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July 19, 2023
減輕晶片設計中的電遷移 (Electromigration)
從智慧型手機到筆記型電腦，我們每天都會使用各種仰賴積體電路 (IC) 或晶片才能運作的裝置。這些晶片是由數千個電晶體和互連組成，會從晶片的某一部分將電子訊號傳送至另一個部分。然而，為了速度和複雜度的需求，必須讓更多能源流經更小的裝置，這種集中的電流流動可能會透過「電遷移」的現象，對晶片效能造成威脅。
什麼是電遷移？
電遷移是電流流動導致的原子移動。
這種移動會改變導體的實體結構，因為其會形成空孔或凸起，而這可能導致短路、開路、效能下降或裝置故障。由於通過互連的電流密度增加，因此電遷移率也隨之增加，使得電遷移成為失控的程序。事實上，電遷移是造成電路故障的主要原因。
圖片顯示由於金屬原子遠離部分區域，移往其他區域，因此發生電遷移，進而在半導體互連中形成空孔和凸起的情況
電遷移程序的速度可能會因電流較高、溫度較高、機械壓力提升、導體缺陷及存在雜質等因素而加快。這可透過 Black 方程式計算而得，這種 Arrhenius 方程式以經驗為依據，可透過平均故障間隔時間 (MTTF) 來說明此現象：
- J：電流密度
- N：比例因數
- k：Boltzmann 的常數
- T：溫度 (以 K 為單位)
- Ea：啟動能量 (以 J 為單位)
Black 方程式是由 Robert Black 在 1969 年推導所得，可計算電遷移會對設計造成什麼影響，協助工程師瞭解電路的潛在使用壽命。此方程式在 MTTF 以及電線的電流密度、溫度和材料特性之間建立了關聯。
電流密度：由於較粗的電線具有較大的截面面積，因此電流密度較低，較不易受到電遷移影響。
溫度：隨著溫度升高，原子的移動速度會加快，提高電遷移的可能性。
材料特性：部分材料對電遷移具有較大的抗性。例如，銅具有高導電度，因此成為比鋁更受歡迎的選擇。
隨著電子裝置的小型化程度越來越高，電遷移的可能性及其造成的問題也大幅增加。由於晶片有責任讓這些裝置保有可靠效能，因此必須減輕電遷移以維持產品的功能性。
如何在晶片設計中減輕電遷移的影響
為了避免電子元件中金屬移轉失敗或造成危險，晶片設計師可以使用數種技巧，包括：
- 增加互連寬度以降低電流密度。
- 使用對電遷移具有高抗性的材料，例如黃金與銅。
- 使用冗餘孔位讓電流強度轉向。
- 縮減互連之間的間隔。
- 針對較低電壓位準設計電路。
當然，若要在晶片設計中解決電遷移，可能需要混合運用多項技巧。為超大規模整合 (VLSI) 設計互連時，模擬軟體可協助針對特定電流需求判斷出最佳選項。晶片設計師必須分析通過互連的電流密度，以及電阻提高的各項原因來預測晶片中的電遷移。
互連長度增加以及寬度縮減、高電流密度和散熱不良等，都需要採用極度複雜的電磁原則，才能在進階技術節點中處理這些挑戰。
晶片設計中的電遷移測試與監控
為了在晶片設計中實現可靠性，工程師必須在許多不同設計選擇之間權衡取捨。例如，增加互連寬度會降低電阻和電流密度，並增加電容。或是選擇縮減互連之間的間隔，能幫助進行整合，但也會增加串擾耦合。
Ansys RedHawk-SC 等模擬軟體可讓晶片設計師預測並分析互連的行為，於是可在晶片進入製造階段前，先決定如何在系統內分配功率。使用模擬技術來測試、驗證和監控晶片設計，不僅可改善電子效能，也能協助公司避免成本高昂的錯誤和必須召回產品。
結果：可靠的電子產品
電遷移是晶片設計與製造中的關鍵問題。雖然電遷移可能造成破壞性的影響，但仍可採取數項措施來預防或將其影響降至最低。藉由將互連設計最佳化、選擇正確的材料、控制溫度，以及謹慎管理製程，即可降低電遷移的風險。
隨著電子產品不斷進步，瞭解並解決電遷移帶來的挑戰至關重要，如此才可確保晶片的可靠性和使用壽命。使用 Ansys Redhawk-SC 和 Ansys Totem 等進階模擬簽核工具，工程師可以打造更快速、更強大且更可靠的系統，即使在最狹窄的空間內也能做到。
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