Podręcznik

Ze wszystkich znanych rodzajów układów scalonych układy CMOS są najbardziej oszczędne, jeśli chodzi o pobór mocy. Jest to zresztą jedna z przyczyn, dla których wyparły one niemal całkowicie inne rodzaje układów. Przed 40 laty, gdy cyfrowe układy CMOS były nowością, ich częstotliwości pracy nie przekraczały pojedynczych MHz, liczba elementów w układzie nie przekraczała kilku tysięcy, a analogowych układów CMOS nie było w ogóle, ilość ciepła wydzielająca się w pracujących układach była znikoma. W miarę rozwoju technologii wzrastała częstotliwość pracy układów oraz gęstość upakowania elementów, i problem odprowadzania wydzielającego się ciepła stawał się coraz poważniejszy. Jak już wiemy, dziś jest to bariera uniemożliwiająca dalszy wzrost częstotliwości pracy układów cyfrowych.

Pracujący układ scalony musi być chłodzony w taki sposób, aby nie została przekroczona jego maksymalna dopuszczalna temperatura pracy. Temperatura ta jest określona na takim poziomie, aby zapewnić układowi wymaganą trwałość i niezawodność. Krótkotrwałe i niewielkie przekroczenie dopuszczalnej temperatury zwykle nie powoduje natychmiastowego uszkodzenia, natomiast jeśli przekroczenie jest duże i długotrwałe lub często się powtarza, czas bezawaryjnej pracy układu ulega znacznemu skróceniu.

Zjawiskami, które najczęściej wywołują uszkodzenia pracujących układów, są:

• elektromigracja powodująca uszkodzenia połączeń,
• defekty w płytce półprzewodnikowej i uszkodzenia płytki powstające w wyniku naprężeń mechanicznych,
• degradacja jakości tlenku bramkowego wywołana nośnikami ładunku o wysokiej energii (zwanymi „gorącymi nośnikami”).

Uszkodzenia (upływności, korozja) mogą też być powodowane przedostawaniem się zanieczyszczeń i wilgoci przez nieszczelne obudowy układów.

Elektromigracja polega na tym, że przy dużej gęstości prądu w ścieżkach połączeń ukierunkowany ruch elektronów powoduje wybijanie niektórych atomów metalu z ich położeń i transport w inne miejsce. W rezultacie w miejscach, gdzie występuję zwiększona gęstość prądu (np. przewężenia ścieżki), ścieżka powoli staje się coraz cieńsza i w końcu następuje przerwanie połączenia.

Naprężenia mechaniczne występują w wyniku różnicy rozszerzalności cieplnej krzemu i materiałów z nim połączonych w obudowie układu. Powodują powstawanie defektów sieci krystalicznej półprzewodnika, a w skrajnym przypadku mogą doprowadzić do pęknięcia płytki krzemowej.

Degradacja jakości tlenku bramkowego była już wspominana przy okazji omawiania pamięci nieulotnych typu flash (część III, punkt 4.2.6 . Zjawisko to dotyczy jednak, choć w mniejszym stopniu, także wszystkich innych tranzystorów w układach CMOS. Prowadzi do zmian wartości napięcia progowego, co zmienia parametry układu, a może też spowodować jego całkowitą niesprawność.

Wszystkie te mechanizmy powstawania uszkodzeń nasilają się przy wzroście temperatury, przy czym zależności od temperatury są bardzo silne. Zależność częstości występowania uszkodzeń od temperatury ma charakter wykładniczy. 

Maksymalne dopuszczalne temperatury pracy wynoszą od 75^oC do 180^oC. Najniższe są dopuszczalne temperatury pracy układów montowanych w obudowach z tworzywa sztucznego. Obudowy te nie są zbyt szczelne, a współczynniki rozszerzalności cieplnej tworzyw różnią się znacznie od rozszerzalności metali i półprzewodnika, co powoduje naprężenia mechaniczne przy zmianach temperatury i przyczynia się do wzrostu częstości uszkodzeń. Wyższe dopuszczalne temperatury pracy mają układy w obudowach ceramicznych. Wysoka maksymalna temperatura pracy musi być brana pod uwagę już w czasie projektowania układu. Przykładowo, im wyższa temperatura pracy, tym mniejsza dopuszczalna gęstość prądu w ścieżkach połączeń, a więc ścieżki muszą mieć odpowiednio większe szerokości.