Максимальная рабочая температура микросхем

Почему так много микросхем имеют максимальный диапазон температур 125C? Это из-за допусков упаковочного материала, то есть из черного пластикового корпуса и / или эпоксидной смолы, которая удерживает матрицу на упаковке и / или что-то еще?

На все полупроводниковые характеристики влияет статистика Больцмана, относящаяся к плотности носителей заряда по температуре. Чем горячее, тем больше внутренних носителей присутствует, в какой-то момент концентрация внутренних носителей становится настолько высокой, что любое легирование (n-тип против p-типа) стирается. Это при высоких температурах.

Проводник имеет характеристику, заключающуюся в том, что при нагревании носители становятся все более мобильными и сталкиваются с ними, а сопротивление возрастает. Полупроводник имеет такую ​​характеристику, что когда вы его нагреваете, появляется больше носителей, и сопротивление падает.

Поэтому естественно видеть, что есть ограничения. Почему именно эти температуры, я не знаю, я уверен, что кто-то придет с историческим ответом. Тем не менее, очень важно, чтобы была выбрана некоторая температура, потому что, если вы проектируете для очень широкого температурного диапазона, то будут скомпрометированы некоторые другие показатели производительности, такие как скорость или поля.

Проекты определяются над так называемыми углами PVT, как в случаях углов процесса, температуры и напряжения.

Военный температурный диапазон для работы кремниевых интегральных микросхем (микросхем или микросхем) составляет от -55 ° С до + 125 ° С, что предназначено для обеспечения работы практически в любых полевых условиях с достаточным запасом (125 ° С на 25% выше температуры кипения воды). ).

Другие стандартные диапазоны для интегральных схем: от -40C до + 125C для автомобильной промышленности, от -40C до + 85C для промышленной и от 0C до + 70C для коммерческой (например, чипы в телевизорах). Существуют различия в этих стандартах, например, некоторые автомобильные устройства могут расширяться до + 130 ° C или выше, а высокопроизводительные процессорные чипы в домашних компьютерах могут быть ограничены до + 55 ° C.

Упаковка микросхемы выбирается в соответствии с номинальным температурным диапазоном микросхемы и обычно бывает либо пластиковой для устройств с более низкой температурой, либо керамической для более высокой температуры. Керамические упаковки также имеют превосходное уплотнение и могут предусматривать сопряжение с внешним радиатором для охлаждения упаковки.

Кремний, из которого изготовлены микросхемы, имеет предел, выше которого тепло, генерируемое схемой микросхемы, не может проходить через кремний и из микросхемы достаточно быстро, чтобы предотвратить постоянное повреждение, независимо от внешних методов рассеивания тепла (радиаторов). Чем быстрее тактовый сигнал для цифрового чипа, такого как ЦП, тем больше тепла он генерирует, потому что тактовый сигнал проводит больше времени в области перехода между логическим состоянием высокого и низкого уровня. Переходы часов - это единственный раз, когда типичная цифровая схема генерирует значительное тепло, поэтому при увеличении тактовой частоты генерируется больше тепла. Типичный верхний предел тактовой частоты в кремниевых микросхемах составляет около 4 ГГц (4000 МГц), но некоторые специализированные устройства могут работать гораздо быстрее.