Vad är det som begränsar arbetstemperaturen för IC chips?

Elektronikrelaterade (på komponentnivå) frågor och funderingar.
blueint
Inlägg: 23238
Blev medlem: 4 juli 2006, 19:26:11
Kontakt:

Vad är det som begränsar arbetstemperaturen för IC chips?

Inlägg av blueint »

Vad är det som begränsar temperaturtåligheten i chips?, är det värmeledningen från silikonlagret eller är det N/P dopningarna och dess kopparanslutningar osv?
Såg ett program där man visade att diamantskivor leder värme 5 ggr bättre än ren koppar. Vilket borde innebära att man kan öka hastigheten med mer värme som följd. Förutsatt att resten inte degraderas.. ;)

Stora skivor kan visst odlas genom hög värme och metangas + vätgas som värms med microvågor i vakuum.

Det är visst användbart för att kunna skära material som är hårdare än naturliga diamanter klarar. Man kan konstruera mycket tåligt glas som släpper igenom IR till UV utan distortion. Kanske något för kameror och djuphavsubåtar eller heatpipes.
Användarvisningsbild
jesse
Inlägg: 9241
Blev medlem: 10 september 2007, 12:03:55
Ort: Alingsås

Re: Vad är det som begränsar arbetstemperaturen för IC chips

Inlägg av jesse »

Alltså, själva chippet med bondningar etc. tål nog en viss maxtemperatur beroende på tillverkningstekniken. Men om man uppnår denna maxtemperatur eller inte vid en viss effekt beror ju på hur bra värmen kan avledas. Så på så vis har ju värmeavledningen en väldigt stor betydelse.
blueint
Inlägg: 23238
Blev medlem: 4 juli 2006, 19:26:11
Kontakt:

Re: Vad är det som begränsar arbetstemperaturen för IC chips

Inlägg av blueint »

Att byta bondningsteknik låter sig nog göras. Materialtekniken som används på substratet är nog värre..

Karbidtransistorer klarar 354 °C i laboratorietester. Vanliga kiselvarianter har oftast problem över 125-150 °C. Upp till 496 °C ska kunna uppnås med vidare utveckling.

Så det borde ge en hint om vad man kan åstadkomma.

En idé är förstärkare som kan jobba med mycket svagare signaler pga lägre temperatur baserat på kraftigare kylning.
Användarvisningsbild
erdes
Inlägg: 77
Blev medlem: 18 juli 2010, 19:30:27
Ort: Stockholm
Kontakt:

Re: Vad är det som begränsar arbetstemperaturen för IC chips

Inlägg av erdes »

Det enkla svaret är att halvledare slutar vara halvledare om man värmer dem tillräckligt. För ett isolerande material sitter elektronerna väldigt hårt fast vid sina atomer, och de kan därför leda någon ström genom materialet. En ledare, t.ex metaller, har istället lösa elektroner som kan hoppa mellan atomerna utan problem och de kan därför leda ström mycket bra (även om bara några av de yttersta elektronerna är lösa, men men). Halvledare är just som namnet antyder de där ämnena som hamnar mitt emellan, elektronerna sitter typ fast men inte så hårt. En ren halvledare leder inte ström alls, men om man tillsätter lite andra atomer (P- och N-dopning) så kan man trixa med ledningsförmågan och få de egenskaper man vill ha, just för att elektronerna sitter ganska löst. Om man däremot värmer en halvledare så kommer elektronerna lossna mer och mer och tillslut börjar den bli en ledare. En isolator, t.ex plast, behöver man värma betydligt mer om man vill få samma effekt, typ tusentals grader, och det tål inte så många material.

Ett annat problem är att dopningsämnena som man tillsätter för att få P- och N-dopade områden kan migrera vid högre temperaturer. Det är en anledning till att t.ex processorer kan gå sönder efter några år om man kör dem hårt. Om man har en PN-övergång (en diod) och P- och N-områderna börjar vandra ihop så kommer den att bli mindre och mindre diodlik med tiden, ju högre temperatur desto snabbare sker det.

Kiselkarbid klarar dock lite högre temperaturer idag :)
http://www.grc.nasa.gov/WWW/SiC/
limpan4all
Inlägg: 8503
Blev medlem: 15 april 2006, 18:57:29
Ort: Typ Nyköping

Re: Vad är det som begränsar arbetstemperaturen för IC chips

Inlägg av limpan4all »

Bra förklaring, har funderat lite över detta då och då.
Användarvisningsbild
erdes
Inlägg: 77
Blev medlem: 18 juli 2010, 19:30:27
Ort: Stockholm
Kontakt:

Re: Vad är det som begränsar arbetstemperaturen för IC chips

Inlägg av erdes »

Tack :)

Jo det är ju lite bakvänt att halvledare börjar leda bättre vid högre temperaturer. Metaller och andra ledare beter sig ju tvärt om, fast det beror också på att elektronerna börjar röra sig mer och mer slumpmässigt vid högre temperaturer. Sitter elektronerna redan löst som i en metall gör ju högre temperaturer bara att det krävs mer energi att få elektronerna att röra sig ordnat igenom metaller och det ger högre resistans.
Nerre
Inlägg: 27403
Blev medlem: 19 maj 2008, 07:51:04
Ort: Upplands väsby

Re: Vad är det som begränsar arbetstemperaturen för IC chips

Inlägg av Nerre »

Nja, det finns väl rätt många material som har negativ temperaturkoefficient?
YngLi
Inlägg: 385
Blev medlem: 27 november 2010, 20:53:23

Re: Vad är det som begränsar arbetstemperaturen för IC chips

Inlägg av YngLi »

Jag använde en Schottkydiod (BAT81) som temperaturstabil spänningsreferens till en "grej",
om man driver en relativt konstant ström mellan 3 till 4 mA genom den så kommer framspänningsfallet att bli ganska oberoende av temperaturen (ca 0,55V vid en ström på 3,5mA), man får tänka på att referensens (Schottkydiodens) seriemotstånd inte får vara för stort [Ändring, för litet].
Se databladet sidan 4 figur2 http://www.datasheetcatalog.org/datashe ... 2_83_2.pdf

Jag tycker det är en intressant och användbar egenskap hos vissa Schottkydioder.

Ändring, Tillägg, Skulle vara intressant att veta varför en del Schottkydioder beter sig som i databladet ovan, har inte hittat någonting om det när jag har sökt på nätet
Användarvisningsbild
erdes
Inlägg: 77
Blev medlem: 18 juli 2010, 19:30:27
Ort: Stockholm
Kontakt:

Re: Vad är det som begränsar arbetstemperaturen för IC chips

Inlägg av erdes »

Jodå det finns riktigt många material med negativ temperaturkoefficient, men det finns också väldigt många halvledarmaterial. Jag kan ju förtydliga att halvledare är perfekta isolatorer endast vid 0 Kelvin, alltså absoluta nollpunkten, sen beror det på vilken halvledare man pratar om hur bra den leder vid rumstemperatur, vissa som t.ex. kisel leder ganska dåligt och andra som indiumoxid leder ganska bra. NTC-motstånd är t.ex oftast uppbyggda av flera olika halvledande metalloxider som man kombinerar för att få rätt lutning på kurvan och så.

Schottkydioder har inte en PN-övergång som vanliga dioder utan en övergång mellan en halvledare (P- eller N-dopad) och en metall. Det finns en del vetenskapliga artiklar om schottky-barriärer och dess icke-linjära temperaturberoende, men det verkar vara ganska många frågetecken framförallt exakt hur övergången ser på nm-skala. Läste igenom ett par och de är ganska krångligt med alla faktorer som påverkar förutom temperatur, och matten är lite väl krånglig :)

Fast det var ju en cool effekt att det finns en ström där temperaturberoendet typ försvinner, riktigt praktiskt ändå.
Skriv svar