Причины перегрева микросхем: обзор основных факторов

В интегральных компонентах все электронные элементы размещены плотно друг к другу, чаще всего на одном чипе. Поэтому нагрев элементов силовых или питающих цепей и выходных каскадов приводит к нагреву всех составляющих кристалла. Свойства полупроводников зависят от температуры, а значит нагрев неминуемо приведет к изменению режимов работы всей топологии. Рассмотрим подробнее, от каких факторов зависит и к чему приводит перегрев кристалла микросхемы.

Содержание:

1. Последствия перегрева микросхем
2. Факторы, приводящие к перегреву микросхем
3. Виды теплоотвода
4. Влияние электрических параметров на тепловыделение микросхем
5. Как избежать перегрева микросхем

Последствия перегрева микросхем

Микросхемы состоят из полупроводников, которые имеют зоны с легированными добавками. Эти участки при нагревании обретают лучшую подвижность носителей заряда. Если тепловой режим чипа находится в допустимом диапазоне, то работоспособность микросхемы сохранится на приемлемом уровне. Этот фактор проверяется при испытаниях микросхем. Перегрев кристалла может привести:

• к срабатыванию защиты с переходом на замедленный режим работы или с остановкой;
• отказу в работоспособности некоторых функций или всего устройства;
• изменениям режимов работы за пределы номинальных;
• повреждениям элементов обвязки;
• стиранию памяти у запоминающих интегральных компонентов;
• потере управляемости встроенных транзисторов, которое приводит к самопроизвольному включению имеющихся функций, возможно нескольких одновременно;
• повреждению кристалла и выходу из строя микросхемы и пр.

В некоторых случаях перегрев микросхемы сказывается на целостности корпуса интегрального компонента и отпайке или спайке выводов поверхностного монтажа. При перегреве также возможно срабатывание внешних или встроенных элементов защиты. Микросхемы проверенных производителей обычно обладают многоуровневыми защитными функциями.

Таким образом, перегрев микросхемы будет сопровождаться лишь временным отключением устройства или некоторых его частей. На практике это может выражаться сбоями в работе, зависаниями и перезагрузками программного обеспечения. Увеличенная температура микросхемы может в значительной степени ограничить ее производительность.

Факторы, приводящие к перегреву микросхем

Причинами перегрева могут быть электрические параметры и внешние факторы. К последним обстоятельствам относится плохой теплоотвод, связанный с высыханием термопасты, об мы подробно рассказывали в этой статье.

Виды теплоотвода

Для греющихся электронных компонентов и микросхем используют  радиаторы:

• естественного охлаждения;
• вентилируемые;
• с использованием охлаждающей жидкости.

Металлические, чаще всего алюминиевые, радиаторы позволяют увеличить площадь контакта генератора теплоты с окружающей средой — воздухом. Таким образом, рассеивание тепла улучшается, и кристалл греющегося интегрального компонента не достигает предельной температуры. Для увеличения мощности теплоотвода используют вентиляторы, принудительный поток воздуха улучшает теплоотвод.

Если расположение мощного контроллера или процессора не позволяет установить подходящий теплоотвод в непосредственной близости, то применяют конструкцию с охлаждающей жидкостью. Система состоит из теплопроводящей пластины, в которую впрессованы металлические трубки, заполненные дистиллированной водой с присадками или без. Они ведут к одному или нескольким радиаторам, оборудованным вентиляторами. Такой механизм теплоотвода используется в ноутбуках и некоторых персональных компьютерах, а также в планшетах и нетбуках.

Степень защиты IP изделия влияет на способность охлаждения интегральных компонентов. Чем выше уровень защищенности устройства от влаги, тем сложнее микросхемам рассеивать тепло в окружающую среду. Для приборов с IPx4 – IPx9 может использоваться стенка корпуса в качестве теплоотвода. Для этого ее изготавливают из алюминия или его сплавов.

Влияние электрических параметров на тепловыделение микросхем

Основной причиной перегрева интегральных компонентов являются электрические факторы.

К перегреву микросхем приводит:

• Повышенное или нестабильное питающее напряжение — излишний потенциал приводит к большему выделению мощности элементами интегрального устройства. Этот фактор может привести к мгновенному или постепенному перегреву. Скачки питающего напряжения могу привести к локальному внутри кристальному перегреву, так что даже встроенная защита может не успеть сработать.
• Чрезмерная нагрузка на выходные каскады — если выходы перегружены, то это скажется на нагревании самой микросхемы. Реализовать полноценную встроенную защиту от перегрузки и коротких замыканий без ущерба производительности бывает проблематично, а иногда и невозможно. Поэтому входные каскады или компоненты, подключенные к выходам, должны соответствовать выходным характеристикам микросхем. Частой причиной чрезмерной нагрузки может стать повышенная влажность и загрязнение межвыводного пространства.
• Увеличенная таковая частота или скорость обработки и повышенная частота сигнала, также завышенный уровень помех приводит к большей загруженности электронной части чипа. Для обработки высокочастотных сигналов требуется большая мощность потребления, а значит и тепловыделение кристалла возрастёт. Технология КМОП имеет большую зависимость роста потребления от частоты, чем ТТЛ.

Как избежать перегрева микросхем

Важным условием для отсутствия перегрева дискретных и интегральных компонентов аппаратуры является соблюдение установленного производителем температурного режима пользования устройством. Также время непрерывной эксплуатации техники в течение суток может быть ограничено.

Если корпус электронного прибора имеет отверстия для естественного или вентилируемого охлаждения, также греющуюся металлическую (чаще всего ребристую) поверхность, то эти элементы нельзя закрывать или укутывать. Части электронного или компьютерного изделия, предназначенные для теплоотвода, должны иметь свободный доступ к воздушному пространству среды эксплуатации.

Техника, имеющая радиаторы для электронных компонентов, чаще всего, подлежит периодическому обслуживанию. Оно заключается в очистке поверхностей теплоотводов от пыли и загрязнений, а также в проверке состояния термопасты и при необходимости ее замены. Выполнение несложных рекомендаций по недопущению перегрева микросхем позволяет в значительной степени продлить срок эксплуатации устройства.

Купить микросхемы от известных производителей можно в компании «ЗУМ-СМД». Действует доставка по всей России. Чтобы уточнить подробности, звоните по телефону +7 (800) 333-48-97 или закажите звонок в форме обратной связи.