温度对芯片的影响机理

众所周知,芯片温度是影响产品质量的关键因素。当时间推移,芯片性能将逐渐变弱。那么,为什么这种影响会发生呢?

  1. 热应力和热应变

硅芯片由多种材料封装而成。下图为某PBGA芯片内部封装结构。不同的封装材料,其体积的变化率与温度的关系是不同的。当温度上升,内部封装材料体积变化必不相同。由于芯片被强制焊在单板上,这些材料体积的变化,被限制在固有的空间内,于是内部会出现相互挤压、拉扯。这些相互之间的作用力,在长时间的积累下,就可能造成材料产生机械裂纹,导致芯片失效。

PBGA芯片封装结构示意图(图片来源:Zhao Tao, Li Li. Area Array Package——BGA & Flip Chip

温度对芯片的影响机理

 

温度对芯片的影响机理

电容爆浆

例:电容爆浆。无论根本原因如何,内部温度过高都是导致电容爆浆的直接原因。高温下,电容内部电解液沸腾,压力升高,当这个压力超过电解电容的铝外壳承受压力的时候,就会爆浆。

  1. 腐蚀

温度的升高,会强化物质的活性,进而加速化学反应的进程。腐蚀的本质是化学反应,因此,高温情境下,芯片抗腐蚀性能下降。

温度对芯片的影响机理

某塑封IC键合点腐蚀(图片来源:袁光华. 塑封IC键合点腐蚀导致的失效案例)

通常情况下,化学反应速率与温度的关系可以表达为:

R = R0*e^(-Ea/k/T)

其中R为化学反应速率,R0为特定化学反应在参考温度下的实测反应速率,Ea为电子激活能量,K为玻尔兹曼常数,T为温度。可以看到,化学反应速率随温度的升高呈指数及上涨。

  1. 氧化物分解

芯片的腐蚀是与外界环境强相关的现象。当使用环境极好,周围无可与芯片材料反应的物质时,芯片内部的组成物质也会发生分解。由于同属于化学反应,温度对其速率的增加,遵循类似的规律。内部的物质发生分解后,电气性能显然会发生巨大变化(反应物和生成物已经不是同一种物质了),芯片性能与内部分解反应进行的程度强相关。

  1. 电子移动

温度升高,各类微粒的无规则运动均会强化。电子移动会导致芯片性能不稳。

  1. 静态功耗

芯片消耗能源进行相关运算是其发热的本源。芯片功耗一般分两种:来自开关的动态功耗,和来自漏电的静态功耗。而动态功耗又可分为电容充放电(包括网络电容和输入负载),还有当P/N MOS 同时打开形成的瞬间短路电流。静态功耗是于绝缘材料绝缘性不足,本应关闭的部分无法完全断电,产生的多余功耗,专业术语来说是逻辑门没有活动或者没有翻转时产生的能量损耗,p(static)=V(dd)*I(leakage),Vdd是晶体管工作电压,I leakage是漏电流。当温度上升时,芯片间的绝缘材料绝缘性能下降,静态功耗随之上升。芯片在实现相同功能的前提下,由于温度更高,其过流量增加,实际整个芯片的负载被加重,芯片的“磨损”被加重。

温度对芯片的影响机理

处理器满载和空载功耗对比

  1. 电气性能变化

当温度变化时,芯片组成物的电气性能会发生相应变化。从芯片的说明书中可以看到,除去高温限制之外,所有的芯片都还有一个最低温度限制,其原因之一,就是芯片组成物电气性能随温度的变化。芯片的实际运行的最优点只能位于某一个温度点或较小的温度范围内,当芯片的温度很高或很低时,由于各类物质的电气性能相对设计温度已经发生较大变化,芯片将无法实现预期的功能。因此,电气性能的变化,也是温度的关键影响之一。

从上述总结中可以获知,温度与芯片内部热应力、芯片腐蚀速率、内部氧化物分解速率、漏电电流以及内部组成物质的电气性能有直接关联。通过影响上述因素,芯片内部发生短路、断路、漂移和漏电,进而失效。

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