¿Qué es exactamente lo que fríe el chip cuando inviertes la fuente de alimentación?

La mayoría de los circuitos IC comerciales están aislados del material del sustrato mediante una unión PN con polarización inversa (incluidas las partes CMOS). El sustrato generalmente está vinculado al voltaje que se espera que sea más negativo.

Si no es así, entonces esa unión se polariza hacia adelante y puede conducir una gran cantidad de corriente, derritiendo metal o calentando la unión hasta el punto en que ya no actúa como un diodo. Eso es típicamente a un voltaje de alrededor de 0,6 V, pero los fabricantes de circuitos integrados suelen ir a lo seguro diciéndole que no baje de -0,3 V.

(refiriéndose al siguiente diagrama, pero no se muestra, el sustrato estaría atado al pin 5)

La mayoría de las partes CMOS tienen otro giro que si parte del chip tiene un Vdd normal y otra parte ve una gran corriente negativa, activará un gran SCR parásito que es un efecto secundario de la estructura, entonces la fuente de alimentación del dispositivo consume una gran corriente que provoca sobrecalentamiento, fusión, etc. si la corriente no está limitada externamente. Eso se llama enganche.

¿Qué libera el humo azul mágico cuando excede los voltajes de trabajo o invierte el voltaje de suministro?

Aplicado a cualquier 'chip'

Corriente excesiva que produce una disipación de energía excesiva ($I^2 R$) y/o exceso de voltaje que provoca la ruptura del aislamiento debido a la alta intensidad de campo interno junto con la falta de conducción térmica de los dispositivos dentro del chip.

Considere la naturaleza no lineal, asimétrica (sensible a la polaridad), físicamente pequeña de los dispositivos internos y sus pequeñas rutas de conducción de calor. Combine esto con la destrucción por bajo voltaje de capas aislantes muy finas (campo alto V/m) que producen vías de conducción bidireccionales de baja resistencia.

La temperatura interna del dispositivo individual aumenta muy rápidamente y destruye sus propiedades semiconductoras/aislantes. Una vez destruido, esto produce otras vías de baja resistencia que provocan múltiples fallas en cascada en otros dispositivos del chip.

Todo esto sucede muy rápidamente y es en gran medida un evento de un solo sentido . ( Piense en Humpty Dumpty: volver a juntar todas las piezas no lo llevará de vuelta al punto de partida: Humpty ha abandonado el edificio)

¿Cómo podrías repararlo?

Básicamente no puedes hacer que la magia no exista. Habría tantas fallas interactuando en el circuito que sería casi imposible localizar cualquier falla. (Recuerde que incluso en un IC 'simple' está tratando con cientos de miles de dispositivos). Todos los dispositivos defectuosos deberían identificarse y reemplazarse al mismo tiempo (suponiendo que tuviera la capacidad de reconstruir todos los dispositivos defectuosos a nivel atómico) - Pierdes solo uno y tienes que empezar de nuevo cuando enciendes.

Solución simple (y más rentable en tiempo y dinero) deseche el error muerto, aprenda de la experiencia, reemplácelo con un nuevo chip de especificaciones completas y la próxima vez tenga más cuidado con la fuente de alimentación.

¿Qué sucede exactamente internamente que hace que deje de funcionar?

Un exceso de corriente, las uniones pueden resistir corriente solo en una dirección, cuando se invierte la polaridad se convierten en cortocircuitos. Se genera calor, se queman las uniones y otros elementos sobrecalentados.

Si por arte de magia pudiera abrir un chip y reorganizar todas sus conexiones de semiconductores y arreglarlo...

No puede arreglarlo (en la práctica) porque muchas uniones ahora están rotas/evaporadas, así como su entorno inmediato.

La protección contra la inversión de polaridad es bastante fácil (un diodo); sin embargo, genera una caída de voltaje y calor adicional, el fabricante no lo integra en el chip, el usuario del IC puede agregar un diodo externo si es necesario.

Una respuesta tardía, llegué aquí a través de otra pregunta, pero noté que en realidad ninguna de estas respuestas aborda la verdadera razón por la cual casi cualquier IC / Chip se puede freír aplicando un voltaje de suministro inverso.

La verdadera razón es que todos los chips deben tener protección ESD en todos los pines que no son pines de suministro con un circuito como este:

¡Así que casi todos los pines tienen esto! Son muchos diodos en paralelo. Puede destruir fácilmente todos estos diodos invirtiendo el suministro. Y eso en realidad destruye tu chip.

El bloqueo, como se mencionó anteriormente, es un efecto que ocurre cuando el suministro tiene la polaridad correcta, pero una corriente se hunde o genera una entrada o salida que causa un mal funcionamiento como se explicó anteriormente. ¡No tiene nada que ver con invertir el suministro! Si cree que estoy diciendo tonterías, busque cómo se realiza una prueba de Latch-up. Existe un equipo de medición especializado para realizar dicha prueba.

Lea este excelente artículo que explica el enganche y tenga en cuenta que el suministro es "normal", por lo que no se invierte. Si aún tiene dudas, lea la Prueba de enclavamiento de CI ESTÁNDAR EIA/JEDEC EIA/JESD78.

Como las estructuras de semiconductores son muy pequeñas, es una tarea bastante fácil quemarlas.

1. Distancia de separación: si aplica un campo eléctrico lo suficientemente grande entre dos conductores, habrá una ruptura. Este, al estar en un chip, provoca un mal funcionamiento del terminal. Esto ocurre principalmente en la puerta de una estructura FET.
2. En principio, los semiconductores son dispositivos no lineales sensibles a la polaridad. Esto, a su vez, hace que todo el dispositivo sea muy no lineal y sensible a la polaridad.
3. Millones de otras razones que no puedo pensar en este momento...