Wie der Titel schon andeutet: Vor kurzem habe ich mir die Frage
gestellt, was eigentlich physikalisch beim Hitzetod von Halbleitern
passiert. Intensives Nachdenken hat mich leider nicht weiter gebracht,
Google liefert leider hauptsächlich nur Erlebniserzählungen.
Die kritische Temperatur liegt ja meines Wissens nach in der
Größenordnung 130°C. Aber wie kommt es dazu? Welche irreversiblen
Vorgänge passieren dort auf Atomebene? Wie stark ist der Effekt
Prozessabhängig? Unterscheiden sich verschiedene Halbleitermaterialien
stark? Habe ich in den Grundlagen was verpasst?
> Die kritische Temperatur liegt ja meines Wissens nach in der> Größenordnung 130°C.
Da hast du aber sehr sehr schlecht recherchiert.
Bevor dir nun andere was vorlesen, solltest du lieber doch
mal selbst nachschlagen.
Der Halbleiter wird leitend, der hohe Strom schmilzt dann
eventuell die Anschlüsse ab und er wird nichtleitend.
Fabian G. schrieb:> Physiker? :D
ETler, warum? :)
MaWin schrieb:> Bevor dir nun andere was vorlesen, solltest du lieber doch> mal selbst nachschlagen.
Gib mir ein Stichwort.
MaWin schrieb:> Der Halbleiter wird leitend, der hohe Strom schmilzt dann> eventuell die Anschlüsse ab und er wird nichtleitend.
Ich kann mir irgendwie nicht vorstellen, dass das bei einem
ausgeschalteten µC beim Löten passieren kann, oder von welchen
Anschlüssen sprichst du?
Interessierter schrieb:> was eigentlich physikalisch beim Hitzetod von Halbleitern> passiertInteressierter schrieb:> Ich kann mir irgendwie nicht vorstellen, dass das bei einem> ausgeschalteten µC beim Löten passieren kann,
Wann hast Du danach gefragt?
MarioT schrieb:> Interessierter schrieb:>> was eigentlich physikalisch beim Hitzetod von Halbleitern>> passiert>> Interessierter schrieb:>> Ich kann mir irgendwie nicht vorstellen, dass das bei einem>> ausgeschalteten µC beim Löten passieren kann,>> Wann hast Du danach gefragt?
Ich bin jetzt mal davon ausgegangen, das die Hitze durch den Strom das
gleiche Resultat hat, wie eine externe Heizung. Liege ich da falsch?
Interessierter schrieb:> Ich bin jetzt mal davon ausgegangen, das die Hitze durch den Strom das> gleiche Resultat hat, wie eine externe Heizung.
Stimmt. Das Resultat kann das selbe sein -> Bauteil defekt / geschädigt
> Liege ich da falsch?
Die physikalischen Schäden werden sich i.d.R. voneinander unterscheiden.
Interessierter schrieb:> Ich kann mir irgendwie nicht vorstellen, dass das bei einem> ausgeschalteten µC beim Löten passieren kann, oder von welchen> Anschlüssen sprichst du?
Da z.B. PC-CPUs während der Herstellung mehrfach Temperaturen über 500°C
ausgesetzt werden, dürfte das Löten dem Halbleiter selbst nichts
anhaben. Vermutlich halten die elektrischen Verbindungen zum Chip die
hohen Temperaturen nicht aus und werden flüssig oder lösen sich. Im
Betrieb sind zu hohe Temperaturen aber sehr ungünstig, da sie die
Leitfähigkeit von Si erhöhen und dadurch aus einem Halbleiter ein Leiter
wird. Die dabei auftretenden Ströme tun ihren Job sehr gründlich.
Stichwörter: Störstellenreserve, Störstellenerschöpfung, Intrinsischer
Bereich, steigender Leitwert bei höheren Temperaturen.
Es ist nämlich so, dass du z.B einen dotierten Stoff besitzt, der z.B
N-dotiert ist. Du hast somit bei Raumtemperatur einen
Elektronenüberschuss.
Bei großen Temperaturen werden aber mehr eigene Ladungsträger ins
Valenzband befördert, als man es mit einer Dotierung je machen könnte.
Bei großen Temperaturen hast du auch keinen N-dotierten Stoff mehr, weil
das Silizium eigentlich schon von einem Halbleiter in einen guten Leiter
übergegangen ist. Somit steigt der Strom im Halbleiter rapide an. Mit
zunehmender Temperatur diffundiert z.B auch der PN Übergang. Das
Silizium schmilzt quasi und der PN Übergang verschwindet für immer. Die
Struktur ist kaputt.
Ein paar Ansatzpunkte:
-Elektromigration wird durch den Strom verursacht.
Irgendwann diffundiert das Dotierungsprofil weg, dieser Effekt hängt
alleine von der Temperatur ab. Das kommt theoretisch nie zum Stillstand,
ab den angesprochene 130°C läuft dieser Prozess beschleunigt ab,
abhängig vom Material.
-Sehr hohe lokale Stromdichten können ein lokales Aufschmelzen
verursachen, Stichwort durchlegieren.
-Bedingt durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von
Gehäuse, Chipträger und Chip können Risse entstehen (Aufbau- und
Verbindungstechnik).
Georg W. schrieb:> Ein paar Ansatzpunkte:> -Elektromigration wird durch den Strom verursacht.> Irgendwann diffundiert das Dotierungsprofil weg, dieser Effekt hängt> alleine von der Temperatur ab. Das kommt theoretisch nie zum Stillstand,> ab den angesprochene 130°C läuft dieser Prozess beschleunigt ab,> abhängig vom Material.> -Sehr hohe lokale Stromdichten können ein lokales Aufschmelzen> verursachen, Stichwort durchlegieren.> -Bedingt durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von> Gehäuse, Chipträger und Chip können Risse entstehen (Aufbau- und> Verbindungstechnik).
Vielen Dank, das denke ich beantwortet jetzt alle meine Fragen. :-)
> ab den angesprochene 130°C läuft dieser Prozess beschleunigt ab,
Diese Angabe bezweifle ich. Einige Leistungshalbleiter können im
Dauerbetrieb mehr als 180°C Chiptemperatur ab.
>> ab den angesprochene 130°C läuft dieser Prozess beschleunigt ab,>Diese Angabe bezweifle ich. Einige Leistungshalbleiter können im>Dauerbetrieb mehr als 180°C Chiptemperatur ab.
Diese Aussage kannste so auch anzweifeln.
Dieser "Prozess" findet nicht erst ab 130°C beschleunigt statt, sondern
eigentlich schon bei Raumtemperatur. Nur eben so langsam, daß der
Halbleiter wohl alle überleben wird. Dieser Prozess wird mit zunehmender
Temperatur schneller, also nicht erst ab 130°C.
Und die üblichen 150°C stellen auch nicht die Todesgrenze dar, sondern
wird sozusagen als bester Kompromiß bezüglich Lebensdauer als Maximum
benutzt.
Es gibt auch Si-Bauteile, die für knapp oder um die 300°C spezifiziert
sind (weis jetzt nicht den Hersteller, war aber mal hier im Forum ein
Thema). Da werden dann im DB Lebensdauerangaben gemacht, abhängig von
der Temperatur. Da war dann nur noch von paar 1000h die Rede.
Wie man sieht, geht es auch bei 300°C noch, nur altern die Dinger dann
"rasend" schnell, bis dann sich die gezielte Dotierung aufgelöst hat,
und einen großen Knall (bei Leistungshalbleitern) auslöst wegen
thermischer Verselbständigung.
hobel schrieb:> bei normalem (dotierten) si müsste bei 130°C noch Luft nach oben sein:> http://www.iris.uni-stuttgart.de/lehre/eggenberger...
Die Eigenleitung von Si ist aber ein reversibler Vorgang, oder nicht?
Wenn sonst nichts zerstört wird, bleibt das Si ja nach dem abkühlen
unverändert durch diesen Effekt alleine.
Jens G. schrieb:>>> ab den angesprochene 130°C läuft dieser Prozess beschleunigt ab,>>Diese Angabe bezweifle ich. Einige Leistungshalbleiter können im>>Dauerbetrieb mehr als 180°C Chiptemperatur ab.>> Diese Aussage kannste so auch anzweifeln.> Dieser "Prozess" findet nicht erst ab 130°C beschleunigt statt, sondern> eigentlich schon bei Raumtemperatur. Nur eben so langsam, daß der> Halbleiter wohl alle überleben wird. Dieser Prozess wird mit zunehmender> Temperatur schneller, also nicht erst ab 130°C.
So habe ich das auch verstanden. Elektromigration ist also quasi in
Anwesenheit von Strom ein stetiger Alterungsprozess, der durch höhere
Temperaturen beschleunigt wird.
Bei Gelegenheit werde ich mal noch etwas mehr zu dem Thema
recherchieren. Finde es schon erstaunlich, dass gemessen an der
alltäglichen Gegenwart des Themas eigentlich kaum bekannt ist was dabei
vor sich geht. So ist jedenfalls meine Erfahrung.
Die gemeine Gegenwart beginnt erst, wenn das Gerät länger betrieben
werden soll als es einen interessiert. Wenn der PC eh nur 3 Jahre
benutzt wird, dann ist die voraussichtliche Lebensdauer der CPU von 5
Jahren kein Problem. Wegen der statistischen Prozesse allerdings sieht
es trotzdem knapp aus.
Ein größeres Problem ist dagegen die zunehmende Menge an vernetzter
Technik/Subsystemen. So geht man von einem fehlerhaften Bit aufgrund
kosmischer Strahlung alle paar Tage aus. Der nächste Bluescreen kann
also durchaus auch nicht in Redmond provoziert worden sein.
Das Problem ist es doch, dass hier nicht nur Silizium erwärmt wird.
Was beim löten eher das Problem ist, wird der mechanische Stress sein,
weil unterschiedliches Material unterschiedlich ausdehnt. Das ist ja
denn wie ein Bimetall, und da können sich dann schonmal die Bonddrähte
lösen..
Das Silizium selber wird nicht das Problem sein beim löten, wenn es
nicht bei den hohen Temperaturen betrieben wird -> wie bei einer
Solarzelle (Thermal Runaway)
Falls der Fragesteller nicht den Lötvorgang gemeint hat, sondern warum
hohe Betriebstemperaturen schlecht sind:
-Temperaturzyklen erzeugen thermischen Stress
-Alterung des Materials (Also auch das Epoxy des IC Gehäuses) wird durch
Hitze beschleunigt (wg der chemischen Aktivierungsenergie), Der Chip
kann Mikrorisse bekommen und innen können Bestandteile oxidieren.
