Cosa frigge esattamente il chip quando si inverte l'alimentazione?

Per esperienza personale, masterizzare i microcontrollori è abbastanza semplice. Metti il ​​5V a terra, GND a V _CC e in un attimo il tuo chip viene bruciato.

Cosa succede esattamente al suo interno che ne fa smettere del tutto di funzionare? Ad esempio, se fossi magicamente in grado di aprire un chip e riorganizzare tutte le sue connessioni a semiconduttore e risolverlo, dove avrei esattamente bisogno di guardare e cosa avrei bisogno di fare?

Se questo è specifico per il chip, scegli quello che potrebbe rispondere alla mia domanda o almeno darmi un'idea.

La maggior parte dei circuiti IC commerciali sono isolati dal materiale del substrato da una giunzione PN polarizzata al contrario (comprese le parti CMOS). Il substrato è solitamente legato alla tensione che si prevede sia la più negativa.

In caso contrario, tale giunzione diventa distorta in avanti e può condurre una grande quantità di corrente, fusione di metallo o riscaldamento della giunzione fino al punto in cui non agisce più come un diodo. Questo è in genere a una tensione di circa 0,6 V, ma i produttori di circuiti integrati giocano normalmente al sicuro dicendoti di non scendere a -0,3 V.

(facendo riferimento al diagramma seguente, ma non mostrato, il substrato sarebbe legato al perno 5)

La maggior parte delle parti CMOS ha un'altra svolta che se una parte del chip ha un Vdd normale e un'altra parte vede una grande corrente negativa, si innescherà un grande SCR parassita che è un effetto collaterale della struttura, quindi l'alimentazione del dispositivo assorbe una grande corrente che provoca surriscaldamento, fusione, ecc. se la corrente non è limitata esternamente. Questo si chiama latch-up.

Cosa rilascia il fumo blu magico quando si superano le tensioni di lavoro o si inverte la tensione di alimentazione?

Applicato a qualsiasi "chip"

$I^2 R$

Considera la natura non lineare, asimmetrica (sensibile alla polarità), fisicamente piccola dei dispositivi interni e i loro piccoli percorsi di conduzione del calore. Abbinalo alla distruzione a bassa tensione di strati isolanti molto fini (campo alto V / m) producendo percorsi di conduzione bidirezionali a bassa resistenza.

La temperatura interna del singolo dispositivo aumenta molto rapidamente e distrugge le sue proprietà di semiconduttori / isolanti. Una volta distrutto, questo produce altri percorsi a bassa resistenza che causano più guasti a cascata su altri dispositivi sul chip.

Tutto ciò accade molto rapidamente ed è un evento a senso unico . ( Pensa a Humpty Dumpty - Mettere insieme tutti i pezzi non ti riporterà da dove sei partito - Humpty ha lasciato l'edificio)

Come hai potuto ripararlo?

Fondamentalmente non puoi causare la magia non esiste. Ci sarebbero così tanti guasti interagenti nel circuito che sarebbe quasi impossibile localizzare qualsiasi guasto. (Ricorda anche in un IC "semplice" che hai a che fare con centinaia di migliaia di dispositivi.) Tutti i dispositivi difettosi dovrebbero essere identificati e sostituiti allo stesso tempo (supponendo che tu abbia la capacità di ricostruire tutti i dispositivi difettosi a livello atomico) - manca solo uno e devi ricominciare quando accendi.

Una soluzione semplice (e la più conveniente in termini di tempo e denaro) elimina il bug morto, impara dall'esperienza, sostituiscilo con un nuovissimo chip con specifiche complete e la prossima volta stai più attento con l'alimentatore.

Cosa succede esattamente al suo interno che ne fa smettere di funzionare?

Un eccesso di corrente, le giunzioni possono resistere alla corrente solo in una direzione, quando si inverte la polarità diventano cortocircuiti. Viene generato calore, bruciature delle giunzioni e altri elementi surriscaldati.

Se fossi magicamente in grado di aprire un chip e riorganizzare tutte le sue connessioni a semiconduttore e ripararlo ...

Non è possibile risolverlo (in pratica) perché molte giunzioni sono ora rotte / evaporate, così come il loro ambiente immediato.

La protezione contro l'inversione di polarità è abbastanza semplice (un diodo), tuttavia genera una caduta di tensione e calore aggiuntivo, il produttore non lo incorpora nel chip, l'utente IC può aggiungere un diodo esterno se necessario.

Una risposta tardiva, sono arrivato qui tramite un'altra domanda, ma ho notato che in realtà nessuna di queste risposte affronta il vero motivo per cui quasi tutti i circuiti integrati / chip possono essere fritti applicando una tensione di alimentazione inversa.

Il vero motivo è che tutti i chip devono avere una protezione ESD su tutti i pin che non forniscono pin con un circuito come questo:

Quindi quasi ogni pin ha questo! Ci sono molti diodi in parallelo. Puoi facilmente distruggere tutti questi diodi invertendo l'offerta. E questo effettivamente distrugge il tuo chip.

Il latch-up come menzionato sopra è un effetto che si verifica quando l'alimentazione ha la polarità corretta ma una corrente viene affondata o proveniente da un ingresso o un'uscita causando un malfunzionamento come spiegato sopra. Non ha nulla a che fare con l'inversione dell'offerta! Se pensi che io stia parlando senza senso, per favore cerca come viene eseguito un test Latch-up. Esistono strumenti di misurazione specializzati per eseguire tale test.

Si prega di leggere questo eccellente articolo che spiega il latchup e notare che la fornitura è "normale", quindi non invertita! In caso di dubbi, leggere EIA / JEDEC STANDARD IC Latch-Up Test EIA / JESD78.

Dato che le strutture a semiconduttore sono molto piccole, è davvero un compito abbastanza facile bruciarle.

1. Distanza di sicurezza: se si applica un campo elettrico sufficientemente grande tra due conduttori, si verificherà un guasto. Questo, essendo su un chip, causa un malfunzionamento del terminale. Ciò si verifica principalmente sul gate di una struttura FET.
2. I semiconduttori in linea di principio sono dispositivi non lineari sensibili alla polarità. Questo a sua volta rende l'intero dispositivo molto non lineare e sensibile alla polarità.
3. Milioni di altri motivi a cui non riesco a pensare in questo momento ...