Temperatura máxima de funcionamiento de IC

Todas las características de los semiconductores se ven afectadas por las estadísticas de Boltzman que relacionan las densidades de los portadores de carga con respecto a la temperatura. Cuanto más caliente es, más portadores intrínsecos están presentes, en algún momento la concentración de portadores intrínsecos es tan alta que cualquier dopaje (tipo n frente a tipo p) se elimina. Eso es a altas temperaturas.

Un conductor tiene la característica de que a medida que lo calientas, los portadores son más móviles y chocan más y sube la resistencia. Un Semi-conductor tiene la característica de que a medida que lo calientas, más portadores están presentes y la resistencia disminuye.

Así que es natural ver que hay límites. Por qué particularmente esas temperaturas, no lo sé, estoy seguro de que a alguien se le ocurrirá la respuesta histórica. Sin embargo, es muy claro que se debe seleccionar cierta temperatura, porque si diseña para un rango de temperatura muy amplio, se comprometerá alguna otra métrica de rendimiento, como la velocidad o los márgenes.

Los diseños se especifican sobre lo que se denominan esquinas PVT, como en los casos de esquina de Proceso, Temperatura y Voltaje.

El rango de temperatura militar para el funcionamiento de los circuitos integrados de silicio (IC o chips) es de -55 °C a +125 °C, lo que garantiza el funcionamiento en prácticamente cualquier situación de campo, con mucho margen (125 °C es un 25 % más caliente que el punto de ebullición del agua). ).

Otros rangos estándar para IC son -40C a +125C para Automoción, -40C a +85C para Industrial y 0C a +70C para Comercial (por ejemplo, chips en televisores). Existen variaciones en estos estándares, por ejemplo, algunos dispositivos automotrices pueden extenderse a +130C o más, y los chips de CPU de alto rendimiento en computadoras domésticas pueden estar limitados a +55C.

El empaque de un chip se elige de acuerdo con el rango de temperatura nominal del chip y generalmente es de plástico para dispositivos de temperatura más baja y de cerámica para temperatura más alta. Los paquetes cerámicos también tienen un sellado superior y pueden tener la posibilidad de acoplarse con un disipador de calor externo para enfriar el paquete.

El silicio del que están hechos los circuitos integrados tiene un límite más allá del cual el calor generado por los circuitos del chip no puede fluir a través del silicio y salir del chip lo suficientemente rápido como para evitar daños permanentes, independientemente de los métodos externos de disipación de calor (disipadores de calor). Cuanto más rápida es la señal de reloj de un chip digital como una CPU, más calor genera porque la señal de reloj pasa más tiempo en la región de transición entre los estados lógicos alto y bajo. Las transiciones de reloj son la única vez que un circuito digital típico genera un calor significativo, por lo que se genera más calor a medida que aumenta la velocidad del reloj. Un límite superior típico para la velocidad del reloj en los circuitos integrados de silicio es de alrededor de 4 GHz (4000 MHz), pero algunos dispositivos especializados pueden funcionar mucho más rápido.