如何防止交流电迁移现象发生？

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：互连中的电迁移通常是直流行为。人们经常对交流电流能否引发电迁移现象存在疑问，而一般我们认为交流电流对电迁移没有影响。换句话说，在60 Hz交流的每个周期的前半周期中，大量的空位（或原子）在电迁移的作用下在一个方向上跳跃，然后同等数量的空位在后半周期往相反的方向跳跃。然而，当电流分布不均匀时，尚不清楚交流电流是否可能引发电迁移。因为其物理过程是不可逆的，电迁移的交流效应可能会使在一个方向上的跳跃增强。

互连中的电迁移通常是直流行为。在计算机中应用的基于场效应的晶体管器件，如动态随机存储器（DRAM），其晶体管的栅极都是通过脉冲直流电流来控制其开关的。另一方面，在大多数通信器件中，交流电流（AC）也被使用。尤其是在电力开关器件、无线电频率和音频功率放大器中，在其工作期间会产生大的交流电流摆幅。人们经常对交流电流能否引发电迁移现象存在疑问，而一般我们认为交流电流对电迁移没有影响。

我们遵循Huntington和Grone的模型，电迁移的驱动力是由于电子与扩散原子在散射过程中的动量交换所产生的。扩散原子不会处于平衡状态，并且具有一个很大的散射截面。如果我们考虑60 Hz的交流频率，这意味着在1/120 s的时间内，散射将反转1次。在铅的晶格扩散中，假设在100℃的条件下空位扩散为主要扩散机制，1cm3的铅中的平衡空位数为

式中，ΔGf是一个晶格空位形成的自由能。取ΔGf＝0.55 eV/原子，我们可以得到nv/n＝10-7。如果我们取nv＝1022原子/cm3，那么我们可以得到nv＝1015空位/cm3。这意味着存在数量如此巨大的空位，正试图跳离其原平衡位置。连续跳跃受频率因素限制：

式中，v0是德拜频率或扩散原子跃迁频率，金属在德拜温度以上，其频率约为1013 Hz。

取ΔGf＝0.55 eV/原子，我们认为这是铅中一个空位的运动自由能，我们可以获得v＝106次跳跃/s。在1/120 s内，每立方厘米中的1015个空位大约有104个是连续跳跃的。其隐含的条件是，我们假定过渡态或激活态的存在时间很短。换句话说，在60 Hz交流的每个周期的前半周期中，大量的空位（或原子）在电迁移的作用下在一个方向上跳跃，然后同等数量的空位在后半周期往相反的方向跳跃。在统计学上它们相互抵消，因此没有由交流电流驱动的净原子通量产生。然而，交流电流将产生焦耳热，而焦耳热可能会引发一个温度梯度，从而导致原子扩散。

在上面的分析中，一个隐含的假设是，电场或电流是均匀的。然而，当电流分布不均匀时，尚不清楚交流电流是否可能引发电迁移。非均匀电流分布在以下情况中有发生：在倒装芯片焊点中发生电流转向时；在铜线和垂直通道之间的金属互连中；在两相合金中，其中第二相析出与其母材具有不同的电阻率；在一个如锡/铜的反应相间界面。在最后一种情况下，如果界面不处于平衡态，在一个方向上跨越界面的原子跃迁与其反向原子跃迁并不相同。因为其物理过程是不可逆的，电迁移的交流效应可能会使在一个方向上的跳跃增强。在横跨金属/n型半导体界面的肖特基势垒处，载流子流动是从半导体向金属单向流动的，所以电流密度高的交流电流可能会增强半导体在金属中的扩散效应。

如何防止交流电迁移现象发生？

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