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電遷移（電場作用下金屬離子遷移的現(xiàn)象）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-19

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電遷移

電場作用下金屬離子遷移的現(xiàn)象

電遷移通常是指在電場作用下使金屬離子發(fā)生遷移的現(xiàn)象。分別為發(fā)生在相鄰導(dǎo)體表面的如常見的銀離子遷移和發(fā)生在金屬導(dǎo)體內(nèi)部的金屬化電子遷移。

基本信息

外文名	Electromigration
注音	ㄉㄧㄢˋㄑㄧㄢㄧˊ
拼音	diànqiān yí、

電遷移原理

當(dāng)器件工作時(shí)，金屬互連線內(nèi)有一定電流通過，金屬離子會沿導(dǎo)體產(chǎn)生質(zhì)量的輸運(yùn)，其結(jié)果會使導(dǎo)體的某些部位產(chǎn)生空洞或晶須(小丘)，這就是電遷移現(xiàn)象。

電遷移

產(chǎn)生電遷移失效的原因

內(nèi)因：薄膜導(dǎo)體內(nèi)結(jié)構(gòu)的非均勻性(多晶)；

外因：電流密度變大；

影響因素

q布線幾何形狀的影響

q熱效應(yīng)

q晶粒大小

q介質(zhì)膜q

合金效應(yīng)

q脈沖電流

抗電遷移措施

q設(shè)計(jì)

版圖設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、散熱器

q工藝

膜損傷、晶粒尺寸、臺階

q材料

Si-Cu－Al合金、Cu

q多層結(jié)構(gòu)，以金為基的多層金屬化層q 覆蓋介質(zhì)膜

Al2O3、Si3N4等能抑制表面擴(kuò)散，壓強(qiáng)效應(yīng)和熱沉效應(yīng)。

失效形式

1.短路

2.斷路

3.參數(shù)退化

銀離子遷移

簡介

銀離子遷移或簡稱銀遷移(Silver Migration)現(xiàn)象是指在存在直流電壓梯度的潮濕環(huán)境中，水分子滲入含銀導(dǎo)體表面電解形成氫離子和氫氧根離子：

H2O→H++OH-

銀在電場及氫氧根離子的作用下，離解產(chǎn)生銀離子，并產(chǎn)生下列可逆反應(yīng)：

在電場的作用下，銀離子從高電位向低電位遷移，并形成絮狀或枝蔓狀擴(kuò)展，在高低電位相連的邊界上形成黑色氧化銀。通過著名的水滴試驗(yàn)可以很清楚地觀察到銀遷移現(xiàn)象。水滴試驗(yàn)十分簡單，在相距很近的含銀的導(dǎo)體間滴上水滴，同時(shí)加上直流偏置電壓就可以觀察到銀離子遷移現(xiàn)象。筆者試驗(yàn)中導(dǎo)體間距為偏置電壓為5V。加蒸餾水滴樣品起始電流為0．08mA，20min后銀遷移發(fā)生形成導(dǎo)通。加自來水滴時(shí)起始電流為0．15mA，10min后形成導(dǎo)通。在厚膜電路陶瓷基板上，和PCB上均可觀察到銀遷移現(xiàn)象。

銀離子的遷移會造成無電氣連接的導(dǎo)體間形成旁路，造成絕緣下降乃至短路。除導(dǎo)體組份中含銀外，導(dǎo)致銀遷移產(chǎn)生的因素還有：基板吸潮；相鄰近導(dǎo)體間存在直流電壓，導(dǎo)體間隔愈近，電壓愈高愈容易產(chǎn)生；偏置時(shí)間；環(huán)境濕度水平；存在離子或有沾污物吸附；表面涂覆物的特性等。

特征

銀遷移造成旁路引起失效有以下特征：

在高濕存在偏壓的情況下產(chǎn)生；銀離子遷移發(fā)生后在導(dǎo)體間留下殘留物，在干燥后仍存在旁路電阻，但其伏-安特性是非線性的，同時(shí)具有不穩(wěn)定和不可重復(fù)的特點(diǎn)。這與表面有導(dǎo)電離子沾污的情況相類似。

銀遷移是一個(gè)早已為業(yè)界所熟知的現(xiàn)象，是完全可預(yù)防的：在布局、布線設(shè)計(jì)時(shí)避免線間距相鄰導(dǎo)體間直流電位差過高；制造表面保護(hù)層避免水汽滲入含銀導(dǎo)體。對產(chǎn)品使用環(huán)境特別嚴(yán)酷的(如接近100%RH，85℃)可將整個(gè)電路板浸封或涂覆來進(jìn)行保護(hù)。此外，焊接后清洗基板上助焊劑殘留物，亦可防止表面有導(dǎo)電離子沾污。

金屬化電遷移

直流電流通過導(dǎo)體時(shí)，金屬中產(chǎn)生的質(zhì)量輸運(yùn)現(xiàn)象就稱為金屬化電遷移，即金屬中的離子遷移。自1966年發(fā)現(xiàn)Al膜電遷移是硅平面器件的一個(gè)主要失效原因以來，對器件中金屬化電遷移現(xiàn)象就進(jìn)行了廣泛而深入的研究。

金屬是晶體，在晶體內(nèi)部金屬離子按序排列。當(dāng)不存在外電場時(shí)，金屬離子可以在晶格內(nèi)通過空位而變換位置，這種金屬離子運(yùn)動稱為自擴(kuò)散。因?yàn)槿我豢拷徑瘴坏碾x子有相同的概率和空位交換位置，所以自擴(kuò)散的結(jié)果并不產(chǎn)生質(zhì)量輸運(yùn)。當(dāng)有直流電流通過金屬導(dǎo)體時(shí)，由于電場的作用就使金屬離子產(chǎn)生定向運(yùn)動，即金屬離子的遷移現(xiàn)象。電遷移伴隨著質(zhì)量的輸運(yùn)。所謂金屬電遷移失效，通常是指金屬層因金屬離子的遷移在局部區(qū)域由質(zhì)量堆積(Pileup)而出現(xiàn)小丘(Hillock s)或品須，或由質(zhì)量虧損出現(xiàn)空洞(Voids)而造成的器件或互連性能退化或失效。通常在高溫、強(qiáng)電場下引起。不同的金屬產(chǎn)生金屬化電遷移的條件是不同的。

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