Hallo Halbleiterbauteile haben alle eine relativ niedrige maximale Betriebstemperatur welche meist irgendwo beim 125°C bis 175°C liegt. Darüber gibt es irreparable Defekte - die Frage ist warum und wie - am Schmelzpunkt der Materialien (Silizium...) kann es eindeutig nicht liegen die Ursache liegt woanders - aber wo? Und warum ist die maximal zulässige Temperatur letztendlich doch deutlich Unterschiedlich obwohl es sich fast immer um Silizium handelt. Über sinnvolle Erklärungen, gute(!) Suchbegriffe oder gute Literaturhinweise würde ich mich freuen. Schön wären deutschsprachige Texte aber Englisch ist da wohl leider die "Standardsprache" ? :-( Wer keine Lust zu Antworten hat, nur herumnörgeln will, seine "Genialität" heraus hängen lassen will, Beleidigungen verteilen möchte oder "witzig" sein möchte darf gerne schweigen... Hibbert
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Lesestoff: Dotierung Fremdatome werden in Silizium eingebracht um die Eigenschaften zu ändern. Dabei senkt sich auch der Schmelzpunkt massiv. Hibbert schrieb: > Und warum ist die maximal zulässige Temperatur letztendlich doch > deutlich Unterschiedlich obwohl es sich fast immer um Silizium handelt. Es ist eben kein reines Silizium mehr. Je nach eingebrachten Atomen, ändert sich der Schmelzpunkt.
Das Problem ist die "Gitterheilung", die schon bei relativ niedriger Temperatur einsetzt (vgl. "Anlassen" von Stahl). Die Gitterfehler, die hierbei ausheilen sind die Dotieratome, die an die Oerfläche wandern. Wenn der Chip seine max. Temperatur erreicht, gibt es bei komplexeren Strukturen schon Bereiche (s. Hotspots) die genügend heiß sind, so dass der Effekt eintritt.
Antwort: Massenwirkungsgesetz (nachschlagen) Die Eigenleitung in undotierten Halbleitern, also die thermische intrinsische Ladungsträgerdichte, ist temperaturabhängig. Wird der pn-Übergang zu heiß, überschreitet die intrinsische Ladungsträgerdichte die Dotierung und der Halbleiter ist nicht mehr funktionsfähig. Des weiteren entstehen bei zu großer Temperatur extrem heiße Fehlstellen im Kristallgitter (Neudeutsch "hotspots"), die zur Zerstörung des Halbleiters führen. Man spricht vom thermischen Durchbruch. Wir reden hier bei einigen Baulementen von Temperaturen im Bereich Sonnenoberfläche und höher. Bücher von DEM Experten im deutschsprachigen Raum: https://www.amazon.de/Halbleiter-Leistungsbauelemente-Eigenschaften-Zuverl%C3%A4ssigkeit-Josef-Lutz/dp/3642297951/ref=asap_bc?ie=UTF8 https://www.amazon.de/Semiconductor-Power-Devices-Characteristics-Reliability/dp/B01K0SLUG4/ref=asap_bc?ie=UTF8
@ K. Laus (trollen) Benutzerseite >Lesestoff: Dotierung >Fremdatome werden in Silizium eingebracht um die Eigenschaften zu >ändern. Dabei senkt sich auch der Schmelzpunkt massiv. >Hibbert schrieb: >> Und warum ist die maximal zulässige Temperatur letztendlich doch >> deutlich Unterschiedlich obwohl es sich fast immer um Silizium handelt. >Es ist eben kein reines Silizium mehr. Je nach eingebrachten Atomen, >ändert sich der Schmelzpunkt. Die Antwort, daß der Schmelzpunkt von ein paar ppm Fremdatomen so signifikant erniedrigt werden soll, daß das die typische Grenztemperatur von irgendwas um 150°C erklären würde, paßt wirklich zu jemand, der den Zusatz (trollen) im Namen hat ...
Hibbert schrieb: > Halbleiterbauteile haben alle eine relativ niedrige maximale > Betriebstemperatur welche meist irgendwo beim 125°C bis 175°C liegt. Nicht wirklich, Silizium hält ohne Probleme 300 GradC aus, aber die elektrischen Daten ändern sich und die Lebensdauer ist reduziert. https://aerospace.honeywell.com/en/products/navigation-and-sensors/high-temperature-microelectronics http://www.cissoid.com/ selbst TI hat Bauteile bis 225 GradC http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ref5025-ht.pdf http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads1278-ht.pdf Die 125 GradC stammen bloss von den Plastikverpackungen "schwarzes Epoxy" der üblichen billigen Consumerbauteile. Deutlisch schwieriger sind hochtemperaturfeste Kondensatoren (Vishay TH5 sind Tantal bis 200 GradC, VJ X8R Keramik bis 150 GradC, 123 SAL-A Elkos kurzlebig bis 200 GradC) und Batterien zu finden.
Ein Limit von 125..150°C kommt von der Epoxy-Verkapselung. Bauteile in Metall- oder Keramikgehäuse halten auch 175..225°C aus. Dabei geht es übrigens weniger um die Schmelzpunkte der Materialien als vielmehr um die thermische Ausdehnung. Unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten führen dazu, daß Bonddrähte abreißen können oder sogar daß sich der Chip vom Träger löst.
Hibbert schrieb: > Halbleiterbauteile haben alle eine relativ niedrige maximale > Betriebstemperatur welche meist irgendwo beim 125°C bis 175°C liegt. Die Halbleiter selber kommen bis 350..400°C klar. Das ist auch die Temperatur, mit der sie am Ende der Chipherstellung ausgeheizt (annealed) werden. Die Temperaturbegrenzung kommt eher durch das Package. > Darüber gibt es irreparable Defekte - die Frage ist warum und wie - am > Schmelzpunkt der Materialien (Silizium...) kann es eindeutig nicht > liegen die Ursache liegt woanders - aber wo? Durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten reisst das Gehäuse am Chip und an den Bonddrähten. Die Beschädigungen sind da eher mechanischer Natur. Unabhängig davon ist keine Schaltung so gut temperaturkompensiert, dass sie ihre Eigenschaften über einen beliebig großen Bereich konstant hält. Wenn man im Datenblatt nicht riesige Toleranzfelder anziehen will, muss man den Temperaturbereich einschränken. Oder selektieren: die guten Teile halten ihre Genauigkeit bis 150°C, die mittleren bis 105°C und der Rest nur bis 85°C.
soul e. schrieb: > Die Temperaturbegrenzung kommt eher durch das Package. Keineswegs nur dadurch. Bei höheren Temperaturen werden Diffusionsprozesse im Material beschleunigt, die zu Änderungen in den Dotierungen führen. Unipolartransistoren sind da vom Prinzip her etwas weniger anfällig als Bipolartransistoren, weshalb Power-MOSFETs oft bis 175 °C maximale Temperatur im Innern (von Sperrschichttemperatur kann man ja da eigentlich nicht reden) spezifiziert sind, bipolare dagegen häufig nur bis 125 °C. Bei den alten Germaniumtransistoren waren diese Effekte drastisch stärker ausgeprägt, weshalb diese meist nur 75 °C im Inneren vertragen haben.
Dipl.- G. schrieb: > Bücher von DEM Experten im deutschsprachigen Raum: Josef Lutz und Rik de Doncker (mein ehemaliger Prof) sind schon Gurus...
Angehängte Dateien:
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Sze.png
47 KB
Ein weiteres Problem dürfte wohl auch die Ladungsträgerkonzentration im Halbleiter sein. Bei höheren Temperaturen wird diese nicht mehr von der Dotierung bestimmt. Dadurch durfte das Verhalten des Halbleiters irgendwann wohl nur noch durch die Temperatur anstatt seiner eigentlichen Funktion bestimmt sein. Angehängt mal eine Grafik aus dem "Sze - Physics of Semiconductor Devices", welche man auch zum Teil bei Google Books lesen kann. Man sieht deutlich, das der Bereich, in dem die Dotierstoffkonzentration die Gesamtkonzentration im HL bestimmt, in genau dem Bereich liegt, indem die zulässigen Betriebstemperaturen für die meisten ICs liegt. Ansonsten gilt natürlich wie immer, dass bei höheren Temperaturen die Halbleiter schneller altern. Dies liegt, meines Wissens nach, unter anderen auch daran, dass die Dotierung schneller im Halbleiter diffundiert und somit sich die Eigenschaften von z.B. pn-Übergängen ändern, bis die Funktion nicht mehr Gewährleistet wird. Allerdings bin ich auch kein Experte auf dem Gebiet.
Jörg Wunsch schrieb: >Bei höheren Temperaturen werden Diffusionsprozesse im Material >beschleunigt, die zu Änderungen in den Dotierungen führen. >Unipolartransistoren sind da vom Prinzip her etwas weniger anfällig >als Bipolartransistoren, weshalb Power-MOSFETs oft bis 175 °C >maximale Temperatur im Innern (von Sperrschichttemperatur kann man >ja da eigentlich nicht reden) spezifiziert sind, bipolare dagegen >häufig nur bis 125 °C. Ganz so kann das auch nicht stimmen. BiPo's gibt's/gab's auch bis 200°C (lt. meiner Erinnerung ;-). Selbst HFO (sorry für den Blick in die Vergangenheit) hat die metallgekapselten Transistoren meist für 175°C spezifiziert. Die Art des Gehäuses ist schon mal ein begrenzender Faktor. Plastik kann zu Grenztemperaturen um 125°C oder so führen (zumindest bei älteren Dingern). Man könnte die sicherlich auch bei 150 oder gar 175/200°C betreiben, sollte sich aber dann nicht wundern, wenn dann anschließend auf der Leiterplatte nur noch ein dreibeiniges Gestell mit Kackhaufen darunter zu sehen ist ;-), das vielleicht sogar noch funktioniert. Der Halbleiter selbst dagegen kann auch höhere Temperaturen aushalten. Allerdings ist es dann eher eine Frage der Lebenszeit, die man von ihm erwartet, und die von der Temperatur stark abhängt - erst recht im oberen Bereich (Elektronenmigration, Diffusion, ...). Die Lebenszeitverkürzung düfte mit höherer Temperatur "zunehmend zunehmen" - also mehr als nur linear. Dazu kommt, daß der Halbleiter eine zunehmende Eigenleitung zeigt, die dann die eigentliche Funktion zunehmend in den Hintergrund drückt. Bei Ge ging das ja schon bei weit unter 100°C los - deswegen meistens 75°C, teilweise sogar darunter. Teilweise wurden aber auch bis (vielleicht sogar über) 100°C spezifiziert. Das war aber dann wirklich durch den Halbleiter begrenzt, nicht das Gehäuse. Und zu guter Letzt: ich denke, daß für 0815-Typen einfach nur bis 150°C als Default spezifiziert wird, egal, ob ein bestimmter Typ auch deutlich mehr könnte. Man müsste dann mehr garantieren, bzw. die Ausbeute wäre dann sicherlich geringer. Und auserdem - wer braucht schon Leistungshalbleiter über 150°C - die löten sich ja ohnehin dann selber aus ... ;-)
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Jens G. schrieb: > Ganz so kann das auch nicht stimmen. BiPo's gibt's/gab's auch bis 200°C Das ist ja auch eine grobe Richtung, im Einzelfall wirst du einerseits genügend FETs finden, die trotzdem nur bis 125 °C Sperrschichttemperatur garantiert werden, zum anderen eben auch die von dir genannten Bipolartransistoren mit hohen zulässigen Temperaturen. Generell sind beim MOSFET aber die Sperrschichten (und deren gegenseitige Abstände) nicht so funktionswichtig wie beim Bipolartransistor, daher wirken sich temperaturbedingte Veränderungen an diesen weniger schlimm aus. Die Polymer-Vergussmasse scheint erstaunlich temperaturstabil, die dürfte sich auch bei 200 °C noch nicht zersetzen. Keramik hält als solches zwar mehr aus, aber auch bei denen hat man das Problem, dass die thermische Ausdehnung der Keramik anders ist als die des Siliziums. Allerdings liegen im klassischen Keramikgehäuse zumindest die Bonddrähte frei und werden nicht durch die unterschiedliche Ausdehnung gefährdet, sondern man hat das Problem nur da, wo der Die auf den Träger montiert ist.
Jörg W. schrieb: > Die Polymer-Vergussmasse scheint erstaunlich temperaturstabil, > die dürfte sich auch bei 200 °C noch nicht zersetzen. Das Problem ist nicht die Zersetzung, sondern die Wärmedehnung. Das Zeug biegt das Die und rupft an den Bonddrähten. Verbogene Chips liefern Offsets in Differenzverstärkern, und abgerissene Bonddrähte führen zu intermittierenden Fehlern oder Totalausfall. Das ist auch eine der häufigsten Todesursachen bei High Power-LEDs. Ein bisschen draufdrücken, und dann geht sie wieder eine Weile.
soul e. schrieb: > Das Zeug biegt das Die und rupft an den Bonddrähten. Schon klar, daher sind ja auch Keramikgehäuse für solche Bedingungen im Vorteil.
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