Massima temperatura operativa dei circuiti integrati

Perché così tanti circuiti integrati hanno un intervallo di temperatura massima di 125 ° C? È dovuto alle tolleranze del materiale di imballaggio, ad esempio le custodie in plastica nera e / o la resina epossidica che tiene il dado sulla confezione e / o qualcos'altro?

Tutte le caratteristiche dei semiconduttori sono influenzate dalle statistiche di Boltzman relative alle densità dei portatori di carica rispetto alla temperatura. Più è caldo, più sono presenti i vettori intrinseci, a un certo punto la concentrazione intrinseca dei vettori diventa così alta che qualsiasi doping (tipo n vs tipo p) viene spazzato via. Questo è alle alte temperature.

Un conduttore ha la caratteristica che quando lo riscaldi, i portatori sono più mobili e si scontrano di più e la resistenza aumenta. Un semiconduttore ha la caratteristica che quando lo riscaldi, sono presenti più portanti e la resistenza diminuisce.

Quindi è naturale vedere che ci sono dei limiti. Perché in particolare quelle temperature, non lo so, sono sicuro che qualcuno troverà la risposta storica. Tuttavia, è molto celare che sia necessario selezionare una certa temperatura, perché se si progetta per un intervallo di temperature molto ampio, alcune altre metriche delle prestazioni saranno compromesse, come la velocità o i margini.

I disegni sono specificati su quelli che sono chiamati angoli PVT, come nei casi d'angolo di processo, temperatura e tensione.

L'intervallo di temperatura militare per il funzionamento dei circuiti integrati in silicio (CI o chip) è compreso tra -55 ° C e + 125 ° C, il che è destinato a garantire il funzionamento praticamente in qualsiasi situazione di campo, con ampio margine (125 ° C è più caldo del 25% rispetto al punto di ebollizione dell'acqua ).

Altre gamme standard per i circuiti integrati sono da -40 ° C a + 125 ° C per il settore automobilistico, da -40 ° C a + 85 ° C per il settore industriale e da 0 ° C a + 70 ° C per il settore commerciale (ad es. Chip nei televisori). Esistono variazioni in questi standard, ad esempio alcuni dispositivi automobilistici possono estendersi a + 130 ° C o più e i chip CPU ad alte prestazioni nei computer domestici possono essere limitati a + 55 ° C.

L'imballaggio di un chip viene scelto in base all'intervallo di temperatura nominale del chip ed è generalmente di plastica per dispositivi a bassa temperatura e di ceramica per temperature più elevate. Le confezioni in ceramica hanno anche una tenuta superiore e possono prevedere un accoppiamento con un dissipatore di calore esterno per raffreddare la confezione.

Il silicio da cui sono realizzati i circuiti integrati ha un limite oltre il quale il calore generato dai circuiti del chip non può fluire attraverso il silicio e fuori dal chip abbastanza velocemente da prevenire danni permanenti, indipendentemente dai metodi di dissipazione del calore esterno (dissipatori di calore). Più veloce è il segnale di clock per un chip digitale come una CPU, più calore genera perché il segnale di clock trascorre più tempo nella regione di transizione tra stati logici alti e bassi. Le transizioni di clock sono l'unica volta in cui un tipico circuito digitale genera un calore significativo, quindi viene generato più calore all'aumentare della velocità di clock. Un limite massimo tipico per la velocità di clock nei circuiti integrati al silicio è di circa 4 GHz (4.000 MHz) ma alcuni dispositivi specializzati possono essere sincronizzati molto più velocemente.