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Abbiamo detto che il calore viene generato nei punti di resistenza del semiconduttore, che sono concentrati nell' area del chip di silicio e a cui diamo il nome generico di "giunzione", sia che si tratti di un transistor BJT, che di un MOSFET o di un circuito complesso.

Possiamo considerare la temperatura di giunzione come la la temperatura reale semiconduttore; la temperatura che misuriamo sulla superficie del componente risulterà minore di quella della giunzione a causa della resistenza termica del materiale del package, che si oppone al passaggio del calore.

Siccome la temperatura è l' indicatore della quantità di calore/energia termica accumulata nel materiale, un aumento di temperatura rispetto a quella ambientale indicherà che in quel punto esiste una sorgente che trasforma altra energia in calore; e quanto maggiore sarà questa temperatura, tanto maggiore sarà la quantità di energia trasformata e accumulata nel corpo.

Attenzione: non della quantità di energia in assoluto, ma di quella che il corpo non è in grado di cedere all' ambiente. E questo dipende dalla resistenza termica tra il punto caldo e l' ambiente, dipendente a sua volta dalle caratteristiche del materiale, dalla sua superficie, ecc.

Se consideriamo come il chip abbi dimensioni di alcuni millimetri cubi o meno, ci si può rendere conto che la quantità di energia sufficiente ad elevarne significativamente la temperatura non è certamente molto grande.

Anche un circuito complesso ha dimensioni minime. Nella foto a lato, un completo circuito integrato fotonico (PIC) di JDSU per sistemi di trasmissione dati, che integra un laser regolabile e un modulatore Mach-Zehnder ottico, realizzato su una singola base di fosfuro di indio, confrontato con un dito!

Come tutti i materiali, anche per quelli utilizzati nella realizzazione dei semiconduttori, ad una certa temperatura, iniziano dei processi di fusione che danneggiano irrimediabilmente la delicata struttura del componente.Questi processi di fusione sono attivi a partire da una temperatura superiore ai 200°C. In effetti il silicio ha un punto di fusione oltre i 1400°C, ma si deve tenere presente che non si tratta di materiale grezzo, ma finemente lavorato.

A lato, un forte ingrandimento di una struttura a 22 nm dei nuovi processori di Intel. 22 nm vuol dire 22 miliardesimi di metro o 22 milionesimi di millimetro.

E' chiaro che in elementi di dimensioni così microscopiche, per creare sovra riscaldamenti distruttivi bastano quantità di energia che sarebbero trascurabili in altri casi. Va anche considerato che, anche se il silicio può resistere, temperature elevate distruggeranno il componete a causa della sua complessità, dato che il chip, i micro fili di interconnessione con i pin, la resina epossidica del package hanno fattori di espansione diversi. Per queste ed altre ragioni, nel campo militare e aero spaziale, dove occorre la massima affidabilità, i packages dei semiconduttori sono spesso in materiale ceramico e non plastico.

La temperatura di giunzione è, in sostanza, limitata dal rapporto tra temperatura di funzionamento del semiconduttore, caratteristiche dei materiali che lo compongono e l'aspettativa di vita. Aspettativa di vita che, secondo alcuni studi, si dimezza per ogni aumento di 5 o 10°C della temperatura.
Questo è valido anche per altri componenti diversi da transistor e circuiti integrati. Ad esempio i LED, sopratutto quelli per illuminazione che lavorano con correnti elevate, che se sono incorrettamente ritenuti emettitori di luce senza calore, hanno stretta necessità di non superare una certa temperatura del chip e, in ogni caso, un lavoro ad alte temperature fa decadere più rapidamente le caratteristiche confrontato con un lavoro a temperature inferiori; l' aggiunta di un dissipatore di calore diventa indispensabile. Uguale criterio vale per resistenze, diodi, condensatori e anche per conduttori e circuiti stampati, dove il calore ha come effetto principale il degradarsi degli isolanti; o in morsettiere, saldature, dove il funzionamento prolungato a temperature elevate, se non danneggia direttamente il contatto, ne riduce l' affidabilità.

Una rottura della giunzione si verifica quando un eccessivo flusso di corrente crea una eccessivo aumento della temperatura di giunzione, sufficiente a distruggerla con il calore.

Questa è l' immagine di un transistor BJT in cui la giunzione è stata danneggiata da un sovra riscaldamento nell' area della base e dell' emettitore (macchie più scure). Questa situazione è conseguenza di un EOS - Electrical OverStress, ovvero una sovratensione o sovra corrente di durata superiore a 100 ns - 1 ms.
E' tipicamente differenziata dall' effetto di sovra tensioni elettrostatiche (ESD), che hanno solitamente una durata breve (da 1 nanosecondo a 1 microsecondo) ed è principalmente un problema che non dipende dal funzionamento del semiconduttore.

Gli eventi che possono portare a danni EOS includono picchi di tensione o di corrente (sovra potenza), dovuti a corto circuiti o sovraccarichi, mancanza del corretto raffreddamento, ecc. Dato che il chip non è una massa uniforma, ma un prodotto complesso, il riscaldamento del silicio è irregolare: questo può causare sovra temperatura in un' area anche piccola della giunzione, provocando una diminuzione della sua resistività ed innescando un rundown termico. Da notare che, a seguito di una sovra temperatura, il silicio diminuisce la sua la conduttività termica, accrescendo l' effetto del danno.

Dove non si creano aree di vera fusione, si possono provocare comunque alterazioni delle geometrie del circuito integrato, che ne rendono il funzionamento instabile o difettoso o, nei transistor, tipicamente abbattono il guadagno. Ancora più problematica e' la situazione di integrati complessi, in cui si possono verificare danni ad alcune parti, impedendone il funzionamento.
Ad esempio, nell' immagine a lato, una resistenza danneggiata dal calore in un chip complesso (Bill Morrow, MEFAS Inc, Lake Forest, California, USA, dal Photo contest 2006 di EDFAS).

Anche se consideriamo che il chip possa arrivare a temperature di 300°C, questo può essere possibile solamente per tempi brevi. e per brevi si intendono, come visto sopra, non ore, ma secondi o frazioni di secondo, in dipendenza della quantità di energia applicata rispetto alla massa del semiconduttore.
Dovrebbe essere ovvio che si debbano fissare limiti ben precisi di temperatura per il chip, limiti che non devono essere superati.

A questo fine, il costruttore del componente dichiara nel foglio dati una temperatura massima per la giunzione, T_jmax. Solitamente si tratta di valori che vanno da 125 a 200°C. Come va inteso questo ?
Si tratta certamente di un punto estremo che è limite del funzionamento; è normale, però, che un costruttore serio mantenga in tutti i suoi valori massimi dichiarati un certo margine di sicurezza, anche perchè si tratta di prodotti di grande serie, dove le caratteristiche sono valutate in modo statistico.
Quindi, un approccio formale è quello di considerare il dato della temperatura massima come quello da utilizzare per i calcoli delle potenze e delle temperature.

Risulta quindi una idea di buon senso quella di considerare, come peraltro si fa per la tensione o la corrente massima, un margine di sicurezza. Questo potrebbe essere una riduzione di 20°C, come consiglia un costruttore di dispositivi di raffreddamento come Fischer Elektronik, oppure a valori maggiori, come un 20% del valore massimo consigliato da altri. Questa operazione, denominata in inglese derating imposto (e che sarà dettagliata più avanti) è una prassi che potrebbe essere conveniente adottare, sia per parare ogni possibile variazione dei dati reali rispetto a quelli utilizzati per i calcoli, sia nell' ottica di realizzare prodotti più freddi e quindi meno critici da utilizzare e dai quali si aspetta una vita più lunga, sopratutto se quella data dissipazione di energia in calore è parte del funzionamento ordinario.

Non c'è, però, alcun pregiudizio logico nell' utilizzare i valori massimi della temperatura di giunzione in sistemi che lavorano normalmente al di sotto della potenza massima, che posso raggiungere solo per periodi brevi e saltuari. In questi casi il calcolo a temperatura massima mette al riparo rischio immediato, anche se sarà opportuno inserire qualche sistema di emergenza per la sovra temperatura.

In questo senso va notato che alcuni componenti che possono incorrere saltuariamente in condizioni di funzionamento estreme vengono integrati dai progettisti dei sistemi di controllo della temperatura e di blocco delle funzioni nel caso di supero dei massimi.

A lato, un termostato AIRPAX in TO-220, adatto ad essere fissato sul dissipatore assieme ai componenti di cui deve controllare la temperatura massima.

Per contro, progettazioni di sicurezza, abbattono, nel calcolo, anche del 40-50% la temperatura di giunzione. Questo porta come conseguenza la necessità di sistemi di raffreddamento più complessi (e più costosi) o la necessità di sostituire un componente o uno schema con un' altro "meno caldo", col vantaggio, però, di avere sistemi più freddi e più affidabili.

Dissipare il calore

La temperatura della giunzione