ในโลกอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก ภายในของไมโครชิปหรือ ทรานซิสเตอร์ที่เราไม่สามารถมองเห็นโครงสร้างภายในได้ การจัดการกับความร้อน ที่มีอย่างต่อเนื่องจะเป็นตัวกำหนดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ แม้ว่าผู้ใช้งาน จะประหลาดใจกับความเร็วในการประมวลผลและคุณสมบัติต่างๆ แต่ปัจจัยสำคัญ ที่สุดที่กำหนดว่า ส่วนประกอบใดจะใช้งานได้นานหลายทศวรรษ หรือ เสียหาย ก่อนกำหนดนั้นคือ อุณหภูมิในขณะทำงาน นอกจากนี้ หัวใจสำคัญในการ ท้าทายต่อการจัดการความร้อนครั้งนี้ คือ พารามิเตอร์หลักที่เรียกว่า อุณหภูมิบริเวณรอยต่อ (Tj :Junction Temperature) ซึ่งเป็นตัวชี้วัดที่มองไม่เห็น และมักถูกมองข้าม เปรียบเสมือนการระบุความสามารถของสารกึ่งตัวนำที่จะ ทนทานต่อการใช้งานได้มากน้อยเท่าใดในอนาคตของเซมิคอนดักเตอร์ยุคปัจจุบัน

อุณหภูมิบริเวณต่อ (Junction Temperature)  คืออะไร?

เพื่อให้เข้าใจมากขึ้น "บริเวณรอยต่อ" หมายถึง บริเวณที่มีการเคลื่อนไหว ในระดับจุลภาคอย่าง P-N Junction ภายในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เช่น ทรานซิสเตอร์ของ CPU, แกนกลางของ GPU หรือ MOSFET กำลังไฟฟ้า ซึ่งเป็น บริเวณที่อิเล็กตรอนไหลผ่าน คำนวณหรือสลับกำลังไฟฟ้าเกิดขึ้น ภายในบริเวณนี้ จะมีขนาดเล็กมากแต่สามารถบรรจุทรานซิสเตอร์ได้หลายพันล้านตัว

เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านรอยต่อจะเกิดความต้านทานทำให้เกิดความร้อน ปรากฏการณ์นี้เป็นผลที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ทางฟิสิกส์ ดังนั้น อุณหภูมิบริเวณรอยต่อจึง เป็นอุณหภูมิจริงแบบเรียลไทม์ของซิลิคอนที่มีการเคลื่อนไหวนี้ โดยร้อนมากกว่า อุณหภูมิเคส (Tc) ที่วัดได้จากภายนอกชิป และร้อนกว่าอุณหภูมิอากาศแวดล้อม (Ta) ในห้อง ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิเหล่านี้ถูกควบคุมโดยความต้านทานความร้อน (θ) ซึ่งเป็นการวัดประสิทธิภาพของความร้อน ที่เดินทางจากบริเวณรอยต่อไปยัง อุณหภูมิภายนอก

กลไกการเสื่อมสภาพจากความร้อน

กรณีทั่วไป อุณหภูมิบริเวณรอยต่อสูงไม่ได้ก่อให้เกิดความเสียหาย ร้ายแรงในทันที แต่กลายเป็นตัวการที่ทำให้เกิดการเสื่อมสภาพอย่างช้าๆ ที่แฝงตัวอยู่ เร่งกลไกความล้มเหลวทางกายภาพและทางเคมีที่สัมพันธ์ ระหว่างอุณหภูมิ  อัตรากลไกของความล้มเหลวเหล่านี้มักถูกอธิบายด้วย สมการอาร์เรเนียส กล่าวคือทุก 10°C ของอุณหภูมิบริเวณรอยต่อที่เพิ่มขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี และอัตราการเสื่อมสภาพจะเพิ่มขึ้นราวสองเท่า เรียกว่า "กฎ 10°C" โดยกลไกหลักการเสื่อมสภาพเบื้องต้นที่ถูกเร่งโดยค่า Tj ที่สูงขึ้นมีส่วนประกอบดังนี้

1.การเคลื่อนตัวของกระแสไฟฟ้า (Electromigration)

บริเวณรอยต่อของโลหะที่ซับซ้อน ("สายไฟ" บนชิป) ที่เชื่อมต่อทรานซิสเตอร์ ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่สูง รวมถึงอุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้อะตอมของโลหะ เคลื่อนตัวไปอย่างเชื่องช้า เมื่อเวลาผ่านไป สิ่งนี้จะสร้างช่องว่างขนาดเล็ก (นำไปสู่วงจรเปิด CIRCUIT) และการเกิดไฟฟ้าลัดวงจรในที่สุด เมื่อ Tj เพิ่มขึ้น อะตอมจะสั่นสะเทือนรุนแรงมากขึ้น ทำให้อะตอมไวต่อการถูก "เตะ" ผ่านการไหล ของอิเล็กตรอนมากขึ้น ส่งผลให้เร่งเกิดกระบวนการนี้มากยิ่งขึ้น

2. การพังทลายของไดอิเล็กตริกที่ขึ้นอยู่กับเวลา (TDDB: Time-Dependent Dielectric Breakdown)

เกตออกไซด์ ชั้นฉนวนบางพิเศษที่ควบคุมทรานซิสเตอร์ มีความเปราะ บางเป็นพิเศษ การสัมผัสกับสนามไฟฟ้าและอุณหภูมิสูงเป็นเวลานานทำให้ออกไซด์ อ่อนตัวลงจนเกิดหลุมหรือข้อบกพร่อง จนในที่สุดเส้นทางนำไฟฟ้าสามารถผ่าน ออกไซด์ได้ ทำให้ออกไซด์สลายตัวถาวร และทรานซิสเตอร์ใช้งานไม่ได้  Tj ที่สูงขึ้น จึงส่งผลให้การสลายนี้เกิดขึ้นได้เร็วขึ้น

3. ความล้าทางเทอร์โม-เมคานิคัล (Thermo-Mechanical Fatigue)

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ประกอบด้วยวัสดุหลายชนิดได้แก่ ซิลิคอน ตะกั่วบัดกรี ทองแดง และพลาสติก แต่ละชนิดมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัว ทางความร้อน (CTE) แตกต่างกัน เมื่ออุณหภูมิของรอยต่อเปลี่ยนแปลง ระหว่างรอบการจ่ายไฟ (เปิด/ปิด, โหลด/เดินเบา) วัสดุเหล่านี้จะขยายตัว และหดตัวในอัตราที่ต่างกัน การผลักและดึงอย่างต่อเนื่องจึงทำให้เกิดความเค้น นำไปสู่การแตกร้าวของแม่พิมพ์ซิลิคอน การหลุดลอกของชั้น หรือ ความเสียหาย ของรอยบัดกรีที่เชื่อมต่อแม่พิมพ์เข้ากับบรรจุภัณฑ์ ค่า Tj (การแกว่งของอุณหภูมิ) ที่สูงขึ้นจึงทำให้ความล้านี้รุนแรงยิ่งขึ้น

4. การแตกร้าวที่ส้นลวดที่เชื่อมต่อกัน (Bond Wire Heel Cracking)

ลวดเส้นเล็กที่เชื่อมต่อซิลิคอนกับขาภายนอกจะได้รับความเค้นทางเทอร์โม- เมคานิคัลที่คล้ายคลึงกัน การเชื่อมวนซ้ำๆ กัน อาจทำให้เกิดรอยแตกร้าวที่บริเวณ ต่อ ซึ่งในที่สุดนำไปสู่ความเสียหายเป็นระยะๆ หรือเกิดความเสียหายโดยรวมมากขึ้น

สรุป

อุณหภูมิบริเวณต่อเป็นมากกว่าพารามิเตอร์ในแผ่นข้อมูลจำเพาะ (Data Sheet) เพราะมันเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของอุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ มันคือตัวเร่งความเร็วที่มองไม่เห็นแต่มีผลต่อประสิทธิภาพ การทำงาน และมีผลต่ออายุการใช้งาน การเข้าใจผลกระทบอย่างถ่องแท้เมื่อบริเวณ รอยต่อมีอุณหภูมิสูงขึ้นแล้วจะส่งผลต่อกลไกทางฟิสิกส์พื้นฐานของสารกึ่งตัวนำ จึงเป็นเรื่องจำเป็น วิศวกรต้องสามารถออกแบบระบบให้ดียิ่งขึ้น และผู้ใช้สามารถ ตัดสินใจเลือกใช้ได้อย่างชาญฉลาด การเอาชนะอุณหภูมิบริเวณต่อไม่ได้เป็น เพียงความท้าทายทางวิศวกรรมเท่านั้น แต่เป็นกุญแจสำคัญในการสร้างความ น่าเชื่อถือ และสร้างความมั่นใจว่าเทคโนโลยีของเราจะคงอยู่ต่อไปได้นานเท่าใด