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.
Als bei mir sterben BJT´s MOSFETS und SCHOTTKY´s meist im Kurtzschluss.
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 > passiert Interessierter 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.
bei normalem (dotierten) si müsste bei 130°C noch Luft nach oben sein: http://www.iris.uni-stuttgart.de/lehre/eggenberger/eti/09_Halbleiter/Stoerleitung.htm
>> 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.
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