Por que exatamente os chips começam a funcionar mal quando superaquecem?

Quando um chip superaquece, ele pode começar a funcionar mal - por exemplo, muitos programas podem começar a falhar quando algumas ou todas as partes do computador superaquecem.

O que exatamente acontece que faz com que os chips funcionem mal quando superaquecem?

Para expandir outras respostas.

1. Correntes de vazamento mais altas: isso pode levar a mais problemas de aquecimento e facilmente resultar em fuga térmica.
2. A relação sinal / ruído diminui à medida que o ruído térmico aumenta : Isso pode resultar em uma taxa de erro de bit mais alta, isso fará com que um programa seja mal interpretado e os comandos sejam mal interpretados. Isso pode causar operação "aleatória".
3. Dopantes ficam mais móveis com o calor. Quando você tem um chip totalmente superaquecido, o transistor pode deixar de ser transistor. Isso é irreversível.
4. O aquecimento desigual pode fazer com que a estrutura cristalina do Si se quebre. Uma pessoa normal pode experimentar colocando o vidro em um choque de temperatura. Vai quebrar, um pouco extremo, mas ilustra o ponto. Isso é irreversível.
5. As memórias ROM que dependem de uma placa isolada carregada poderão perder memória à medida que a temperatura aumenta. A energia térmica, se alta o suficiente, pode permitir que a eletrônica escape do condutor carregado. Isso pode corromper a memória do programa. Isso acontece regularmente comigo durante a soldagem de CIs que já estão programados quando alguém superaquece o chip.
6. Perda do controle do transistor: Com energia térmica suficiente, seus elétrons podem pular o intervalo. Um semicondutor é um material que possui uma pequena folga de banda para que seja facilmente preenchida com dopantes, mas grande o suficiente para que a temperatura operacional necessária não a transforme em um condutor onde a folga é menor que a energia térmica do material. Essa é uma simplificação excessiva e é a base de outro post, mas eu queria adicioná-lo e colocá-lo com minhas próprias palavras.

Há mais razões, mas essas são algumas importantes.

O principal problema com a operação do IC em altas temperaturas é o aumento da corrente de fuga de transistores individuais. A corrente de fuga pode aumentar a tal ponto que os níveis de tensão de comutação dos dispositivos são afetados, para que os sinais não possam se propagar adequadamente dentro do chip e para de funcionar. Eles geralmente se recuperam quando são deixados esfriar, mas esse nem sempre é o caso.

Os processos de fabricação para operação em alta temperatura (até 300 ° C) empregam a tecnologia CMOS de silicone no isolador, devido ao baixo vazamento em uma faixa de temperatura muito ampla.

Apenas uma adição a algumas excelentes respostas: tecnicamente não são os dopantes que ficam mais móveis, é um aumento na concentração intrínseca de portadores. Se alguma coisa os dopantes / transportadores ficam menos móveis à medida que a treliça de cristal de silício começa a "vibrar" devido ao aumento da energia térmica, dificultando o fluxo de elétrons e buracos pelo dispositivo - espalhamento óptico de fônons que eu acredito que phsyics chama, mas eu posso estar errado.

Quando a concentração intrínseca do transportador aumenta além do nível de doping, você perde o controle elétrico do dispositivo. Portadores intrínsecos são os que existem antes de usarmos o silício, a idéia dos semicondutores é que adicionemos nossos próprios portadores para gerar junções pn e outras coisas interessantes que os transistores fazem. O silício alcança cerca de 150 graus Celsius, de modo que os processadores RF de alta velocidade e dissipadores de calor são muito importantes, pois na prática não é muito difícil atingir 150 graus Celsius. Existe uma ligação direta entre a concentração intrínseca do portador e a corrente de fuga de um dispositivo.

Como os outros caras mostraram, esta é apenas uma das razões pelas quais os chips falham - pode até chegar a algo tão simples quanto um fio de ligação ficar muito quente e sair do bloco, há uma lista enorme de coisas.

Embora as correntes de fuga aumentem, eu esperaria um problema maior para muitos dispositivos baseados em MOS é que a quantidade de corrente passada através de um transistor MOS no estado "ligado" diminui à medida que o dispositivo esquenta. Para que um dispositivo opere corretamente, um transistor que esteja alternando um nó deve poder carregar ou descarregar qualquer capacitância latente naquela parte do circuito antes que qualquer outra coisa dependa da comutação desse nó. Reduzir a capacidade de passagem de corrente dos transistores reduzirá a taxa na qual eles podem carregar ou descarregar nós. Se um transistor não puder carregar ou descarregar um nó suficientemente antes que outra parte do circuito dependa da comutação desse nó, o circuito funcionará mal.

Observe que, para dispositivos NMOS, houve uma troca de projeto ao dimensionar transistores pull-up passivos; quanto maior a extensão passiva, mais rapidamente o nó pode mudar de baixo para alto, mas mais energia será desperdiçada sempre que o nó estiver baixo. Muitos desses dispositivos foram, portanto, operados um pouco perto do limite da operação correta, e os defeitos no aquecimento foram (e para os eletrônicos antigos, permanecem) bastante comuns. Para eletrônicos CMOS comuns, esses problemas geralmente são menos graves; Na prática, não tenho idéia de em que medida eles desempenham um papel em processadores como multi-GHZ.

Para complementar as respostas existentes, os circuitos de hoje são sensíveis aos dois efeitos de envelhecimento a seguir (não apenas esses, mas também os principais em processos <150nm):

• HCI http://en.wikipedia.org/wiki/Hot-carrier_injection
• NBTI e PBTI http://en.wikipedia.org/wiki/Negative-bias_temperature_instability

Como a temperatura aumenta a mobilidade das transportadoras, aumenta os efeitos de HCI e NBTI, mas a temperatura não é a principal causa de NBTI e HCI:

• O HCI é causado por uma alta frequência
• NBTI por alta tensão

Esses dois efeitos do envelhecimento do silício causam danos reversíveis e irreversíveis aos transistores (afetando / deteriorando os substratos do isolador), o que aumenta o limiar de tensão do transistor (Vt). Como resultado, a peça exigirá uma tensão mais alta para manter o mesmo nível de desempenho, o que implica um aumento na temperatura de operação e, como dito em outros postes, ocorrerá um aumento no vazamento da porta do transistor.

Resumindo, a temperatura não tornará a peça envelhecida mais rapidamente, é a frequência e a tensão mais altas (ou seja, overclocking) que tornarão a peça envelhecida. Mas o envelhecimento dos transistores exigirá uma tensão operacional mais alta, o que tornará a peça mais quente.

Corolário: a conseqüência do overclock é o aumento da temperatura e da tensão necessária.

A razão geral pela qual os ICs falham irreversivelmente é porque o metal de alumínio dentro deles, usado para criar interconexões entre os vários elementos, derrete e abre ou aciona os dispositivos.

Sim, as correntes de vazamento aumentarão, mas geralmente não é a própria corrente de vazamento que é um problema, mas o calor que isso causa e o consequente dano ao metal dentro do CI.

Os circuitos de energia (por exemplo, fontes de alimentação, drivers de alta corrente etc.) podem ser danificados porque, em altas tensões, quando os drivers do transistor se desligam rapidamente, são geradas correntes internas que causam travamento do dispositivo ou distribuição desigual de energia no interior, causando a tensão local. aquecimento e subsequente falha de metal.

Um grande número (1000's) de ciclos térmicos repetidos pode causar falhas devido a incompatibilidades entre a expansão mecânica do IC e a embalagem, eventualmente causando o arranque dos fios de ligação ou a delimitação do material plástico da embalagem e a subsequente falha mecânica.

Obviamente, um grande número de especificações paramétricas de IC são especificadas apenas em uma determinada faixa de temperatura, e essas podem não estar nas especificações fora disso. Dependendo do projeto, isso pode causar falha ou mudança paramétrica inaceitável (enquanto o IC estiver fora da faixa de temperatura) - isso pode ocorrer para temperaturas altas ou baixas extremas.