'Silicium onderhevig aan vermoeiing'

Wetenschappers van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology hebben aangetoond dat, ondanks wat tot nu toe werd aangenomen, silicium wel degelijk materiaalvermoeidheid kan vertonen.

Bij vermoeiing bezwijkt een materiaal door een wisselende belasting. Vermoeiing kan al optreden bij een belasting die lager is dan wat het materiaal continu aan zou kunnen. Lange tijd zijn wetenschappers ervan overtuigd geweest dat silicium geen vermoeiingsgedrag zou vertonen en dat werd ondersteund door praktijktests. Wetenschappers van het NIST hebben bij proeven met silicium nu echter toch vermoeiing geconstateerd.

In conventionele tests wordt een kerf gekrast in het materiaal om vervolgens een cyclische kracht op beide uiteinden te zetten, zodat het proefstuk afwisselend wordt uitgerekt en ingedrukt. Deze proeven doorstond silicium altijd met glans, maar praktijkervaringen met MEMS leerden dat silicium door trillingen in kleine tandwielen en assen wel degelijk vermoeide: er traden scheuren op in het materiaal. Er bestaan twee theorieën die de oorzaak van het probleem kunnen verklaren. De ene theorie gaat ervan uit dat wrijving het probleem is en de andere theorie ziet corrosie als de boosdoener.

Wetenschappers van het NIST hebben daarom een nieuwe test bedacht die de vermoeiingseffecten van silicium beter in kaart moet brengen. In hun test werd een bolvormig wolfraamcarbide-stempel met een diameter van 3mm op een siliciumkristal gedrukt. Na enkele dagen was er geen schade te zien, wat de corrosietheorie zou uitsluiten. Vervolgens werd de stempel cyclisch op het materiaal gedrukt en werd de gebruikte kracht gehalveerd. Na 5.000 cycli was er al schade zichtbaar en na 85.000 cycli was het oppervlak zwaar beschadigd.

De wetenschappers denken dat de toevoeging van schuifspanningen in de belasting de oorzaak is van de vermoeiing. In conventionele proeven was deze belasting niet aanwezig, waardoor de siliciumkristallen niet langs elkaar schoven. De onderzoekers willen hun test nu herhalen, maar dan op micrometerniveau. De tot dusver behaalde resultaten zullen in ieder geval al grote gevolgen voor het ontwerp van micro-elektromechanische systemen hebben, omdat vermoeiing voortaan in het ontwerp meegenomen moet worden.

Reacties (21)

[Verwijderd]

ben ik wel benieuwd wat die micro-elektromechanische systemen inhouden; mag aannemen dat silicium in onze trouwe computertjes niet op zo'n manier gestressed wordt

[Verwijderd]

Een imperfectie in een heatspreader kan ook voor stress op een core zorgen hoor. En als die heatspreader vervolgens onder een niet stabiele koeler gezet wordt welke na een aantal maanden gaat resoneren (versleten lager van een fan?) verkort je dus de levensduur van het silicium in de chip.. Beetje vergezocht wellicht maar niet ondenkelijk.

[TERW_DAN]

Mwah, het gaat bij vermoeiiing over een wisselende belasting. Als de heatspreader iets meer drukt op de ene kant dan op de andere kant zal dat niet direct de aanleiding van vermoeiing zijn (tenzij je om de 5 minuten je cpu koeler eraf haalt, dan kan het na een aantal jaren problemen gaan geven, al verwacht ik dat dat eerder ligt aan het feit dat de koeler er ooit eens te hard opgedrukt wordt dan dat het materiaal vermoeid raakt ).

Dus de siliciumchipjes in onze pctjes zijn vrij veilig lijkt me (misschien dat hdds of odds er probs mee kunnen krijgen, gezien daar vooral bewegingen in voorkomen, al denk ik dat we nog op een wat kleinere schaal moeten kijken).

[n4m3l355]

Dwarskrachten in het materiaal ontstaan zoals de naam al aangeeft in de dwarsrichting. Juist de headspreader zou er dan voor moeten zorgen dat deze niet kunnen optreden echter door wisselende temperatuur verschillen zou het mogelijk zijn dat deze toch door vervorming optreden. Je praat dan bij silicium wel over duizenden van milimeters. Al met al zou dit dan ook nog niet zo'n probleem mogen zijn.

[RuddyMysterious]

Als de heatspreader imperfect is, dus niet volledig vlak langs de onderkant, zoals Tasslehoff zegt, is het perfect mogelijk dat de heatspreader dwarskrachten en dus ook schuifspanning uitoefent op het materiaal waarop het rust.

[diederik77]

er worden micromotertjes en dergelijke van silicium gemaakt. Daarmee kun je heel nauwekeurig dingen positioneren.

google maar eens op micro engine, dan vind je heel wat instituten die met dat soort dingen bezig zijn.
Vaak worden er bewegende condensators gebruikt om de boel aan te drijven (als er lading op gezet wordt, worden de platen naar elkaar toe getroken en visa versa). Dat kan heeel snel. Vervolgens wordt die beweging van de condensatorplaten met een microscopisch klein stangetje naar microscopisch kleine tandwieltjes (van silicium) overgebracht. Die kunnen dan als 'versnellingsbak' optreden. Dat alles kan op nanometerschaal.

[theborgnl]

Ik denk dat het dan meer gaat over mechanische dingetjes die bijvoorbeeld een miniscuul spiegeltje kunnen bewegen in een optisch systeem.

[Fietsventje]

Klopt!

Een chip is bijna niet mechanisch belast als je dit vergelijk met MEMS-jes, zoals onder andere de DMD van TI waar jij naar verwijst.

Dit zijn de beeldvormende chips van de DLP-technologie die iedereen wel kent. Daar zitten effectief zeer kleine spiegeltjes in (8 µm groot, ongeveer) die kunnen kantelen, in totaal over 12° in de ene en 12° in de andere richting. Als dit een macroscopische structuur was, uitgevoerd uit metaal, dan kon dit ding nooit overleven omwille van vermoeiing. Deze chips blijken echter extreem betrouwbaar. Ze schakelen zelfs bij een stilstaand beeld duizenden keren per seconde en de chips gaan 10-duizenden uren mee.

Maar: voor CPU's is dit probleem een zeer ver-van-hun-bed show.

[Grrrrrene]

@bazkie_botsauto: Nou, in feite wel een beetje: als je je pc aanzet wordt je processor warm, zet uit, komt onder een hogere spanning van de koeler te staan en als je hem uitzet koelt hij weer af en neemt die spanning weer af. Tussendoor wordt hij bij vlagen heter en koeler door wat je hem laat doen, dus het gebeurt wel degelijk. Of dat een probleem is, is een tweede, want tot nu toe heb ik nog nooit gehoord dat een processor kapot is gegaan aan dat soort thermisch/mechanische effecten

[Reactie gewijzigd door Grrrrrene op 22 juli 2024 22:56]

[Mijzelf]

Hoe weet je dat? Op een dag overlijdt een processor, mogelijk door microbreuken door vermoeiing, mogelijk door iets anders.

[leoBO]

gezien het feit dat je processor niet boven de 70graden C uit zal komen zal bovenstaande voor een processor geen probleem zijn.

de thermische expansie coefficient van silicium is 2.6 µm·m−1·K−1, dit betekent dat een staaf van 1m lang 2,6µm uitrekt als je 1 graad de temperatuur ophoogt.

bij een chip die nogal klein is zal het effect van 20graden C tot 60-70 graden C opwarmen echt te klein zijn om een spanning te geven die tot breuken zal leiden.
als de chip ong. 1 cm bij 1 cm is, dan expandeert je chip per zijde ongeveer 1e-2 * 2.6e-6 * 40 = 10 nm

En stel dat het zou kunnen, gewoon je computer aanlaten staan, dan is er geen cyclus dus ook geen thermische moeheid

[Reactie gewijzigd door leoBO op 22 juli 2024 22:56]

[Grrrrrene]

Ja, precies, de spanningen blijven erg laag. Overigens is de temperatuur van de core niet constant ofzo. Als je een programma opstart loopt hij vrij snel op tot een bepaald niveau en zakt daarna ook snel weer. Installeer maar 's een programma als motherboard monitor

[Verwijderd]

uhm. Remember Pentium IV? Die werden behoorlijk warm hoor...
en nu in m'n laptop kan hij toch wel lekker gemakkelijk tot 70°C oplopen.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 22 juli 2024 22:56]

[TERW_DAN]

Zelfs al wordt ding 100C, dan is het verschil nog zeer klein. Het is niet zo dat er ineens gigantische scheuren in je proc komen doordat deze ineens erg warm wordt. Overigens zijn er procs die nog erger waren dan de P4 (Xeons met een TDP van 130W per stuk enzo).

[Grrrrrene]

Omdat ik aanneem dat bedrijven als Intel en AMD dat testen en zo'n ding in een lab gewoon jarenlang laten draaien als zo'n probleem optreedt? Philips doet hetzelfde met hun lampen: aanzetten en wachten tot hij stuk gaat Daarna zoek je de oorzaak en als dat microbreuken zijn, weet je genoeg.

[Reactie gewijzigd door Grrrrrene op 22 juli 2024 22:56]

[Guru Evi]

En zijn processors dus altijd 20 jaar ten achter? Stresstesten wordt zo niet gedaan. Zoals gezegd in het artikel: je maakt een klein breukje en dan maar heen en weer bewegen zodat je jarenlang gebruik in enkele uren/dagen kunt simuleren. Zo ook met lampen: ze sturen er een te grote stroom op in een soort van oven en zien hoe lang hij overleeft en dan extrapoleer je daar je data uit.

[Grrrrrene]

Dat artikel heb ik zelf geschreven

Ja, ik snap hoe die test gedaan wordt, maar ik zeg alleen dat als dit echt een probleem was geweest, de processorfabrikanten dit al lang hadden onderzocht. En dat een proc na 6 jaar 's kapot gaat (ofzo), boeit niemand wat. Hij is dan geen bal meer waard en een bedrijf had al lang wat nieuws gekocht.

Nee, processors lopen niet 20 jaar achter. Ik bedoel ook niet dat ze dat nu al doen, maar mocht vermoeiing een probleem zijn, dan kan het alsnog.

En Philips test z'n lampen wel degelijk op duurzaamheid zoals ik je uitleg. Ik heb een rondleiding gehad in de TL-balkenfabriek in Roosendaal en daar stond zo'n toren waarin allerlei TL-balken continu brandden. De uitleg van de gids was dat ze zo konden checken hoelang een bepaalde revisie meeging.

[The mindkiller]

@ grrrrene

Niet jarenlang.
Er zijn manieren om het verouderings proces te versnellen. Met name halfgeleiders zijn gevoelig voor warmte (althans dat is mij ooit verteld op de mts electronica ). Op mijn werk worden printplaten twee dagen in de kast gezet die een temp heeft van 60 graden alvorens ze naar de eindcontrole gaan. Dit staat gelijk aan 2 jaar normaal gebruik.

[BartS12]

Het is alleen best mogelijk dat een combinatie van electrische en mechanische spanningen (in dubbel opzicht) wel vervelend is:

Door de mechanische krachten worden metaalspoortjes net wat uitgerekt; net wat dunner, net wat smaller, etc. Daardoor is de electrische weerstand lokaal net wat hoger, en wordt het spoortje lokaal net wat warmer (Wet van Ohm). Daardoor zet ie lokaal net nog wat meer uit, etc etc. Uiteindelijk fikt je chip door, op die plek.

Vergezocht? Misschien. Maar als je ziet hoe erg op het randje van de fysica CPU's al gemaakt worden (nanometer schaal, Gigahertz snelheid), dan hoeft er natuurlijk niet veel te gebeuren om onvoorspelbare resultaten te krijgen.

[Jejking]

Waarom denk je dat ik dit geen nieuws vind?

Als je materialen op hun maximale kunnen test (bijvoorbeeld overklokken), dan zal je merken dat na een tijd gebruiken je nooit meer dezelfde overklok haalt. Materiaalvermoeiing heet dat. Door veel gebruik slijt de boel gewoon, en als je overklokt sneller. Daarom vind ik tweaken een goed voorbeeld hiervoor.

[RuddyMysterious]

Mechanische vermoeiing door mechanisch te belasten is wat anders dan elektronenmigratie bij de poorten die optreedt door overclocken en/of overvolten.

Je stelling in het algemeen beeld beschouwen is trouwens ook niet correct, aangezien je uitgaat van de stelling dat: als momenteel veel (of alle) dingen verslijten door gebruik zal er wel nooit iets kunnen bestaan dat niet kan slijten bij gebruik.

Afwezigheid van bewijs is niet bewijs van afwezigheid.

[Reactie gewijzigd door RuddyMysterious op 22 juli 2024 22:56]