Maksymalna temperatura robocza układów scalonych

Dlaczego tak wiele układów scalonych ma maksymalny zakres temperatur 125 ° C? Czy wynika to z tolerancji materiałów opakowaniowych, tj. Czarnych plastikowych obudów i / lub kleju epoksydowego, który utrzymuje matrycę na opakowaniu i / lub coś innego?

Na wszystkie cechy półprzewodników mają wpływ statystyki Boltzmana dotyczące gęstości nośników ładunku w odniesieniu do temperatury. Im cieplejsze, tym więcej wewnętrznych nośników jest obecnych, w pewnym momencie wewnętrzne stężenie nośnika staje się tak wysokie, że wszelkie domieszkowanie (typ n vs. typ p) zostaje wymazane. To jest w wysokich temperaturach.

Przewodnik ma tę cechę, że podczas jego podgrzewania nośniki są bardziej ruchome i bardziej zderzają się, a opór rośnie. Półprzewodnik ma tę cechę, że podczas jego podgrzewania pojawia się więcej nośników, a rezystancja maleje.

To naturalne, że istnieją ograniczenia. Dlaczego szczególnie te temperatury, nie wiem, jestem pewien, że ktoś wymyśli historyczną odpowiedź. Jednak bardzo często trzeba wybrać pewną temperaturę, ponieważ jeśli projektujesz dla bardzo szerokiego zakresu temperatur, wówczas pogorszy się niektóre inne parametry wydajności, takie jak prędkość lub marginesy.

Projekty są określane dla tak zwanych narożników PVT, jak w przypadkach narożnych Proces, Temperatura i Napięcie.

Wojskowy zakres temperatur pracy krzemowych układów scalonych (układów scalonych lub układów scalonych) wynosi od -55 ° C do + 125 ° C, co ma zapewnić działanie w praktycznie każdej sytuacji polowej, z dużym marginesem (125 ° C jest o 25% gorętsze niż temperatura wrzenia wody ).

Inne standardowe zakresy dla układów scalonych to od -40 ° C do + 125 ° C dla przemysłu motoryzacyjnego, od -40 ° C do + 85 ° C dla przemysłu i od 0 ° C do + 70 ° C dla urządzeń komercyjnych (np. Chipy w telewizorach). Istnieją różnice w tych standardach, na przykład niektóre urządzenia samochodowe mogą rozszerzać się do + 130 ° C lub więcej, a wysokowydajne układy CPU w komputerach domowych mogą być ograniczone do + 55 ° C.

Opakowanie mikroukładu jest wybierane zgodnie z zakresem temperatur znamionowych mikroukładu i na ogół jest albo plastikowe dla urządzeń o niższej temperaturze, albo ceramiczne dla wyższej temperatury. Opakowania ceramiczne mają również doskonałe uszczelnienie i mogą mieć możliwość współpracy z zewnętrznym radiatorem do chłodzenia opakowania.

Krzem, z którego wykonane są układy scalone, ma granicę, powyżej której ciepło wytwarzane przez układ scalony układu nie może przepływać przez krzem i wychodzić z układu wystarczająco szybko, aby zapobiec trwałemu uszkodzeniu, niezależnie od zewnętrznych metod rozpraszania ciepła (radiatorów). Im szybszy sygnał zegarowy dla cyfrowego układu scalonego, takiego jak procesor, tym więcej ciepła generuje, ponieważ sygnał zegarowy spędza więcej czasu w obszarze przejściowym między wysokimi i niskimi stanami logicznymi. Przejścia zegara są jedynym czasem, w którym typowy obwód cyfrowy generuje znaczne ciepło, więc więcej ciepła jest generowane wraz ze wzrostem prędkości zegara. Typowy górny limit prędkości zegara w krzemowych układach scalonych wynosi około 4 GHz (4000 MHz), ale niektóre wyspecjalizowane urządzenia mogą być taktowane znacznie szybciej.