Temperatura máxima de funcionamiento de los IC

¿Por qué tantos IC tienen un rango de temperatura máxima de 125C? ¿Se debe a las tolerancias del material de embalaje, es decir, a los envoltorios de plástico negro y / o al epóxico adhesivo que sujeta la matriz al paquete y / o algo más?

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

Un conductor tiene la característica de que a medida que lo calienta, los soportes son más móviles y chocan más y aumenta la resistencia. Un semiconductor tiene la característica de que a medida que lo calienta, hay más portadores y la resistencia disminuye.

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

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

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

Otros rangos estándar para circuitos integrados 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 las computadoras domésticas pueden limitarse a + 55C.

El embalaje de un chip se elige de acuerdo con el rango de temperatura nominal del chip y generalmente es de plástico para dispositivos de baja temperatura y de cerámica para temperaturas más altas. Los paquetes de cerámica también tienen un sellado superior y pueden prever el apareamiento 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 de disipación de calor externos (disipadores de calor). Cuanto más rápida es la señal de reloj para 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 calor significativo, por lo que se genera más calor a medida que aumenta la velocidad del reloj. Un límite superior típico para la velocidad de reloj en circuitos integrados de silicio es de alrededor de 4 GHz (4,000 MHz), pero algunos dispositivos especializados pueden sincronizarse mucho más rápido.