Как только микросхема перегревается, она может начать работать со сбоями - например, многие программы могут начать выходить из строя при перегреве некоторых или всех частей компьютера.
Что именно происходит, что делает чипы неисправными при перегреве?
Ответы:
Расширить другие ответы.
Есть больше причин, но они делают несколько важных.
Основная проблема, связанная с работой микросхемы при высоких температурах, заключается в значительном увеличении тока утечки отдельных транзисторов. Ток утечки может увеличиваться до такой степени, что это влияет на уровни напряжения переключения устройств, так что сигналы не могут правильно распространяться в микросхеме и перестают функционировать. Обычно они выздоравливают, когда им дают остыть, но это не всегда так.
В производственных процессах для высокотемпературной работы (до 300 ° C) используется технология CMOS с кремнием на изоляторе из-за малой утечки в очень широком температурном диапазоне.
Только одно дополнение к некоторым отличным ответам: Технически это не легирующие вещества, которые становятся более мобильными, это увеличение внутренней концентрации носителей. Если что-то допанты / носители становятся менее мобильными, так как кристаллическая решетка кремния начинает «вибрировать» из-за увеличения тепловой энергии, затрудняющей прохождение электронов и дырок через устройство - оптическое рассеяние фононов, я полагаю, физики называют это, но я могу быть неправым.
Когда внутренняя концентрация носителей возрастает выше уровня легирования, вы теряете электрический контроль над устройством. Собственные носители - это те, которые существуют до того, как мы легируем кремний, идея полупроводников состоит в том, что мы добавляем наши собственные носители для генерации pn-переходов и других интересных вещей, которые делают транзисторы. Кремний вырабатывает около 150 градусов Цельсия, так что радиатор и высокоскоростные процессоры, работающие на тепло, очень важны, так как 150 градусов Цельсия не так сложно достичь на практике. Существует прямая связь между собственной концентрацией носителей и током утечки устройства.
Как показали другие главы, это лишь одна из причин, по которой чипы выходят из строя - это может даже привести к чему-то такому простому, как проволочная сетка, слишком горячая и отрывающаяся от ее площадки, есть огромный список вещей.
Хотя токи утечки увеличиваются, я ожидаю, что большая проблема для многих устройств на базе MOS состоит в том, что величина тока, проходящего через MOS-транзистор в состоянии «включено», будет уменьшаться по мере нагрева устройства. Для правильной работы устройства транзистор, который переключает узел, должен иметь возможность заряжать или разряжать любую скрытую емкость в этой части схемы, прежде чем что-либо еще будет зависеть от того, что этот узел был переключен. Снижение пропускной способности транзисторов снизит скорость, с которой они могут заряжать или разряжать узлы. Если транзистор не может заряжать или разряжать узел в достаточной степени, прежде чем другая часть схемы будет полагаться на то, что этот узел был переключен, схема будет работать со сбоями.
Обратите внимание, что для NMOS-устройств был задан компромисс при расчете размеров пассивных транзисторов с подтягиванием; чем больше пассивное подтягивание, тем быстрее узел может переключаться с низкого уровня на высокий, но тем больше энергии будет тратиться впустую, когда узел находится на низком уровне. Поэтому многие такие устройства работали несколько ближе к границе правильной работы, и неисправности, вызванные теплом, были (и для винтажной электроники остаются) довольно распространенными. Для обычной электроники CMOS такие проблемы, как правило, менее серьезны; На практике я понятия не имею, в какой степени они играют роль в таких процессорах, как multi-GHZ.
В дополнение к существующим ответам, сегодняшние схемы чувствительны к следующим двум эффектам старения (не только этим, но и основными в процессах <150 нм):
Поскольку температура увеличивает подвижность носителей, она увеличивает эффекты HCI и NBTI, но температура не является основной причиной для NBTI и HCI:
Эти два эффекта старения кремния приводят как к обратимым, так и к необратимым повреждениям транзисторов (влияя / разрушая подложки изолятора), которые увеличивают порог напряжения транзистора (Vt). В результате деталь будет нуждаться в более высоком напряжении для поддержания того же уровня производительности, что подразумевает повышение рабочей температуры и, как сказано в других сообщениях, последующая повышенная утечка на затворе транзистора.
Подводя итог, можно сказать, что температура на самом деле не будет ускорять процесс старения детали, а повышение частоты и напряжения (т.е. разгон) приведет к старению детали. Но старение транзисторов потребует более высокого рабочего напряжения, которое заставит деталь нагреваться больше.
Corolary: следствием разгона является повышение температуры и необходимого напряжения.
Основная причина, по которой микросхемы выходят из строя необратимо, заключается в том, что металлический алюминий внутри них, который используется для создания межсоединений между различными элементами, плавит и открывает или замыкает устройства.
Да, токи утечки будут увеличиваться, но обычно проблема заключается не в самом токе утечки, а в нагреве, которое это вызывает, и последующем повреждении металла внутри ИС.
Цепи питания (например, источники питания, драйверы с высоким током и т. Д.) Могут быть повреждены, потому что при высоких напряжениях, когда драйверы транзисторов быстро отключаются, генерируются внутренние токи, которые вызывают защелкивание устройства, или неравномерное распределение энергии внутри него, которое вызывает локальное нагрев и последующее разрушение металла.
Большое (1000 с) число повторяющихся тепловых циклов может привести к отказу из-за несоответствия между механическим расширением ИС и упаковки, что в конечном итоге приведет к разрыву соединительных проводов или разделению материала пластиковой упаковки и последующему механическому повреждению.
Конечно, большое количество параметрических характеристик микросхем задано только в заданном температурном диапазоне, и они могут не соответствовать спецификации за пределами этого. В зависимости от конструкции это может вызвать сбой или недопустимый параметрический сдвиг (в то время как ИС находится за пределами температурного диапазона) - это может происходить при экстремально высоких или низких температурах.