¿Qué es exactamente lo que fríe el chip cuando se invierte la alimentación?

Question

Por mi propia experiencia, quemar microcontroladores es bastante fácil. Poner los 5V a tierra, GND a V _CC y en un instante tu ficha se quema.

¿Qué ocurre exactamente a nivel interno para que deje de funcionar por completo? Por ejemplo, si por arte de magia pudiera abrir un chip y reorganizar todas sus conexiones semiconductoras y arreglarlo, ¿dónde tendría que buscar exactamente y qué tendría que hacer?

Si esto es específico de un chip, por favor elija alguno que pueda responder a mi pregunta o darme una idea al menos.

Answer 1

La mayoría de los circuitos integrados comerciales están aislados del material del sustrato mediante una unión P-N de polarización inversa (incluidas las piezas CMOS). El sustrato suele estar ligado a la tensión que se espera que sea más negativa.

Si no lo es, esa unión se convierte en polarizada hacia delante y puede conducir una gran cantidad de corriente, fundiendo el metal o calentando la unión hasta el punto de que ya no actúa como un diodo. Esto suele ocurrir a un voltaje de unos 0,6 V, pero los fabricantes de circuitos integrados suelen ir a lo seguro diciéndole que no baje de -0,3 V.

(en referencia al siguiente diagrama, pero no se muestra, el sustrato estaría atado al pin 5)

La mayoría de las piezas CMOS tienen otra vuelta de tuerca que consiste en que si una parte del chip tiene una Vdd normal y otra parte ve una gran corriente negativa, disparará un gran SCR parásito que es un efecto secundario de la estructura, entonces la fuente de alimentación del dispositivo toma una gran corriente que provoca sobrecalentamiento, fusión, etc. si la corriente no está limitada externamente. Esto se llama latch-up.

Answer 2

¿Qué libera el mágico humo azul cuando se superan las tensiones de trabajo o se invierte la tensión de alimentación?

Aplicado a cualquier "chip

Una corriente excesiva que produce una disipación de energía excesiva ( \$I^2 R\$ ) y/o el exceso de tensión que provoca la ruptura del aislamiento debido a las altas intensidades de campo internas unidas a la falta de conducción térmica de los dispositivos dentro del chip.

Hay que tener en cuenta la naturaleza no lineal, asimétrica (sensible a la polaridad) y físicamente pequeña de los dispositivos internos y sus pequeñas vías de conducción de calor. A esto hay que añadir la destrucción a baja tensión de capas aislantes muy finas (alto campo V/m) que producen vías de conducción bidireccionales de baja resistencia.

El interno la temperatura del dispositivo individual aumenta muy rápidamente y destruye sus propiedades semiconductoras/aislantes. Una vez destruido esto produce otras vías de baja resistencia causando múltiples fallos en cascada a través de otros dispositivos en el chip.

Todo esto sucede muy rápidamente y es un evento de una sola dirección . ( Piensa en Humpty Dumpty - Poner todas las piezas juntas no te devolverá al punto de partida - Humpty ha dejado el edificio)

¿Cómo podría repararlo?

Básicamente no se puede porque la magia no existe. Habría tantos fallos que interactúan en el circuito que sería casi imposible localizar cualquier fallo. (Recuerde que incluso en un CI "simple" se trata de cientos de miles de dispositivos). Todos los dispositivos defectuosos tendrían que ser identificados y sustituidos al mismo tiempo (suponiendo que se tuviera la capacidad de reconstruir todos los dispositivos defectuosos a nivel atómico); si se falla uno solo, hay que volver a empezar cuando se enciende.

La solución más sencilla (y la más rentable en tiempo y dinero) es tirar el bicho muerto, aprender de la experiencia, sustituirlo por un chip nuevo con todas las especificaciones y la próxima vez tener más cuidado con la fuente de alimentación.

Answer 3

¿Qué ocurre exactamente a nivel interno para que deje de funcionar?

Un exceso de corriente, las uniones pueden resistir la corriente sólo en una dirección, cuando se invierte la polaridad se convierten en cortocircuitos. Se genera calor, las uniones se queman al igual que otros elementos sobrecalentados.

Si por arte de magia pudiera abrir una ficha y reordenar todas sus conexiones de semiconductores y arreglarlo...

No se puede arreglar (en la práctica) porque muchas uniones están ahora rotas/evaporadas, así como su entorno inmediato.

La protección contra la inversión de polaridad es bastante sencilla (un diodo), sin embargo genera una caída de tensión y calor adicional, el fabricante no lo incorpora en el chip, el usuario del CI puede añadir un diodo externo si es necesario.

Answer 4

Una respuesta tardía, llegué aquí a través de otra pregunta, pero me di cuenta de que en realidad ninguna de estas respuestas abordan la verdadera razón por la que casi cualquier IC / Chip puede ser frito mediante la aplicación de una tensión de alimentación invertida.

La verdadera razón es que todos los chips necesitan tener protección ESD en todos los pines que no son de alimentación con un circuito como este:

¡Así que casi todos los pines tienen esto! Son muchos diodos en paralelo. Puedes fácilmente destruir todos estos diodos invirtiendo la alimentación. Y eso realmente destruye tu chip.

El "Latch-up", como se ha mencionado anteriormente, es un efecto que se produce cuando la alimentación tiene la polaridad correcta, pero una corriente se hunde o se origina en una entrada o una salida causando un mal funcionamiento como se ha explicado anteriormente. No tiene nada que ver con la inversión de la alimentación. Si cree que estoy diciendo tonterías, por favor, busque cómo se realiza una prueba de Latch-up. Existe un equipo de medición especializado para realizar dicha prueba.

Por favor, lea este ¡excelente artículo que explica el latchup y nota que el suministro es "normal" por lo que no se invierte ! Si todavía tiene dudas, lea la prueba de enclavamiento de CI EIA/JEDEC STANDARD EIA/JESD78.

Answer 5

Como las estructuras de los semiconductores son muy pequeñas, es realmente una tarea fácil quemarlas.

1. Distancia de separación: si se aplica un campo eléctrico lo suficientemente grande entre dos conductores, se producirá una ruptura. Esto, al estar en un chip, provoca un mal funcionamiento de los terminales. Esto ocurre principalmente en la puerta de una estructura FET.
2. En principio, los semiconductores son dispositivos no lineales y sensibles a la polaridad. Esto, a su vez, hace que todo el dispositivo sea muy no lineal y sensible a la polaridad.
3. Otros millones de razones que no se me ocurren ahora mismo...