¿Por qué tantos circuitos integrados tienen un rango de temperatura máxima de 125C? ¿Se debe a las tolerancias del material de empaquetado, es decir, las cajas de plástico negro y/o el epoxi de unión que sujeta la matriz al paquete y/o algo más?
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user13107
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Todas las características de los semiconductores se ven afectadas por la estadística de Boltzman, que relaciona las densidades de portadores de carga con la temperatura. Cuanto más calor hace, más portadores intrínsecos hay, y llega un momento en que la concentración de portadores intrínsecos es tan alta que cualquier dopaje (tipo n frente a tipo p) desaparece. Esto ocurre a altas temperaturas.
Un conductor tiene la característica de que a medida que lo calientas, los portadores son más móviles y chocan más y la resistencia sube. Un semiconductor tiene la característica de que a medida que se calienta, hay más portadores y la resistencia disminuye.
Así que es natural ver que hay límites. Por qué particularmente esas temperaturas, no lo sé, estoy seguro de que alguien vendrá con la respuesta histórica. Sin embargo, es muy celar que alguna temperatura debe ser seleccionada, porque si se diseña para un rango de temperatura muy amplio entonces alguna otra métrica de rendimiento se verá comprometida, como la velocidad o los márgenes.
Los diseños se especifican sobre lo que se denominan esquinas PVT, como en los casos de esquina de Proceso, Temperatura y Tensión.
Ken
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El rango de temperatura militar para el funcionamiento de los circuitos integrados de silicio (ICs o chips) es de -55C a +125C, lo que pretende garantizar el funcionamiento en prácticamente cualquier situación de campo, con mucho margen (125C es un 25% más caliente que el punto de ebullición del agua).
Otros rangos estándar para los circuitos integrados son de -40C a +125C para el sector del automóvil, de -40C a +85C para el industrial y de 0C a +70C para el comercial (por ejemplo, los chips de los televisores). Hay variaciones en estas normas; por ejemplo, algunos dispositivos de automoción pueden llegar a +130C o más, y los chips de CPU de alto rendimiento de los ordenadores domésticos pueden estar limitados a +55C.
El envase de un chip se elige en función de su rango de temperatura nominal y suele ser de plástico para los dispositivos de baja temperatura y de cerámica para los de alta temperatura. Los envases cerámicos también tienen un sellado superior y pueden estar preparados para acoplarse a un disipador de calor externo para refrigerar el envase.
El silicio con el que se fabrican los circuitos integrados tiene un límite más allá del cual el calor generado por los circuitos del chip no puede fluir a través del silicio y fuera del chip lo suficientemente rápido como para evitar un daño permanente, independientemente de los métodos de disipación de calor externos (disipadores de calor). Cuanto más rápida sea la señal de reloj de un chip digital como una CPU, más calor generará porque la señal de reloj pasa más tiempo en la región de transición entre estados lógicos altos y bajos. Las transiciones de reloj son el único momento en que un circuito digital típico genera un calor significativo, por lo que se genera más calor a medida que aumenta la velocidad del reloj. El límite superior típico de la velocidad de reloj en los circuitos integrados de silicio es de unos 4 GHz (4.000 MHz), pero algunos dispositivos especializados pueden funcionar a mucha más velocidad.
