Una volta che un chip si surriscalda, può iniziare a funzionare male, ad esempio molti programmi potrebbero iniziare a fallire una volta che alcune o tutte le parti di un computer si surriscaldano.
Che cosa succede esattamente che provoca il malfunzionamento dei chip quando si surriscaldano?
Risposte:
Espandere su altre risposte.
Ci sono più ragioni, ma queste sono alcune importanti.
Il problema principale con il funzionamento dell'IC ad alte temperature è la corrente di dispersione notevolmente aumentata dei singoli transistor. La corrente di dispersione può aumentare a tal punto da influire sui livelli di tensione di commutazione dei dispositivi, in modo che i segnali non possano propagarsi correttamente all'interno del chip e smetta di funzionare. Di solito si riprendono quando possono raffreddarsi, ma non è sempre così.
I processi di produzione per il funzionamento ad alta temperatura (fino a 300 ° C) utilizzano la tecnologia CMOS su silicio su isolante a causa della bassa perdita in un intervallo di temperature molto ampio.
Solo un'aggiunta ad alcune risposte eccellenti: tecnicamente non sono i droganti a diventare più mobili, è un aumento della concentrazione intrinseca del vettore. Semmai i droganti / trasportatori diventano meno mobili poiché il reticolo cristallino del silicio inizia a "vibrare" a causa dell'aumento dell'energia termica che rende più difficile il flusso degli elettroni e dei fori attraverso il dispositivo - diffusione ottica dei fononi credo che la fisica lo chiami ma potrei sbagliarsi.
Quando la concentrazione intrinseca del veicolo aumenta oltre il livello di doping si perde il controllo elettrico del dispositivo. I vettori intrinseci sono quelli che ci sono prima di drogare il silicio, l'idea dei semiconduttori è che aggiungiamo i nostri vettori per generare giunzioni pn e le altre cose interessanti che fanno i transistor. Il silicio supera i 150 ° C, quindi i processori RF a dissipazione di calore e l'alta velocità sono molto importanti in quanto i 150 ° C non sono troppo difficili da raggiungere in pratica. Esiste un collegamento diretto tra la concentrazione intrinseca del trasportatore e la corrente di dispersione off di un dispositivo.
Come hanno dimostrato gli altri chap, questo è solo uno dei motivi per cui i chip falliscono: può persino arrivare a qualcosa di semplice come un bond wire che si surriscalda e fa esplodere il suo pad, c'è un enorme elenco di cose.
Sebbene le correnti di dispersione aumentino, mi aspetto un problema più grande per molti dispositivi basati su MOS è che la quantità di corrente passata attraverso un transistor MOS nello stato "on" diminuirà quando il dispositivo si surriscalda. Affinché un dispositivo funzioni correttamente, un transistor che commuta un nodo deve essere in grado di caricare o scaricare qualsiasi capacità latente in quella parte del circuito prima che qualsiasi altra cosa si basi sul fatto che quel nodo è stato commutato. Ridurre la capacità di passaggio di corrente dei transistor ridurrà la velocità con cui possono caricare o scaricare i nodi. Se un transistor non è in grado di caricare o scaricare un nodo sufficientemente prima che un'altra parte del circuito faccia affidamento sulla commutazione di quel nodo, il circuito non funzionerà correttamente.
Si noti che per i dispositivi NMOS si è verificato un compromesso di progettazione nel dimensionamento dei transistor pull-up passivi; più grande è un pull-up passivo, più rapidamente il nodo potrebbe passare da basso ad alto, ma maggiore sarebbe la perdita di energia ogni volta che il nodo era basso. Molti di questi dispositivi sono stati quindi utilizzati in qualche modo vicino al limite del corretto funzionamento e i malfunzionamenti basati sul calore erano (e per l'elettronica vintage, rimangono) abbastanza comuni. Per l'elettronica CMOS comune, tali problemi sono generalmente meno gravi; Non ho idea in pratica della misura in cui svolgono un ruolo in processori multi-GHZ.
A complemento delle risposte esistenti, i circuiti di oggi sono sensibili ai seguenti due effetti dell'invecchiamento (non solo questi, ma sono i principali sui processi <150 nm):
Poiché la temperatura aumenta la mobilità dei portatori, aumenta gli effetti HCI e NBTI, ma la temperatura non è la causa principale di NBTI e HCI:
Questi due effetti dell'invecchiamento del silicio causano danni sia reversibili che irreversibili ai transistor (influenzando / deteriorando i substrati dell'isolante) che aumentano la soglia di tensione del transistor (Vt). Di conseguenza, la parte richiederà una tensione più elevata per mantenere lo stesso livello di prestazioni, il che implica un aumento della temperatura operativa e, come detto in altri posti, seguirà una maggiore perdita della porta del transistor.
Riassumendo, la temperatura non farà davvero invecchiare la parte più velocemente, è la frequenza e la tensione più alte (cioè l'overclocking) che farà invecchiare una parte. Ma l'invecchiamento dei transistor richiederà una tensione di funzionamento più elevata che aumenterà il calore della parte.
Corolary: la conseguenza dell'overclocking è un aumento della temperatura e della tensione richiesta.
Il motivo generale per cui i circuiti integrati non funzionano irreversibilmente è perché il metallo in alluminio al loro interno utilizzato per creare interconnessioni tra i vari elementi si scioglie e apre o mette in cortocircuito i dispositivi.
Sì, le correnti di dispersione aumenteranno, ma in genere non è la corrente di dispersione stessa ad essere un problema, ma il calore che ciò provoca e il conseguente danno al metallo all'interno del circuito integrato.
I circuiti di alimentazione (ad es. Alimentatori, driver ad alta corrente, ecc.) Possono essere danneggiati perché ad alte tensioni, quando i driver del transistor si spengono rapidamente, si generano correnti interne che causano il blocco del dispositivo o una distribuzione irregolare di energia al suo interno che provoca locale riscaldamento e conseguente rottura del metallo.
Un numero elevato (1000) di cicli termici ripetuti può causare guasti a causa di discrepanze tra l'espansione meccanica dell'IC e il pacco, causando infine la rottura dei fili di collegamento o la delimitazione del materiale del pacco in plastica e il conseguente guasto meccanico.
Naturalmente un gran numero di specifiche parametriche IC sono specificate solo in un determinato intervallo di temperature, e queste potrebbero non essere incluse in specifiche al di fuori di questo. A seconda del progetto, ciò può causare guasti o spostamenti parametrici inaccettabili (mentre l'IC è al di fuori dell'intervallo di temperatura); ciò può verificarsi per temperature estremamente alte o basse.