Hi,
wie viele hier wissen, gibt es ICs für verschiedenen Temperaturbereiche. Commercial normalerweise von 0 - 70°C, Industrial, Automotive, Military… (noch was? - Egal!)
Was unterscheidet diese ICs innerlich voneinander? Sind das unterschiedliche Herstellungsverfahren, wenn ja, im Silizium und/oder Gehäuse? Werden die wohlmöglich nur selektiert („Diese Charge ist gut genug für MIL“)? Kann ich mir nicht denken. Früher gab’s wenigstens noch Keramikgehäuse, da war’s plausibel.
Grüße
Uwe
Hallo Uwe
die Kunststoffe sind heute ganz gut, bzw. können gut sein(Epoxidharz mit Füllmittel usw.).
Ein wichtiger Unterschied ist das Prüfverfahren.
Chips für höhere Temperaturen werden auch bei höheren Temperaturen geprüft, logisch.
Die Materialien zum Dotieren haben eine unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeit, auch abhängig von der Temperatur,
hier kann also was gemacht werden.
Was der genaue Unterschied? Keine Ahnung, vielleicht ist er auch nicht so groß.
MfG
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Hi,
wie viele hier wissen, gibt es ICs für verschiedenen
Temperaturbereiche. Commercial normalerweise von 0 - 70°C,
Industrial, Automotive, Military… (noch was? - Egal!)Was unterscheidet diese ICs innerlich voneinander? Sind das
unterschiedliche Herstellungsverfahren, wenn ja, im Silizium
und/oder Gehäuse? Werden die wohlmöglich nur selektiert
(„Diese Charge ist gut genug für MIL“)? Kann ich mir nicht
denken. Früher gab’s wenigstens noch Keramikgehäuse, da war’s
plausibel.
Hallo Uwe,
das bleibt letzlich dem Hersteller überlassen - wenn er durch Selektion welche herauslesen kann, die bis 150 °C funktionieren, ist es gut, sonst muss er eben das Layout oder den Prozess entsprechend ändern, oder er bietet eben keine MIL-Version an. Wichtig ist nur, dass Spezifikationen auch eingehalten werden.
Gruss Reinhard
Hallo Uwe,
Was unterscheidet diese ICs innerlich voneinander? Sind das
unterschiedliche Herstellungsverfahren, wenn ja, im Silizium
und/oder Gehäuse? Werden die wohlmöglich nur selektiert
(„Diese Charge ist gut genug für MIL“)? Kann ich mir nicht
denken. Früher gab’s wenigstens noch Keramikgehäuse, da war’s
plausibel.
Nach oben begrenzt Silizium zusammen mit dem Ditierungsmaterial die Temperatur auf 175°C bis maximal 200°C. Allerdings ist das die maximale mögliche Temperatur der Halbleiters, man darf keinesfalls vergessen, dass so ein Halbleiter ja im Betrieb selbst Wärme erzeugt.
Nach unten gibt es dann mal Probleme mit der Supraleitung, aber das müsste erst unterhalb einiger Kelvin der Fall sein. Bis 70K kenne ich keine grundsätzlichen Probleme.
Die Hauptprobleme beim Temperaturbereich sind mechanischer Natur. Da die verwendeten Materialien unterschiedliche Ausdehnungs-Koeffizienten haben, kommt es zu mechanischen Spannungungen. Meist werden dabei die Bonddrähte abgerissen (Besonders K-Stoffgehäuse, weil hier die Bonddrähte mit eingegossen sind). Beim Keramik-Gehäuse sind die BOnddrähte nicht vergossen, können sich also frei bewegen.
Es gibt beim K-Stoff-Gehäuse die Möglichkeit die Bonddrähte zuerst in Silikongummi einzubetten und erst danach den harten K-Stoff fürs Gehäuse zu umspritzen.
Einer der wichtigsten Stress-Test ist das durchlaufen von Temperatur-Zyklen, zwischen den maximalen zulässigen Temperaturen. C-Typen fallen da schon im Bereich von 100 Zyklen aus.
Ein weiteres Problem ist das Aluminium, welches für die Leiterbahnen auf dem Chip verwendet wird. Sein Ausdehnungkoeffizient unterscheidet sich beträchlich von Silizium. Die gab z.B. (IMHO) bei den ersten 64KiBit-RAMs Probleme. Nach der Herstellung bestanden sie alle Test, aber nach 3 bis 6 Monaten im Lager war ein grosser Teil defekt. Die Ursache waren die kleineren Strukturgrössen bei denen die Zugspannung im ALU zu gross wurden und die Leiterbahnen einfach risssen. Durch andere Verfahren (sputtern) beim Aufbringen des ALUs und andere Temperaturprofile beim Abkühlen hat man das heute im Griff.
Ein anderes Problem bei der Temperatur sind nach oben hin die Leckströme, welche mit der Temperatur zunehmen. Deshalb haben MIL-Typen oft eine höhere Stromaufnahme, weil man mit kleineren Widerständen in der Schaltung arbeitet.
Ein weiters Problem ist bei bipolarer Technik die Schwellwertspannung, bzw. dessen Temperaturkoeffizient von ca. -2.5mV/K. Bei Raumtemperatur, leitet eine Si-Diode ab etwa 0.6-0.7V. Bei -75°C liegt diese Spannung um 0.25V höher.
Dies macht Teilweise eine andere Dimensionierung oder andere Toleranzen für MIL-Typen nötig. Manchmal muss auch das Schaltungskonzept etwas verändert werden.
Oft werden MIL-Typen auch mit grösseren Strukturgrössen gefertigt, bzw. es ist kein Die-Shrink, wie bei den C-Typen, möglich. Die grösseren Strukturen sind zwar langsamer, bzw. haben einen grösseren Stromverbrauch, sind aber gleichzeitig etwas weniger anfällig gegen ESD und besonders auch gegen ionisierende Strahlung. Allerdings gibt es auch spezielle Herstellungs-Verfahren für MIL-Typen um sie zu „härten“, also gegen ionisierende Strahlung beständig zu machen. Diese Ausführungen haben dann aber mit den C-Typen, ausser der Funktion, nichts mehr gemeinsam.
MfG Peter(TOO)
Ergänzung
Hallo,
sehr schöne Ausführungen.
Ergänzend möchte ich dazu folgendes bemerken:
Viele Bauelemente werden in ein und dem gleichen Prozess
hergestellt, und dann nur durch Selektion den Temperaturklassen
zugeordnet.
Beim Ausmessen können wegen unverlmeidbarer Toleranzen in der
Fertigung Streuungen bei verschiedenen Parametern auftreten.
Dementsprechend werden die BE in die Klassen einsortiert, so daß
die spezifizierten Parameter noch stimmen.
Z.B. kann ein OPV im Bereich 0-70° bei Offset, Drift, Leckstrom
noch gut sein, aber bei 70°C aus der Spec. fallen.
Es kann auch sein, daß wegen höher angesetzten Verlustleistung
der Einsatztemp. nach oben begrenzt wird (z.B. mit max 1A bis 125°C
aber mit max. 2A nur noch bis 70°C (z.B. Regler, Widerstände).
Ich habe auch den Eindruck, daß manche Hersteller aus Preisgründen
die BE nur im Bereich 0…70°C oder -25…85°C anbieten. Der
höhere Aufwand für MIL ist nicht immer wirtschaftlich.
Gruß Uwi
Was unterscheidet diese ICs innerlich voneinander? Sind das
unterschiedliche Herstellungsverfahren, wenn ja, im Silizium
und/oder Gehäuse? Werden die wohlmöglich nur selektiert
(„Diese Charge ist gut genug für MIL“)? Kann ich mir nicht
denken. Früher gab’s wenigstens noch Keramikgehäuse, da war’s
plausibel.Nach oben begrenzt Silizium zusammen mit dem
Ditierungsmaterial die Temperatur auf 175°C bis maximal 200°C.
Allerdings ist das die maximale mögliche Temperatur der
Halbleiters, man darf keinesfalls vergessen, dass so ein
Halbleiter ja im Betrieb selbst Wärme erzeugt.Nach unten gibt es dann mal Probleme mit der Supraleitung,
aber das müsste erst unterhalb einiger Kelvin der Fall sein.
Bis 70K kenne ich keine grundsätzlichen Probleme.Die Hauptprobleme beim Temperaturbereich sind mechanischer
Natur. Da die verwendeten Materialien unterschiedliche
Ausdehnungs-Koeffizienten haben, kommt es zu mechanischen
Spannungungen. Meist werden dabei die Bonddrähte abgerissen
(Besonders K-Stoffgehäuse, weil hier die Bonddrähte mit
eingegossen sind). Beim Keramik-Gehäuse sind die BOnddrähte
nicht vergossen, können sich also frei bewegen.
Es gibt beim K-Stoff-Gehäuse die Möglichkeit die Bonddrähte
zuerst in Silikongummi einzubetten und erst danach den harten
K-Stoff fürs Gehäuse zu umspritzen.
Einer der wichtigsten Stress-Test ist das durchlaufen von
Temperatur-Zyklen, zwischen den maximalen zulässigen
Temperaturen. C-Typen fallen da schon im Bereich von 100
Zyklen aus.Ein weiteres Problem ist das Aluminium, welches für die
Leiterbahnen auf dem Chip verwendet wird. Sein
Ausdehnungkoeffizient unterscheidet sich beträchlich von
Silizium. Die gab z.B. (IMHO) bei den ersten 64KiBit-RAMs
Probleme. Nach der Herstellung bestanden sie alle Test, aber
nach 3 bis 6 Monaten im Lager war ein grosser Teil defekt. Die
Ursache waren die kleineren Strukturgrössen bei denen die
Zugspannung im ALU zu gross wurden und die Leiterbahnen
einfach risssen. Durch andere Verfahren (sputtern) beim
Aufbringen des ALUs und andere Temperaturprofile beim Abkühlen
hat man das heute im Griff.Ein anderes Problem bei der Temperatur sind nach oben hin die
Leckströme, welche mit der Temperatur zunehmen. Deshalb haben
MIL-Typen oft eine höhere Stromaufnahme, weil man mit
kleineren Widerständen in der Schaltung arbeitet.Ein weiters Problem ist bei bipolarer Technik die
Schwellwertspannung, bzw. dessen Temperaturkoeffizient von ca.
-2.5mV/K. Bei Raumtemperatur, leitet eine Si-Diode ab etwa
0.6-0.7V. Bei -75°C liegt diese Spannung um 0.25V höher.
Dies macht Teilweise eine andere Dimensionierung oder andere
Toleranzen für MIL-Typen nötig. Manchmal muss auch das
Schaltungskonzept etwas verändert werden.Oft werden MIL-Typen auch mit grösseren Strukturgrössen
gefertigt, bzw. es ist kein Die-Shrink, wie bei den C-Typen,
möglich. Die grösseren Strukturen sind zwar langsamer, bzw.
haben einen grösseren Stromverbrauch, sind aber gleichzeitig
etwas weniger anfällig gegen ESD und besonders auch gegen
ionisierende Strahlung. Allerdings gibt es auch spezielle
Herstellungs-Verfahren für MIL-Typen um sie zu „härten“, also
gegen ionisierende Strahlung beständig zu machen. Diese
Ausführungen haben dann aber mit den C-Typen, ausser der
Funktion, nichts mehr gemeinsam.MfG Peter(TOO)
Hallo Uwe,
ich antworte nur für Bauteile, die es für verschiedene Temperaturbereiche gibt. Es gibt u. a. auch ICs für Temperaturen über 200 Grad Celsius: ich denke es ist klar, dass die anders sind als die große Masse an „Standard“-Silizium-ICs:
das Silizium ist gleich, die Bauteile werden in der Tat selektiert.
Manche Hersteller bringen ihre Bauteile zuerst nur für -40/85 auf den Markt, wenn sie nicht schon einen großen Kunden für -40/125 haben.
Es lohnt es sich immer nachzufragen, wenn -40/125 benötigt wird, im Datenblatt usw. aber nur -40/85 zu finden ist, denn die Hersteller schieben den erweiterten Temperaturbereich manchmal noch nach, wenn das Produkt schon verfügbar ist.
Falls ein Kunde ein lukratives Volumen garantiert, wird die Qualification für -40/125 auch nachgeholt, wenn das (noch) nicht geplant war. Automotive-Kunden tun sich da recht leicht.
Wie Peter(TOO) unten sagte, ist das Packaging kritisch, weshalb in der Qualification extensiv getestet wird. Aber (fast) jedes Bauteil hat auch einen oder mehrere kritische elektrische Parameter, die über Temperatur und Lebensdauer davon driften können. Für dieses Verhalten gibt es den High Temperature Operating Life Test: 1000 Stunden Dauerbetrieb bei 125 Grad Celsius.
Ich habe schon einige Bauteile gesehen, bei denen Parameter zwischen 80 und 125 Grad Celsius um ein Vielfaches dessen gedriftet sind, als zwischen -40 und 80 Grad Celsius. Der erweiterte Temperaturbereich ist schon mit einem gewissen Mehraufwand und Risiko für die Hersteller verbunden.
Unterschiedliche Temperaturbereiche werden bei manchen Bauteilen über unterschiedliche Gehäuse realisiert. Genügt für -40/85 beispielsweise ein SO8, so kann -40/125 mit einem anderen Gehäuse, das einen besseren thermischen Widerstand besitzt und die Wärme vom Silizium besser in die Umgebung ableitet, erreicht werden. Durch die bessere Wärmeableitung überhitzt das Bauteil auch bei der höheren Umgebungstemperatur nicht (bei Spannungsreglern habe ich das schon gesehen).
Deine Audioprojekte sind sehr interessant.
V.
Hallo Uwi,
Ich habe auch den Eindruck, daß manche Hersteller aus
Preisgründen
die BE nur im Bereich 0…70°C oder -25…85°C anbieten. Der
höhere Aufwand für MIL ist nicht immer wirtschaftlich.
Da gibt es noch ganz andere Hürden:
Auch wenn du ein BE nach MIL-xxx herstellst, kannst du es noch lange nicht verkaufen. Du brauchst noch eine Zulassung von den entsprechenden Behörden usw. jede Menge Zertifikate, überprüfung durch unabhängige Institutionen und was da noch alles an Papierkrieg erfunden wurde. Das kostet alles nocheinmal zusätzliches Geld.
Dann kommt noch der ganze politische Kram hinzu, du stehst dann noch zusätzlich unter Aufsicht, damit du, auch nicht über Schleichwege, irgend etwas an die falschen Länder verkaufst …
Zudem kenne ich eine Japanische Firma, welche es aus moralischen Gründen ablehnt an das Militär zu liefern. Wenn schon nur der Temperatur-Bereich nach MIL aussieht, bekommst du schon keine Antwort auf eine Anfrage. Es ist dann gar nicht so einfach, die zu überzeugen, dass du die -70°C benötigst, weil es sich um ein Wettergerät handelt, welches im Hochgebirge verwendet wird.
Technisch haben die keine Probleme mit dem Temperaturbereich. Wenn du sie überzeugen kannst, bekommst du das Zeugs praktisch von der Stange !!
MfG Peter(TOO)