptés aux basses températures, car les fabricants de composants ne fournissent souvent que des modèles PSpice pour la plage de température commerciale. En règle générale, si les composants sont utilisés en dessous de la température minimale, la garantie expire pour le client ou tous les modèles de simulation perdent leur validité.

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