Invecchiamento del silicio

[brabus]

Buongiorno a tutti,

Sto riparando un vecchio amplificatore con transistor al Germanio, e notavo che nonostante l´etá suona ancora benone.

OK, tutti abbiamo sentito dai nostri nonni le storie sull´invecchiamento degli elettrolitici, sulla delaminazione delle resistenze al carbone, sugli effetti dell´umidità sulla bachelite e quant´altro.
Ricordo anche innumerevoli disquisizioni sull´invecchiamento del silicio. All´Università la faccenda non è mai stata chiarita fino in fondo, giravano le solite chiacchiere da Quattroruote sul fenomeno dell´elettromigrazione nelle CPU per computer e sulla necessità di lasciar lavorare gli amplificatori audio per qualche centinaio di ore prima di ascoltarli, così da dare al silicio il tempo di "assestarsi" (sic!).

Non ho mai creduto a queste corbellerie. OK per il passivame, ma sull´invecchiamento del silicio nutro seri dubbi.

Qualcuno di voi possiede del materiale in merito? Sono particolarmente interessato ai fenomeni relativi ai dispositivi di potenza, ma sono altrettanto curioso di sapere come funziona per i componenti di segnale.
Quanto può vivere un BC237, trattato bene? E un diodo 1N4148?

Grazie!

[claudiocedrone]

Rispondo con quanto so io, poi magari IsidoroKZ e altri esperti potranno in caso correggere... gli elettroltici si rovinano non invecchiando (sempre se "trattati bene" ) tout court ma invecchiando senza essere usati (tanto è vero che se non sono proprio "andati" si possono rigenerare), i resistori si rovinano per surriscaldamento più che per l'uso, per quanto riguarda il silicio non ha bisogno di alcun "rodaggio" ne tantomeno si "esaurisce" (un po' di rodaggio devono farlo i tubi termoelettronici di potenza ma solo per finire di degassificarsi, il resto sono favole da audiofili !), diverso è il caso per es. dei LED perché... non sono dispositivi al silicio.

[brabus]

Danke claudiocedrone!

Sono molto curioso di approfondire questo argomento:

diverso è il caso per es. dei LED perché... non sono dispositivi al silicio.

Intendi dire che i LED hanno bisogno di un certo periodo di tempo per "assestare" la propria struttura interna? Quali fenomeni sono coinvolti in questo processo? Parliamo di LED tradizionali (rossi, verdi) oppure di cose un po´più spinte, come i LED bianchi al fosforo?

Grazie!

Ad ogni modo insisto con la mia curiosità atavica sul silicio: quanto può vivere un BC237? Bella domanda eh...

[Utdis1]

Non ho materiale in merito ma ricordo del problema legato alla "diffusione lenta" dei droganti legati alla temperatura di lavoro del dispositivo.
Far lavorare un transistor (o altro) a temperature relativamente alte comporta un invecchiamento precoce, dovuto ad un fenomeno analogo a quello della diffusione in fase di produzione, solo molto più lento per le temperature molto più basse.
Non so se fosse quello che cercavi comunque è quello che ricordo.

[claudiocedrone]

No ! No ! E' il contrario ! I LED si "consumano" e più rapidamente se "tirati per il collo" ma non hanno bisogno di alcun rodaggio ! Per quanto riguarda i dispositivi al silicio... vita eterna (sicuramente più della nostra ! ) P. s. E' chiaro che qualsiasi componente va "trattato bene", se si fa lavorare un transistor facendolo surriscaldare è chiaro che schiatta

[Utdis1]

Invecchiamento precoce più che altro significa che cambiano le curve caratteristiche di quel dispositivo che non vuol dire necessariamente che schiatti. Magari non va più bene per il progetto in cui era stato previsto con le caratteristiche originali a cui non corrisponde più.

[claudiocedrone]

Ma su questo sono pienamente d'accordo, daltronde è la fisica del dispositivo a dirlo, ma quando si progetta, realizza, e usa un circuito occorre fare in modo da dimensionarlo, costruirlo e usarlo senza che i componenti si surriscaldino, lavorino al limite, subiscano sovratensioni e sovracorrenti, si inumidiscano, si corrodano etc. etc. etc.; è questo ciò che intendevo. Ed è ciò che intendeva anche (credo) brabus con "trattato bene", o no P.s. a scanso di equivoci; con "No ! No ! E' il contrario !" Rispondevo alla domanda di brabus sui LED; il mio post nel frattempo è stato scavalcato da quello di Utdis1.

[Utdis1]

Concordo perfettamente pure io.
Quello che intendevo è che l'invecchiamento è direttamente proporzionale alla temperatura di esercizio del componente ed alcuni componenti (cpu, Power MOS, etc) sono quasi obbligati in varie situazioni a lavorare a temperature relativamente alte.
Poi ovviamente quello che conta è la temperatura del wafer interno che è più alta del case per la resistenza termica dello stesso. Comunque il buon progetto ovviamente è fondamentale.

[Lelettrico]

si Utdis1, decisamente un buon progetto e' fondamentale.
Per approfondire ti consiglierei brabus la lettura del pdf sottolinkato. La trattazione e' semplificata, e alla fine ci sono dei riferimenti secondo me molto utili.
In genere si parla di npti e di pbti (Negative/Positive Bias Temperature Instability) e di HCI (hot carrier injection) e con opportuni modelli si possono fare previsioni accurate sulla longevita' del dispositivo.
Investigation of NBTI/PBTI impact on Nano-Scale SRAM Life Timeand Self Adaptive NBTI/PBTI Resilient SRAM Design
Cercando su google i termini sopradetti dovresti trovare qualcosa di free, mannaggia vuole che le cose piu interessanti siano su IEEE e quindi serve una sottoscrizione per poterle consultare

[DoeM]

Ricordo anche innumerevoli disquisizioni sull´invecchiamento del silicio. All´Università la faccenda non è mai stata chiarita fino in fondo, giravano le solite chiacchiere da Quattroruote sul fenomeno dell´elettromigrazione nelle CPU per computer e sulla necessità di lasciar lavorare gli amplificatori audio per qualche centinaio di ore prima di ascoltarli, così da dare al silicio il tempo di "assestarsi" (sic!).

Non ho mai creduto a queste corbellerie. OK per il passivame, ma sull´invecchiamento del silicio nutro seri dubbi.

Non capisco, cosa c'è da "non credere" riguardo a fenomeni fisici tipo l'elettromigrazione?
Innanzitutto mi sembra che tu stia confondendo due discorsi completamente diversi, cioè 1) il problema dell'elettromigrazione nei componenti digitali VLSI/ULSI e 2) le solite sparate da audiofili, tipo il famigerato burn-in.
Cominciamo dalla seconda questione, che è sicuramente quella più facile da affrontare: in due parole, non esiste alcuna comprovata necessità di un burn-in (cioè un primo periodo di funzionamento di qualche centinaio di ore) prima che i componenti a stato solido raggiungano le massime prestazione, o comunque una situazione di maggior stabilità (cfr. http://www.theaudiocritic.com/downloads/article_1.pdf, punto 6).
Per quanto riguarda la seconda questione, innanzitutto l'elettromigrazione non c'entra nulla o quasi col silicio. L'elettromigrazione è un fenomeno che riguarda le interconnessioni, quindi in generale alluminio o rame, a seconda del processo tecnologico. Essa è un fenomeno di trasporto di ioni all'interno del conduttore o verso gli strati adiacenti, che dipende molto dalla struttura del materiale stesso (in particolare dalla forma dei bordi di grano), dal tipo di materiale e dagli strati vicini. In generale, comunque, il problema si manifesta con l'asporto o l'accumulo di materiale conduttivo in certi punti delle interconnessioni, il che provoca cortocircuiti verso altre piste, oppure circuiti aperti. Questo fenomeno è causato dal trasferimento di quantità di moto, a causa degli urti, tra elettroni di conduzione e ioni del reticolo cristallino. Per questo motivo, la velocità di questo processo è legata in particolare alla densità di corrente ed alla temperatura.
Una legge empirica, l'equazione di Black dell'elettromigrazione, rende esplicita la dipendenza dell'MTTF (mean time to failure, tempo medio prima della rottura) da questi fattori.

dove A è una costante empirica, J è la densità di corrente, N un parametro del modello, Q l'energia di attivazione e T la temperatura assoluta. Si noti in particolare che l'MTTF dipende dall'inverso della densità di corrente ed esponenzialmente dalla temperatura.
Essendo, come noto, , se noi scaliamo linearmente di uno stesso fattore k entrambe le dimensioni, si ricava dall'equazione di Black che l'MTTF diminuisce quadraticamente. Questo è il motivo per cui questo effetto è particolarmente deleterio ed evidente in circuiti VLSI, dove le interconnessioni sono forzatamente ridotte alle dimensioni minime; per motivi dimensionali, inoltre, si usa il rame invece dell'alluminio (avendo maggiore conduttività elettrica). Questo però aggrava il problema, in quanto il rame è più soggetto all'elettromigrazione. In ogni caso, guasti di questo tipo sono raramente visibili, in quanto i produttori progettano i propri componenti prevedendo MTTF molto lunghi.
In alcuni dispositivi di potenza questo problema è comunque evidente, perché ci può essere un effetto a catena. Esempio tipico: un'interconnessione viene sottoposta ad esempio ad un livello critico di densità di corrente. A questo punto iniziano a manifestarsi fenomeni di elettromigrazione, che diminuiscono in certi punti lo spessore della traccia. Per questo motivo la sua resistenza aumenta, per cui tende a dissipare ancora di più, la temperatura aumenta ed il processo si aggrava ulteriormente, fino alla rottura della connessione e del dispositivo.