Was im Silizium oberhalb von 150 °C tatsächlich versagt
Die meisten integrierten Schaltkreise haben keine einzelne Ausfalltemperatur. Sie haben eine Reihe von Parametern, die unterschiedlich schnell driften, und einen Punkt, an dem die Drift nicht mehr etwas ist, das das Design auffangen kann. Zu wissen, welcher Parameter zuerst nachgibt, sagt Ihnen, ob ein Bauteil ausgereizt, neu entworfen oder ersetzt werden muss.
Leckströme sind das, was Entwickler überrascht
Der Leckstrom in Sperrrichtung vorgespannter Übergänge skaliert mit der intrinsischen Ladungsträgerkonzentration von Silizium, die exponentiell mit der Temperatur steigt. Als Faustregel verdoppelt sich der Sperrschichtleckstrom etwa alle 8 bis 10 °C. Das klingt beherrschbar, bis man es aufsummiert: von 25 °C auf 175 °C sind fünfzehn oder mehr Verdopplungen — ein Faktor von einigen zehntausend.
Die Unterschwellleitung bewegt sich in dieselbe Richtung. Die Unterschwellsteigung ist proportional zu kT/q, sodass ein Transistor, der bei Raumtemperatur etwa 60 mV pro Stromdekade benötigt, bei 200 °C näher an 95 mV pro Dekade liegt. Ein Bauelement, das komfortabel gesperrt war, führt nun messbar Leckstrom.
Für digitale Logik zeigt sich das als Ruhestrom. Für Analogtechnik ist es schlimmer, denn der Leckstrom landet unmittelbar auf den Knoten, die Information halten: Sample-and-Hold-Kondensatoren, Integratorknoten, Stromspiegel, hochimpedante Sensoreingangsstufen. Ein Pikoampere Leckstrom über einem 10 pF Haltekondensator verschiebt die gespeicherte Spannung in einer Millisekunde um 100 mV. Bei Raumtemperatur hatte derselbe Übergang Femtoampere geführt, und niemand hat darüber nachgedacht.
Schwellspannung und Beweglichkeit laufen in entgegengesetzte Richtungen
Die Schwellspannung fällt mit der Temperatur, typischerweise irgendwo zwischen 0,5 und 2 mV/°C, je nach Prozess und Dotierung. Über eine Spanne von 175 °C ist das eine Verschiebung von rund 100 bis 350 mV. In einem 3,3-V-Design ist das ein Ärgernis. In einem 1,8-V-Design ist es ein Redesign.
Die Ladungsträgerbeweglichkeit fällt gleichzeitig, was den Treiberstrom verringert. Die beiden Effekte heben sich teilweise auf, und es gibt einen Arbeitspunkt — den Punkt mit Nulltemperaturkoeffizient —, an dem der Drainstrom nahezu temperaturunabhängig ist. Kritische Arbeitspunktzweige um diesen Punkt herum zu entwerfen, ist einer der ältesten Tricks der Hochtemperatur-Analogtechnik, und er funktioniert noch immer. Er ist auch der Grund, warum ein Hochtemperatur-Design nicht einfach ein normales Design mit weiterer Spezifikation ist: Die Arbeitspunktarchitektur muss von Anfang an dafür gewählt werden.
Die Latch-up-Reserve schrumpft genau dann, wenn Sie sie am meisten brauchen
Bulk-CMOS enthält einen parasitären Thyristor, gebildet aus den Wannen- und Substratübergängen. Mit steigender Temperatur passieren zwei Dinge: Die Stromverstärkung der parasitären Bipolartransistoren nimmt zu, und die Schichtwiderstände von Wanne und Substrat nehmen zu. Beides senkt den Halte- und den Zündstrom für Latch-up.
Ein Layout, das die Latch-up-Qualifikation bei 125 °C bestanden hat, hat also bei 175 °C weniger Reserve — in einem System, das durch lange Leitungswege und induktive Lasten möglicherweise auch mehr eingespeisten Strom sieht. Das ist eines der klarsten Argumente für Silicon-on-Insulator bei hoher Temperatur, und diesen Kompromiss betrachten wir in einem eigenen Beitrag.
Die Verdrahtung verschleißt schneller als die Transistoren
Der Ausfall durch Elektromigration folgt der Blackschen Gleichung: Die mittlere Zeit bis zum Ausfall skaliert umgekehrt mit etwa dem Quadrat der Stromdichte und exponentiell mit der Aktivierungsenergie über kT. Mit einer Aktivierungsenergie um 0,7 bis 0,9 eV für Aluminiumverdrahtung verkürzt der Übergang von 110 °C auf 175 °C die Lebensdauer der Verdrahtung bei gleicher Stromdichte um rund eine Größenordnung.
Die praktische Folge ist, dass die Stromdichteregeln im Design-Kit für die Zieltemperatur und die Ziellebensdauer neu abgeleitet werden müssen. Ein Layout, das gegen die Standardregeln freigegeben wurde, ist nicht für 200 °C freigegeben — auch wenn jeder Transistor noch die Spezifikation erfüllt.
Der zeitabhängige Dielektrikumsdurchbruch und die Bias-Temperature-Instabilität beschleunigen über ähnliche Arrhenius-Terme. Keiner dieser Mechanismen ist am ersten Tag katastrophal. Sie verkürzen die Einsatzdauer des Bauteils — und genau das ist der Parameter, auf den es bei einem Werkzeug ankommt, dessen Bergung teuer ist.
Nichtflüchtiger Speicher ist oft die erste harte Grenze
Floating-Gate-Flash speichert Ladung hinter einer Oxidbarriere, und der Ladungsverlust ist thermisch aktiviert. Eine Zelle, die für zehn Jahre Datenhaltung bei 85 °C qualifiziert ist, kann ihre Reserve bei 175 oder 200 °C in einem völlig anderen Zeitrahmen verlieren — die Arrhenius-Beziehung ist unerbittlich, und sie gilt für Daten, die kalt geschrieben und anschließend ausgeheizt wurden.
Deshalb setzen Hochtemperatur-Mikrocontroller so häufig auf eine andere Speicherstrategie: Masken-ROM, einmalprogrammierbare Antifuse-Arrays oder ferroelektrische und magnetoresistive Speicher, die nicht auf gespeicherter Ladung beruhen. Und deshalb ist „kann ich das im Feld umprogrammieren?“ eine Frage, die sich früh lohnt — nicht, wenn die Architektur schon steht.
Das Gehäuse versagt nach einem anderen Zeitplan
Silizium ist nicht das ganze Bauteil. Golddraht auf Aluminium-Bondpads bildet intermetallische Phasen, deren Wachstum thermisch beschleunigt wird, und die Kirkendall-Porenbildung an dieser Grenzfläche ist ein klassischer Hochtemperatur-Verschleißmechanismus. Die-Attach-Materialien erweichen oder degradieren. Kunststoff-Formmassen überschreiten ihren Glasübergang und ändern ihren Modul, was die Spannung auf dem Die verändert. Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten treiben die Ermüdung von Lötstellen unter Temperaturwechseln, gemäß dem Coffin-Manson-Verhalten.
Ein Die, der bei 200 °C in einem Keramikgehäuse mit einem geeigneten Metallisierungssystem die Spezifikation hält, ist ein anderes Produkt als derselbe Die in einem Standard-Kunststoffgehäuse — auch wenn die Datenblattwerte der Schaltung identisch sind.
Was das bedeutet, wenn Sie Bauteile auswählen
Drei praktische Schlussfolgerungen.
Die Maximalangabe in einem Datenblatt ist keine Leistungsgarantie. Sie bedeutet üblicherweise, dass das Bauteil nicht zerstört wird. Ob Genauigkeit, Offset, Drift und Timing bei dieser Temperatur noch eingehalten werden, ist eine separate Frage — und sie wird oft nur mit einem Typwert ohne garantierte Grenze beantwortet.
Fragen Sie, was gemessen und was extrapoliert wurde. Charakterisierung über den gesamten Betriebsbereich kostet Geld und Zeit. Ein Lieferant, der sie durchgeführt hat, kann Ihnen die Verteilung zeigen. Ein Lieferant, der sie nicht durchgeführt hat, zeigt Ihnen eine Simulation.
Legen Sie den Betriebsbereich vor der Architektur fest. Nahezu jede Gegenmaßnahme in diesem Beitrag — der Arbeitspunkt, die Prozesswahl, die Speicherstrategie, das Stromdichtebudget, das Gehäuse — ist eine architektonische Entscheidung. Sie spät zu ergänzen ist teuer; sie zuerst zu wählen ist nahezu kostenlos.
Wenn Sie an einem System arbeiten, bei dem die Elektronik auf Prozesstemperatur sitzen muss statt entfernt davon, nennen Sie uns den Betriebsbereich und die Lebensdauer. Wir sagen Ihnen, was erreichbar ist und was nicht.