過酷高温のMCU変化

WithHappy

1年前

最高気温が35°Cを超える猛暑日が多発しています。IoT MCU装置の動作環境も、過酷な高温になることもあるでしょう。

そこで、過酷な高温環境で、MCUの何が、どのように変わるかをソフトウェア開発者向けにまとめます。

Summary：限界温度以下のMCU運用必須

過酷な高温でMCUが動作すると、半導体MCU自体が部分的に破壊され、常温に復帰しても元に戻りません。その結果、MCU論理やアナログ処理の異常、消費電流過大/過少などの症状が現れることがあります。

ソフトウェア開発者が、これら見つけにくい症状をデバッグするのは困難です。フェールセーフ観点から、ADCでMCU心臓部温度をモニタし、限界温度まで十分な余裕のあるうちに動作停止などのMCU運用が必要でしょう。

RA6E1アプリケーションノート：Notes on RA6E1 Group High-Temperature Operationは、ルネサスRA6E1（Cortex-M33コア、IoT向きMCU）を使った8個のアプリケーションで、信頼性劣化を防ぐMCU心臓部限界温度の実験結果を示しています。

※本稿は、Tj：ジャンクション温度を、MCU心臓部温度と略記します。

何が起きる（前後編）は、STマイクロの技術資料です。高温、高湿、高電圧ストレスが、一般的なMCUに与える影響と、その可逆性（常温で正常に戻るかどうか）を詳しく説明しています。

どちらの参考資料も、デバイス開発者向けとしては良く出来ています。

特に1は、具体的アプリケーションでの周囲温度（Ta：-40℃～105℃）とMCU動作時ジャンクション温度（Tj）の許容範囲を示しており、2の高温ストレス限界の具体例です。

しかし、ソフトウェア開発者にとっては、そのメカニズムよりも過酷高温動作の結果、MCUの何がどう変わるかをもっと端的に知りたいハズです。

過酷な高温でMCUが動作すると、半導体MCU自体が物理的、部分的に破壊され、常温に復帰しても元に戻りません。その結果、論理処理やアナログ処理の異常、消費電流過大/過少などの症状が現れることがあります。これらは、常に現れる症状ではないと筆者は思います。

ソフトウェア開発者が、通常のソフトウェアバグとは異なるこれら症状をデバッグするのは、困難です。

例えば、高温限界を超えたMCUと新品MCUとを並行動作し、たまに発生する異常症状から間接的に判断する程度でしょう。結局、新品MCUとの交換が必要です。

自動車は、制御系が異常を検出するとリンプモード（limp mode）、つまり、エンジン/モータやその他部品などの追加損傷をおさえつつ、最低限の走行で乗員を帰宅させるモードへ移行します。

MCU装置の場合は、先ず過酷な高温場所に設置しないこと、それでもやむを得ず限界高温に近づいた場合は、MCU破壊を避けるため動作停止などのフェールセーフが必要でしょう。

最近のMCUは、温度計を内蔵しています。ADCで自身の温度を測り、「限界温度前の十分な余裕あるうち」にフェールセーフ処理実行が可能です。

高温状態で信頼性が劣化するのは、MCUだけではなく、抵抗、コンデンサ、基板などの装置デバイス全てに及びます。装置内で消費電力が最も大きいMCUに高温影響が顕著に表れ、その異常症状が他のデバイスに比べ検出し易いだけです。

そこで、多くのデバイスから構成される装置を安全に運用するには、各デバイス最大定格の50%以下で使うのが良いとされ、これをディレーティング（derating）と言います。

また、周囲温度が10℃上がると、材料寿命が半分になる10℃2倍則（10℃半減則）もあります。

これらを考慮すると、人間同様IoT MCU装置も、十分な余裕がある適温で運用してこそ本来の機能を発揮し、かつ、装置寿命も保てると言えます。適温とは、参考資料1 Table 4.1 No.3の最も厳しいTj≤85℃の50%、つまり45℃～50℃位でしょうか？

筆者は、Windowsタスクマネージャーのパフォーマンスモニタで、半導体CPU/GPU温度が50℃を超えると、処理負荷を減らすかシャットダウンするようPC運用を心がけています。