Temperatura operacional máxima dos ICs

Por que tantos CIs têm uma faixa de temperatura máxima de 125C? É devido às tolerâncias do material de embalagem, ou seja, os compartimentos de plástico preto e / ou o epóxi de ligação que prende a matriz à embalagem e / ou algo mais?

Todas as características do semicondutor são afetadas pelas estatísticas de Boltzman relacionadas à densidade do portador de carga em relação à temperatura. Quanto mais quente estiver, mais portadores intrínsecos estarão presentes, em algum momento a concentração intrínseca de portadores fica tão alta que qualquer doping (tipo n vs. tipo p) é eliminado. Isso é a altas temperaturas.

Um condutor tem a característica de que, à medida que você o aquece, as transportadoras ficam mais móveis e colidem mais e a resistência aumenta. Um semicondutor tem a característica de que, à medida que você aquece, mais portadores estão presentes e a resistência diminui.

Portanto, é natural ver que existem limites. Por que particularmente essas temperaturas, eu não sei, tenho certeza de que alguém encontrará a resposta histórica. No entanto, é muito celar que alguma temperatura precise ser selecionada, porque se você projetar para uma faixa de temperatura muito ampla, outras métricas de desempenho serão comprometidas, como velocidade ou margens.

Os projetos são especificados sobre os chamados cantos de PVT, como nos cantos de Processo, Temperatura e Tensão.

A faixa de temperatura militar para operação de circuitos integrados de silício (ICs ou chips) é de -55C a + 125C, o que visa garantir a operação em praticamente qualquer situação de campo, com bastante margem (125C é 25% mais quente que o ponto de ebulição da água) )

Outras faixas padrão para ICs são -40C a + 125C para Automotivo, -40C a + 85C para Industrial e 0C a + 70C para Comercial (por exemplo, chips em aparelhos de TV). Existem variações nesses padrões, por exemplo, alguns dispositivos automotivos podem se estender a + 130 ° C ou superior e os chips de CPU de alto desempenho em computadores domésticos podem ser limitados a + 55 ° C.

A embalagem de um chip é escolhida de acordo com a faixa de temperatura nominal do chip e geralmente é de plástico para dispositivos de temperatura mais baixa e cerâmica para temperatura mais alta. As embalagens de cerâmica também possuem vedação superior e podem prever acasalamentos com um dissipador de calor externo para resfriar a embalagem.

O silício a partir do qual os CIs são feitos tem um limite além do qual o calor gerado pelos circuitos do chip não pode fluir através do silício e sair do chip com rapidez suficiente para evitar danos permanentes, independentemente dos métodos externos de dissipação de calor (dissipadores de calor). Quanto mais rápido o sinal de clock para um chip digital como uma CPU, mais calor ele gera porque o sinal de clock passa mais tempo na região de transição entre os estados lógicos alto e baixo. As transições de relógio são a única vez em que um circuito digital típico gera calor significativo; portanto, mais calor é gerado à medida que a velocidade do relógio é aumentada. Um limite superior típico para a velocidade do clock em CIs de silício é de cerca de 4 GHz (4.000 MHz), mas alguns dispositivos especializados podem ter clock muito mais rápido.