Maximale Betriebstemperatur von ICs

Alle Halbleitereigenschaften werden durch die Boltzman-Statistik beeinflusst, die sich auf Ladungsträgerdichten in Bezug auf die Temperatur bezieht. Je heißer es ist, desto mehr intrinsische Träger sind vorhanden, irgendwann wird die intrinsische Trägerkonzentration so hoch, dass jegliche Dotierung (n-Typ vs. p-Typ) ausgelöscht wird. Das ist bei hohen Temperaturen.

Ein Leiter hat die Eigenschaft, dass beim Erhitzen die Ladungsträger beweglicher werden und mehr kollidieren und der Widerstand steigt. Ein Halbleiter hat die Eigenschaft, dass beim Erhitzen mehr Ladungsträger vorhanden sind und der Widerstand sinkt.

Es ist also ganz natürlich zu sehen, dass es Grenzen gibt. Warum gerade diese Temperaturen, weiß ich nicht, ich bin sicher, irgendjemand wird die historische Antwort finden. Es ist jedoch sehr sicher, dass eine bestimmte Temperatur ausgewählt werden muss, denn wenn Sie für einen sehr breiten Temperaturbereich entwerfen, werden einige andere Leistungsmetriken wie Geschwindigkeit oder Margen beeinträchtigt.

Designs werden über sogenannte PVT-Ecken spezifiziert, wie in Prozess-, Temperatur- und Spannungs-Eckfällen.

Der militärische Temperaturbereich für den Betrieb von integrierten Siliziumschaltkreisen (ICs oder Chips) beträgt -55 °C bis +125 °C, was den Betrieb in praktisch jeder Feldsituation mit viel Spielraum gewährleisten soll (125 °C ist 25 % heißer als der Siedepunkt von Wasser). ).

Andere Standardbereiche für ICs sind -40 °C bis +125 °C für die Automobilindustrie, -40 °C bis +85 °C für die Industrie und 0 °C bis +70 °C für den gewerblichen Bereich (z. B. Chips in Fernsehgeräten). Es gibt Abweichungen bei diesen Standards, z. B. können einige Fahrzeuggeräte bis +130 °C oder höher reichen, und Hochleistungs-CPU-Chips in Heimcomputern können auf +55 °C beschränkt sein.

Die Verpackung eines Chips wird gemäß dem Nenntemperaturbereich des Chips gewählt und besteht im Allgemeinen entweder aus Kunststoff für Geräte mit niedrigerer Temperatur und aus Keramik für höhere Temperaturen. Keramische Gehäuse haben auch eine hervorragende Abdichtung und können Vorkehrungen zum Zusammenpassen mit einem externen Kühlkörper zum Kühlen des Gehäuses haben.

Das Silizium, aus dem ICs hergestellt werden, hat eine Grenze, ab der die von der Chipschaltung erzeugte Wärme nicht schnell genug durch das Silizium und aus dem Chip fließen kann, um dauerhafte Schäden zu verhindern, unabhängig von externen Wärmeableitungsmethoden (Kühlkörper). Je schneller das Taktsignal für einen digitalen Chip wie eine CPU ist, desto mehr Wärme wird erzeugt, da das Taktsignal mehr Zeit im Übergangsbereich zwischen hohen und niedrigen logischen Zuständen verbringt. Taktübergänge sind die einzige Zeit, in der eine typische digitale Schaltung erhebliche Wärme erzeugt, so dass mehr Wärme erzeugt wird, wenn die Taktgeschwindigkeit erhöht wird. Eine typische Obergrenze für die Taktgeschwindigkeit in Silizium-ICs liegt bei etwa 4 GHz (4.000 MHz), aber einige spezialisierte Geräte können viel schneller getaktet werden.