Maximale Betriebstemperatur von ICs

Warum haben so viele ICs einen maximalen Temperaturbereich von 125 ° C? Liegt es an Toleranzen des Verpackungsmaterials, dh an den schwarzen Kunststoffgehäusen und / oder dem Epoxidharz, das die Matrize an der Verpackung und / oder an etwas anderem hält?

Alle Halbleitereigenschaften werden durch Boltzman-Statistiken beeinflusst, die die Ladungsträgerdichten in Bezug auf die Temperatur betreffen. Je heißer es ist, desto mehr intrinsische Träger sind vorhanden. Irgendwann wird die intrinsische Trägerkonzentration so hoch, dass jegliche Dotierung (n-Typ vs. p-Typ) ausgelöscht wird. Das ist bei hohen Temperaturen.

Ein Leiter hat die Eigenschaft, dass die Träger beim Erhitzen beweglicher sind und stärker kollidieren und der Widerstand steigt. Ein Halbleiter hat die Eigenschaft, dass beim Aufheizen mehr Träger vorhanden sind und der Widerstand abnimmt.

Es ist also natürlich zu sehen, dass es Grenzen gibt. Warum gerade diese Temperaturen, weiß ich nicht, ich bin sicher, jemand wird die historische Antwort finden. Es ist jedoch sehr wichtig, dass eine bestimmte Temperatur ausgewählt werden muss, denn wenn Sie für einen sehr breiten Temperaturbereich entwerfen, wird eine andere Leistungsmetrik wie Geschwindigkeit oder Margen beeinträchtigt.

Entwürfe werden über sogenannte PVT-Ecken spezifiziert, wie in den Fällen Prozess-, Temperatur- und Spannungsecken.

Der militärische Temperaturbereich für den Betrieb von integrierten Siliziumschaltungen (ICs oder Chips) liegt zwischen -55 ° C und + 125 ° C, was den Betrieb in praktisch jeder Feldsituation mit viel Spielraum gewährleisten soll (125 ° C sind 25% heißer als der Siedepunkt von Wasser) ).

Andere Standardbereiche für ICs sind -40 ° C bis + 125 ° C für die Automobilindustrie, -40 ° C bis + 85 ° C für die Industrie und 0 ° C bis + 70 ° C für den gewerblichen Bereich (z. B. Chips in Fernsehgeräten). Es gibt Abweichungen bei diesen Standards, z. B. können sich einige Automobilgeräte auf + 130 ° C oder höher erstrecken, und Hochleistungs-CPU-Chips in Heimcomputern können auf + 55 ° C beschränkt sein.

Die Verpackung eines Chips wird gemäß dem Nenntemperaturbereich des Chips ausgewählt und besteht im Allgemeinen entweder aus Kunststoff für Geräte mit niedrigerer Temperatur oder aus Keramik für höhere Temperaturen. Keramikverpackungen haben auch eine überlegene Abdichtung und können eine Verbindung mit einem externen Kühlkörper zur Kühlung der Verpackung vorsehen.

Das Silizium, aus dem ICs hergestellt werden, hat eine Grenze, ab der die von den Schaltkreisen des Chips erzeugte Wärme nicht schnell genug durch das Silizium und aus dem Chip heraus fließen kann, um dauerhafte Schäden zu verhindern, unabhängig von externen Wärmeableitungsmethoden (Kühlkörpern). Je schneller das Taktsignal für einen digitalen Chip wie eine CPU ist, desto mehr Wärme wird erzeugt, da das Taktsignal mehr Zeit im Übergangsbereich zwischen hohen und niedrigen Logikzuständen verbringt. Taktübergänge sind das einzige Mal, dass eine typische digitale Schaltung signifikante Wärme erzeugt, sodass mit zunehmender Taktrate mehr Wärme erzeugt wird. Eine typische Obergrenze für die Taktrate in Silizium-ICs liegt bei 4 GHz (4.000 MHz), aber einige spezialisierte Geräte können viel schneller getaktet werden.