Sähkömigraatio

Sähkömigraatio (EM; englanniksi electromigration , EM ) - ilmiö, jossa aineen siirtyminen johtimessa johtuu ionien asteittaisesta ajautumisesta , joka johtuu liikemäärän vaihdosta johtavien kantajien ja atomihilan välisissä törmäyksissä . Tällä vaikutuksella on merkittävä rooli niillä sovellusalueilla, joissa käytetään tiheitä tasavirtoja - esimerkiksi mikroelektroniikassa . Mitä pienemmiksi integroiduista piireistä tulee , sitä näkyvämpi käytännön rooli tällä efektillä on.

Riittävän korkeassa lämpötilassa ja virrantiheydessä metalleissa sähkökentän vaikutuksesta liikkuvat elektronit törmäävät hilaatomeihin ja työntävät niitä kohti positiivisesti varautunutta elektrodia . Täten johtimeen ilmaantuu aineellisesti tyhjennettyjä vyöhykkeitä, minkä seurauksena resistanssi ja tämän seurauksena virrantiheys tällä vyöhykkeellä kasvavat merkittävästi, mikä johtaa johtimen tämän osan vielä suurempaan kuumenemiseen. Tämän seurauksena sähkömigraatio voi johtaa johtimen osittaiseen tai täydelliseen tuhoutumiseen lämpötilan vaikutuksesta (metallin sulaminen) tai metallin täydelliseen hämärtymiseen sähkömigraatiosta ( englanniksi void - "tyhjyys") , "aukko"). Toisaalta kertynyt aines voi muodostaa uuden tahattoman yhteyden ( mäki - "mäki, nippu"), mikä voi johtaa piirin suorituskyvyn heikkenemiseen (parasiittisten kapasitanssien ja ylikuulumisen lisääntymiseen) ja oikosulkuun [1] .

Sähkömigroinnin käytännön merkitys

Sähkömigraatio vaikuttaa integroitujen piirien luotettavuuteen. Pahimmassa tapauksessa se johtaa piirin toiminnan peruuttamattomaan häiriöön, joka johtuu yhden tai useamman koskettimen tai yhteenkytkennän katkeamisesta (burnout) tai päinvastoin oikosulusta piirin eri osien välillä. Ensimmäiset oireet ilmaantuvat kuitenkin paljon aikaisemmin ja ilmaistaan satunnaisina virranpiikkeinä, mikä voi johtaa harvinaisiin satunnaisiin toimintahäiriöihin, joita on erittäin vaikea diagnosoida .

Kun integroitujen piirien koko pienenee ja niiden pakkaustiheys kasvaa, sähkömigraatiovaikutuksesta johtuvien ongelmien todennäköisyys kasvaa merkittävästi johtuen kasvavista virtatiheyksistä piireissä. Ratkaisuna tähän ongelmaan perinteisesti liitäntämateriaalina käytetty alumiini korvattiin kuparilla , jolla on parempi johtavuus ja joka muun muassa on paljon vähemmän herkkä sähkömigraatiolle. Koska kupari vaatii tarkempaa teknologista prosessia piirien valmistuksessa eikä täysin ratkaise efektiongelmaa, työtä paremman ratkaisun löytämiseksi on edelleen käynnissä.

Integroidun piirin koon pienentäminen koolla johtaa virrantiheyden kasvuun verrannollisella määrällä (suora seuraus virrantiheyden määrittämisestä). $k$ ${\displaystyle k^{2))$

Nykyaikaiset integroidut piirit epäonnistuvat harvoin sähkömigraatiovaikutuksen vuoksi. Useimmilla näiden laitteiden valmistajilla on CAD-ohjelmisto , joka tukee topologia - analyysiä sähkömigraatiossa ja sisältää toimintoja siihen liittyvien mahdollisten ongelmien korjaamiseksi transistoritasolla (esimerkiksi lisäämällä koskettimien määrää maan /tehon ja transistorien sisäisten liitäntöjen välillä , laajennus jne.). Siksi lähes kaikki nykyaikaiset piirit on suunniteltu täyttämään sähkömigraatiovaatimukset (tyypillisesti 100 000 tuntia piirille sallitulla enimmäistaajuudella ja -lämpötilalla) ja muista syistä (esimerkiksi gammahiukkaspommitusten aiheuttamasta kokonaisvauriosta) johtuvan vian todennäköisyyden ) on paljon korkeampi.

Tästä huolimatta on olemassa dokumentoitua näyttöä sähkömigraatioon liittyvistä ongelmista johtuvista laitevioista. Joten 1980-luvun lopulla jotkin Western Digital -levyasemamallit hajosivat usein 12–18 kuukautta käytön alkamisen jälkeen . Tuomioistuimen määräyksellä suoritettiin laboratoriotestejä, jotka osoittivat, että yksi kolmannen osapuolen toimittamista ohjaimista oli valmistettu sähkönsiirtoon liittyvien teknisten standardien vastaisesti. WD korjasi ongelman korvaamalla sen samanlaisella toisen valmistajan tuotteella, mutta yrityksen maine kärsi [2] .

Fyysiset perustat

Johtimen sisällä oleviin ioneihin vaikuttaa kaksi voimaa - sähköstaattinen voima sähkökentän seurauksena (tämä voima on suunnattu samalla tavalla kuin virta) ja käänteinen voima, joka muodostuu liikemäärän vaihdosta muiden varauksenkuljettajien kanssa. Metalliseissa johtimissa, joita kutsutaan myös elektronituuliksi tai ionituuliksi . ${\displaystyle F_{e))$ $F_{p}$ $F_{p}$

Tuloksena oleva ionin voima ilmaistaan seuraavasti: $F_{res}$

F_{res}=F_{e}-F_{p}=q\cdot Z^{*}\cdot E=q\cdot Z^{*}\cdot j\cdot \rho

Sähkömigraatio tapahtuu, kun osa elektronin liikemäärästä siirtyy ionin toimesta viereiseen. Tämä saa ionin siirtymään alkuperäisestä asemastaan. Jonkin ajan kuluttua huomattava määrä atomeja on riittävän kaukana alkuperäisistä paikoistaan, mikä johtaa tyhjentyneisiin alueisiin, jotka häiritsevät normaalia virrankulkua johtimen läpi. Toisin sanoen joillakin johtimen alueilla resistanssi kasvaa epänormaalisti [2] .

Sähkömigraatiomekanismit

Sähkömigroinnin päämekanismeiksi voidaan erottaa kaksi toisiinsa liittyvää prosessia: virittyneiden ionien diffuusio ja lämpötilavaikutukset.

Elektromigraatiodiffuusio

Homogeenisessa kiderakenteessa kidehilan homogeenisuudesta johtuen metalli-ionien ja varauksenkuljettajien välisiä törmäyksiä tapahtuu melko harvoin. Tilanne kuitenkin muuttuu kiderakeiden rajoilla, metallien ja niiden pintojen keskinäisissä yhteyksissä - kidehilan epäsymmetrian vuoksi liikeimpulssien vaihto tapahtuu paljon intensiivisemmin. Koska metalli-ionit rajoilla ovat sitoutuneet paljon heikommin kuin homogeenisen kidehilan sisällä, elektronituulen tietyssä arvossa ionit alkavat ajautua virran suuntaan.

Sähkömigraatiodiffuusio voidaan jakaa 3 ryhmään: diffuusio kiderakeiden rajoilla, diffuusio kiderakeiden sisällä ja diffuusio johtimen pinnalla. Alumiinissa diffuusio tapahtuu pääasiassa kiderakeiden rajoilla, kun taas kuparijohtimissa pintadiffuusio vallitsee.

Lämpötilaefektit

Ihanteellisessa johtimessa atomit sijaitsevat kidehilan solmuissa, joiden läpi elektronit liikkuvat vapaasti. Siten sähkömigraatiota ei tapahdu ihanteellisessa johtimessa. Todellisessa johtimessa kidehila ei kuitenkaan ole ihanteellinen. Tästä johtuen sekä johtimen atomien lämpövärähtelyjen vuoksi elektronit alkavat törmätä niihin. Siten atomit heitetään vielä kauemmaksi ihanteellisen kidehilan solmuista, mikä lisää edelleen elektronien ja atomien välisten törmäysten määrää sekä lämpötilanvaihtelun amplitudin kasvua. Yleensä suhteellisten valoelektronien liikemäärä ei riitä siirtämään atomeja jatkuvasti ulos kidehilasta, eikä sähkömigraatio lähde käyntiin, mutta virrantiheyden ja/tai lämpötilan kasvaessa tarpeeksi elektroneja törmää atomien kanssa. , mikä saa ne värähtelemään voimakkaammin ja kauemmas alkuperäisestä asennostaan. Siten johtimen vastus kasvaa merkittävästi, mikä puolestaan johtaa metallin Joule-kuumenemiseen ja voi vahingoittaa elektronista komponenttia.

Luotettavien integroitujen piirien luominen sähkömigraatiossa

Blackin yhtälö

1960-luvun lopulla Black kehitti empiirisen lain yhteenliitäntöjen elinkaarelle , joka ottaa huomioon myös sähkömigraatioilmiön:

{\text{MTTF}}=A(J^{-n})e^{\frac {E_{a}}{kT}}

, missä:

$A$ on vakio, joka perustuu materiaalin ominaisuuksiin,
$J$ on virrantiheys johtimen läpi,
$E_{a}$ on ionin viritysenergia (0,7 eV alumiinille),
$k$ on Boltzmannin vakio ,
$T$ - lämpötila,
$n$ on empiirinen kerroin, joka on yleensä kaksi [3] Blackin mukaan .

Tästä yhtälöstä seuraa, että yhteenkytkennän käyttöikä riippuu sen geometrisista mitoista, signaalin taajuudesta (seuraa virrantiheyden määritelmästä) ja lämpötilasta.

Mikropiirien valmistuksen aikana kehitetyt tekniset tiedot ( eng. suunnittelusäännöt ) kuvaavat suurimmat sallitut virrantiheyden arvot lämpötilasta riippuen, mutta alle 105 °C lämpötiloissa sähkömigraatiovaikutusta pidetään merkityksettömänä.

Materiaalit

Nykyaikaisen mikroelektroniikan yleisimmin käytetty materiaali kontaktien ja liitäntöjen luomiseen on alumiini. Sen laaja käyttö johtuu useista tekijöistä: sillä on suhteellisen hyvä johtavuus, se on kätevä käytettäväksi mikroelektroniikassa, sopii ohmisen kontaktien luomiseen ja suhteellisen halpa. Kuitenkin puhdas alumiini on alttiina sähkömigraatiolle. Tutkimukset ovat osoittaneet, että 2-4 % kuparin lisääminen alumiiniin lisää vastustuskykyä tälle vaikutukselle 50-kertaiseksi [1] .

Tiedetään myös, että puhdas kupari kestää viisi kertaa virrantiheyden verrattuna alumiiniin, ja IC:n luotettavuusvaatimukset ovat samat [4] . Tämä johtuu siitä, että kuparilla on parempi johtavuus ja lämmönjohtavuus sekä sulamispiste [1] [5] .

Katso myös

Pinta sähkömigraatio

Muistiinpanot

↑ 1 2 3 Liitännät: Alumiinin metallointi
↑ 12 Sähkömigraatio _
↑ Black, JR (lokakuu 1968). Integroitujen piirien metallointivirheet. RADC:n tekninen raportti TR-68-243.
↑ Johdatus sähkömigraatiotietoiseen fyysiseen suunnitteluun, ch. 3.1
↑ Al - alumiini

Kirjallisuus

Black, JR Metallization Failures In Integrated Circuits (määrittämätön) // RADC Technical Report. - 1968. - lokakuu ( nide TR-68-243 ). Arkistoitu alkuperäisestä 30. syyskuuta 2007.
Black, JR Electromigration - Lyhyt kysely ja joitain viimeaikaisia tuloksia // IEEE Transactions on Electron Devices : päiväkirja. - 1969. - huhtikuu ( osa 16 , nro 4 ) . - s. 338-347 . - doi : 10.1109/T-ED.1969.16754 . (linkki ei saatavilla)
Musta, JR :n elektromigraatiovikatilat alumiinin metalloinnissa puolijohdelaitteita varten // Proceedings of IEEE : päiväkirja. - 1969. - syyskuu ( osa 57 , nro 9 ) . - s. 1587-1594 . - doi : 10.1109/PROC.1969.7340 . (linkki ei saatavilla)
Ho, PS Perusongelmat VLSI - sovelluksissa tapahtuvaan sähkösiirtoon // Proceedings of IEEE : päiväkirja. - 1982. - S. 288-291 . (linkki ei saatavilla)
Ho, PS, Kwok T. Electromigration in metals , Rep . Prog. Phys. : päiväkirja. - 1989. - Voi. 52 . - s. 301-348 . - doi : 10.1088/0034-4885/52/3/002 .
Christou, Aris: Electromigration and Electronic Device Degradation . John Wiley & Sons, 1994.
Ghate, PB: Electromigration-Induced Failures in VLSI Interconnects , IEEE Conference Publication , Voi. 20: s. 292 299, maaliskuu 1982.

Standardit

EIA / JEDEC -standardi EIA/JESD63 : Standardimenetelmä sähkömigraatiomallin laskemiseksi lämpötilan ja taajuuden funktiona