最新Au电迁移对电路的影响

离子迁移的机理、危害和对策林金堵;吴梅珠【摘要】概述了在印制板中“离子迁移”（CAF）漏电的机理、危害和对策。

明确提出PCB走向高密度化和信号传输高频化的条件下，“离子迁移”漏电将走向严重化，要求进行CAF的测试与管控的重要性。

%The paper describes the mechanism ,harm and improvement of CAF in PCB. The seriousness of CAF is increasing under the condition of function of the high-density and high-frequency with transmission signal. The importance of test and control in CAF is required.【期刊名称】《印制电路信息》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】4页(P48-50,61)【关键词】离子迁移;机理和条件;杂质和通道;湿气和电势;对策和改善【作者】林金堵;吴梅珠【作者单位】江南计算技术研究所，江苏无锡 214083;江南计算技术研究所，江苏无锡 214083【正文语种】中文【中图分类】TN41“离子迁移”（Ion Migration）漏电是“导电阳极丝”（Conductive Anode Filament）漏电，“阴极-阳极丝”（Cathode-Anodic Filament）漏电和“相比漏电起痕指数”（CTI，Comoarative Tracking Index）等的总称。

它是指在PCB中互相绝缘的导体之间、或由导体组成的互相绝缘的”网络”之间，在电场等作用下发生“漏电”或短路的电气故障问题。

离子迁移往往在PCB中的层面上导体之间（导线之间、焊盘之间和导线与焊盘之间）、层与层之间、孔与孔之间等处发生漏电的电气故障现象，而且正随着PCB高密度化（导体之间距离缩小、绝缘层厚度减薄）、多功能化和信号传输高频化与高速数字化的发展而越来越严重化起来，已经引起用户越来越重视而成为重要的测试和管控项目之一。

第二十三讲 电解原理一、电解、电解池、放电1．电解：电流通过电解质溶液（或熔融电解质）而在阴阳两极引起氧化还原反应的过程。

2．电解池：把电能转化为化学能的装置，也叫电解槽。

3．放电：当电解质溶液中的阴或阳离子到达阳或阴极时，阴离子失去电子发生氧化反应或阳离子获得电子发生还原反应的过程。

二、电解原理构成条件 ①直流电源；②两个电极；③闭合回路； ④电解质溶液或熔融电解质电极阳极 与电源正极相连，发生氧化反应 阴极与电源负极相连，发生还原反应离子流向 阴离子移向阳极；阳离子移向阴极（阴找阳、阳找阴） 电子流向电源负极流向电解池阴极；电解池阳极流向电源正极（电子不下水、离子不上岸）1、电子流向（外电源）负极→（电解池）阴极 （电解池）阳极→（外电源）正极 2、电解池的构造和阴阳极的判断阳极：与直流电源的正极相连的电极，发生氧化反应 阴极：与直流电源的负极相连的电极，发生还原反应要点集结知识精讲3、阴、阳极的判断：三、阴、阳极的放电顺序1．阳极放电顺序（1）若是活性电极做阳极，则活性电极首先失电子，发生氧化反应；（2）若是Pt、Au、C等惰性电极作阳极，则仅是溶液中的具有还原性的离子放电。

即：S2＞I＞Br＞Cl＞OH＞SO42-等（最高价的含氧酸根离子）＞F。

2．阴极放电顺序（1）阴极上放电的总是溶液(或熔融电解质)中的具有氧化性的离子，与电极材料无关；（2）氧化性强的离子先放电，放电顺序如下：Ag＋> Fe3＋>Cu2＋> H＋(酸) > Fe2＋>Zn2＋>H＋(水)>Al3＋>Mg2＋>Na＋>Ca2＋>K＋注：①阴阳离子在两极上放电顺序复杂，与离子性质、溶液浓度、电流强度、电极材料等都有关，不应将放电顺序绝对化，以上仅是一般规律。

②电解过程中析出的物质的量（或析出物质的质量）：在电解若干串联电解池中的溶液时，各阴极或阳极所通过的电量相等，析出物质的量取决于电路中通过的电量。

芯片电迁移的温度限制
芯片电迁移是一种常见的芯片故障现象，主要是由于芯片内电流过大造成晶体管内部金属导线的迁移和损坏。

而温度是影响芯片电迁移的重要因素之一。

一般来说，芯片的工作温度越高，电迁移的风险就越大。

因为在高温下，晶体管内的电流密度会增大，从而引起金属导线的湿氧化和扩散。

此外，高温还会使得芯片材料的热膨胀系数增大，导致晶体管内部出现应力集中，加速了金属导线的迁移。

因此，在设计芯片电路时，需要考虑芯片的工作温度范围，以避免出现电迁移的故障。

一般来说，芯片的工作温度应该控制在0℃至70℃之间，这样能够最大限度地减少电迁移的风险。

总之，芯片的工作温度是影响其电迁移风险的重要因素之一，需要在设计电路时予以充分考虑。

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1.电迁移及模型简要介绍1.1电迁移现象电迁移现象是指集成电路工作时金属线内部有电流通过，在电流的作用下金属离子产生物质运输的现象。

进而导致金属线的某些部位出现空洞从而发生断路，而另外一些部位由于有晶须生长或出现小丘造成电路短路。

当芯片集的成度越来越高后，其中金属互连线变得更细、更窄、更薄，其电迁移现象越来越严重。

图1 电迁移示意图1.2电迁移理论（原子扩散模型）当金属导体中通过大电流密度时，静电电场将驱动电子从阴极向阳极运动。

高速运动的电子将与金属原子发生碰撞，原子受到猛烈的电子冲击，这就形成了电迁移理论中的电子风力wd F 。

此外，金属原子还到受静电场力ei F 的作用，如图2所示。

图2 电迁移理论模型图两者的合力即电迁移驱动力可表示em wd ei e j F F F Z ρ*=+= （1）Z eiZZ=* (2) wd+式中，F为电子风力；ei F为场力；Z*为有效电荷；ρ为电阻率；wdj为电流密度；Z为电子风力有效电荷常数；ei Z为静电场力有效电wd荷常数。

当互连引线中的电流密度较高时，向阳极运动的大量电子碰撞原子，使得所产生的电子风力F大于静电场力ei F。

因此，金属原子受wd到电子风力的驱动，产生了从阴极向阳极的受迫的定向扩散，即发生了金属原子的电迁移。

如图3所示。

图3电迁移产生图原子的扩散主要有三种形式：晶格扩散、界面扩散和表面扩散。

由于电迁移使金属原子从一个晶格自由扩散到另一个晶格的空位上，所以，通常描述原子电迁移的数学模型采用的是空位流(J )方程：total Dc J F kT=- (3) 式(3)中，D 为扩散系数；c 为空位浓度；T 为绝对温度：k 为玻耳兹曼常数；total F 为电迁移驱动力的合力。

电迁移使得引线内部产生空洞和原子聚集。

在空洞聚集处是拉应力区；在原子聚集处是压应力区，因此，应力梯度方向由阳极指向阴极。

图4 电迁移产生应力梯度图为了松弛应力，重新回到平衡态，原子在压应力的作用下，沿应力梯度方向形成回流。

电迁移的影响因素1布线形状及结构的影响连引线的几何尺寸和形状，互连引线内部的晶粒结构、晶粒取向等对电迁移有重要的影响。

从统计观点看，金属条是由许多含有结构缺陷的体积元串联而成的，则薄膜的寿命将由结构缺陷最严重的体积元决定。

（1）若单位长度的缺陷数目是常数，随着膜长的增加，总缺陷数也增加，所以膜的长度越长，寿命越短。

（2）当线宽比材料晶粒尺寸大时，线宽越大，引起横向断条的空洞所需的时间越长，寿命越长；当线宽降到与金属粒径相近或更小时，断面为一个单个晶粒，金属离子沿晶粒界面扩散减少，寿命也会延长。

（3）在台阶处，由于布线形成过程中台阶覆盖性不好，厚度降低，电流密度在此处增加，容易产生断条。

2热效应金属膜的稳定及温度梯度对电迁移寿命的影响极大，温度通过影响互连引线中的原子扩散而对电迁移过程产生影响。

互连引线中原子的扩散系数 D 与温度呈指数关系，当温度升高时，原子的扩散速度加快，导致电迁移现象按指数变化规律向着失效方向发展。

如果互连引线上存在温度梯度，温度梯度使得互连引线上存在扩散系数 D 的差异。

温度高的区域，原子扩散快；温度低的区域，原子扩散慢。

因此，温度梯度的存在也会产生原子迁移。

3晶粒大小互连引线中，铝布线为一多晶结构，因为多晶结构的晶界多，晶界的缺陷也多，激活能小，多以主要通过晶界扩散儿发生电迁移。

在一些晶粒的交界处，由于金属离子的散度不为零，会出现净的质量的亏损和堆积。

在图4.1（a）中的A 点，进来的金属离子多于出去的，所以称为小丘堆积，在B点，因为出去的金属离子多于进来的金属离子，所以称为空洞。

同样，在小晶粒和大晶粒的交界处也会出现这种情况，晶粒由小变大处形成小丘，反之，则出现空洞，特别在整个晶粒占据整个条宽时，更容易出现断条，如图4.1（b）所示，所以膜中晶粒尺寸宜均匀。

图4.14介质膜互连线上覆盖介质膜(钝化层)后，不仅可以防止铝条的意外划伤，防止腐蚀及离子玷污，也可提高其抗电迁移及浪涌的能力。

《电迁移原理》的思考总结与扩展姓名：李旭瑞专业：华东师范大学微电子电迁移原理：集成电路芯片内部采用金属薄膜引线来传导工作电流，这种传导电流的金属薄膜称作互连引线。

随着芯片集成度的提高，互连引线变得更细、更窄、更薄，因此其中的电流密度越来越大。

在较高的电流密度作用下，互连引线中的金属原子将会沿着电子运动方向进行迁移，，其结果会使导体的某些部位产生空洞或晶须，这种现象就是电迁移。

它是引起集成电路失效的一种重要机制。

电迁移失效机理产生电迁移失效的内因：薄膜导体内结构的非均匀性外因：电流密度从缺陷产生和积累得角度，我们可以这样解释电迁移的失效机理，即在电迁移过程中，在子风和应力的作用下，互连线中的某些薄弱部位产生了缺陷;缺陷的产生，重新改变了互连线中电流的分布，进而也会影响热分布;这两个过程相互作用，决定了缺陷在哪些薄弱部位产生;随着时间的增加，缺陷不断积累，相邻较近的缺陷融合成一个大缺陷;当产生的缺陷足够大，在垂直电流的方向上占有足够的面积，互连线的电阻就会显著增加;最后当形成的缺陷横跨整个互连线横截面，互连线断路在图2.4中，我们考虑金属原子A，它的周围有十二个相邻的晶格位置，其中之一被空位V占据，其余被其他金属原子占据。

在无电流应力条件下，由于热运动，原子A向其附近任何一个方向移动的概率是相等的;若在“电子风”吹动的情况下，很明显原子A向电子风方向移动概率大大增加。

假设A要与人原子发生交换，其过程也只能是通过原子与空位的交换，即人移到空位位置，A移到人位置，空位移到原的位置，可见，空位移动一步之前移动了两个原子。

同理，若A往几方向移动，空位移动一步须移动三个原子。

所以，同等电子风力条件下，金属原子移动方向不同，难易程度也不同。

从电流密度角度，我们可以这样解释电迁移的失效机理在金属里作用了两种对立的力。

这些力被称为“直接力”和“电子风”力。

直接力是一种在电场的作用下，由激活的金属正离子沿电子流相反方向流动产生的力。

应力诱发的电迁移失效分析陈选龙;石高明;蔡伟;邝贤军【摘要】电迁移是半导体器件常见的失效机理,可以导致金属的桥连或者产生空洞,引起短路或者开路等互连失效.总结了两种典型的电迁移失效模式:热电迁移和电化学迁移,阐述了两种电迁移的失效应力诱发条件,以及失效分析方法.通过失效分析案例研究,加深对两种失效机理的认识并提供电迁移失效分析的基本思路.【期刊名称】《电子产品可靠性与环境试验》【年(卷),期】2015(033)002【总页数】5页(P39-43)【关键词】热电迁移;电化学迁移;失效机理;电阻;铝金属化;集成电路;互连【作者】陈选龙;石高明;蔡伟;邝贤军【作者单位】工业和信息化部电子第五研究所,广东广州 510610;工业和信息化部电子第五研究所华东分所,江苏苏州215011;工业和信息化部电子第五研究所,广东广州 510610;工业和信息化部电子第五研究所,广东广州 510610【正文语种】中文【中图分类】TN305.940 引言电迁移（EM：Electromigration）是指由于电子移动造成原子的大规模运动的现象，是一种物理或者化学过程。

半导体元器件中使用的铅、银、铝、铜、金、镍和锡等金属材料在特定的应力条件下会诱发电迁移，造成失效。

这些失效可能是器件内部沿界面的失效，也可能是PCBA上焊料的迁移，迁移造成了桥连短路，并且使得原有的材料形成空洞而开路，降低产品可靠性，造成的危害非常大。

热电迁移和电化学迁移（ECM：Electrochemical Migration）是电迁移的两种代表，两者为完全不同的失效机理。

在可靠性试验中，常采用高温大电流来激发热电迁移，用高温高湿加电的方法激发样品的电化学迁移，对这些失效进行分析并找到根本原因，进而进行工艺改进，可以快速地提高产品可靠性。

电迁移可以是固体电迁移，也可以通过液态媒介在阳极生成枝晶状物。

本文的失效分析研究中包含了集成电路铝条的迁移、焊点铅焊料迁移、银浆料的迁移和集成电路金金属化迁移等。

金电解的原理金电解是一种重要的电化学加工方法，它通过将金块或金膜置于电解液中，利用电流通过金属，从而使金属在电解液中溶解或沉积。

金电解广泛应用于金属加工、电镀、电子器件制造等行业。

金电解的原理主要涉及金离子在电解液中的溶解和沉积过程。

在金电解中，一般采用金盐作为电解液，如金氯化物（AuCl3）、硫酸金（HAuCl4）等。

当电流通过电解液时，金盐被电解产生金离子（Au+）和反离子，在电解液中形成金离子的浓度梯度。

金离子在电解液中的运动主要是由于扩散和迁移两个过程相互作用。

扩散是指金离子从高浓度区域向低浓度区域的自发传播。

迁移是指金离子在电流作用下向电极方向移动。

在金电解过程中，扩散和迁移的过程相互影响，决定了金离子在电解液中的扩散速率和迁移速率。

金离子在电解液中的溶解和沉积是由电化学反应引起的。

在电解液中，金离子与金属电极发生氧化还原反应，金离子失去电子，被还原为金原子。

金原子在电解液中具有高度活性，很容易与金离子结合形成金颗粒。

这些金颗粒以一定的速率沉积在金属电极表面上，形成金属镀层。

金电解的过程中，除了金离子的溶解和沉积外，还伴随着一系列的电极反应和质量传递现象。

电极反应主要包括氧化还原反应和水析出反应。

氧化还原反应是指金离子与电极或电解液中其他成分之间发生氧化还原反应，产生电流。

水析出反应是指电解液中水分解为氢气和氧气。

金电解的原理还与电解液的成分、温度、电流密度等因素有关。

电解液的成分对金电解过程的效果和镀层质量有很大影响。

常用的电解液成分包括金盐、酸性物质、缓冲剂等。

温度对金电解过程中的电极反应速率、金离子的扩散速率和迁移速率等都有显著影响。

电流密度是指单位面积上通过的电流量，它决定了金离子的沉积速率和形成的金层的厚度。

总之，金电解是一种通过电流使金属溶解或沉积的电化学加工方法。

金离子在电解液中的溶解和沉积是由电化学反应引起的，与扩散、迁移、氧化还原反应等过程相互作用。

金电解的原理涉及电解液成分、温度、电流密度等因素的影响。

银迁移——在厚膜导体上的机理和影响摘要混合微电子学利用导体浆料将分布在普通基板（通常是氧化铝）上的不同分立元器件互相连接起来。

银-钯合金在导体浆料中被广泛用作金属夹杂物。

银具有低成本和低电阻率的优点。

然而，在不期望的领域银迁移是致命的弱点。

相比于35.6nm/s灾难性的去除率,银的阳极溶解速度可以达到10-1A/cm²。

银迁移根据发生的环境不同可以分为电迁移和离子迁移（化学）。

厚膜系统中离子迁移是最常见的失效模式，每当绝缘体分开的导体从周围环境获取足够多的水分。

银迁移从机理上可以被看成三步：电解、离子迁移和电沉积。

本篇文章详细介绍了银迁移的机理。

随着导体浆料中钯的含量增多，银迁移减少。

水滴试验证明当导体浆料中钯的含量从10%增长到19%的时候，银迁移的比率降低了大约100倍。

PdO的形成需要更低的阳极势能解释了钯的存在减少银迁移这一现象。

报告称可以足够抑制银迁移的钯的含量为30%。

银基合金中钯的浓度为5%-15%时，测试结构中仍可以观察到银迁移。

关于银迁移的光学显微照片指出了阴阳两极上银化合物的三种形式：树突状、乌云状和两者的混合。

树突状的电导率为6.8 x 107 sm -1，而乌云状的则根据合金中钯的含量从2.5 x 105 到7.6 x 106 sm -1变化。

这篇报道也指出了电极间距和密封剂的类型对银迁移的影响。

银迁移可以改变介电性能，降低绝缘电阻。

特别是在高湿的环境下，银迁移可以导致短路，促使器件失效。

1.前言在混合微电子学中，厚膜被广泛用来连接普通基板上两个或多个半导体器件。

在混合厚膜电路中，离散的电子器件如单片机、晶体管、二极管、电阻、电容和电感被安装在一个通过高粘度浆料印刷烧结而成的绝缘基板上（图1）。

图1 英特锡尔的混合厚膜电路厚膜混合微电路相对容易设计，在固定设备、电路研制和制造方面的花费也较少。

这种器件连接的技术在高频、高压、大功率应用中表现更好。

三种典型的厚膜材料是导体、电阻和介质。

1.电迁移及模型简要介绍1.1电迁移现象电迁移现象是指集成电路工作时金属线内部有电流通过，在电流的作用下金属离子产生物质运输的现象。

进而导致金属线的某些部位出现空洞从而发生断路，而另外一些部位由于有晶须生长或出现小丘造成电路短路。

当芯片集的成度越来越高后，其中金属互连线变得更细、更窄、更薄，其电迁移现象越来越严重。

图1 电迁移示意图1.2电迁移理论（原子扩散模型）当金属导体中通过大电流密度时，静电电场将驱动电子从阴极向阳极运动。

高速运动的电子将与金属原子发生碰撞，原子受到猛烈的电子冲击，这就形成了电迁移理论中的电子风力wd F 。

此外，金属原子还到受静电场力ei F 的作用，如图2所示。

图2 电迁移理论模型图两者的合力即电迁移驱动力可表示em wd ei e j F F F Z ρ*=+= （1）Z eiZZ=* (2) wd+式中，F为电子风力；ei F为场力；Z*为有效电荷；ρ为电阻率；wdj为电流密度；Z为电子风力有效电荷常数；ei Z为静电场力有效电wd荷常数。

当互连引线中的电流密度较高时，向阳极运动的大量电子碰撞原子，使得所产生的电子风力F大于静电场力ei F。

因此，金属原子受wd到电子风力的驱动，产生了从阴极向阳极的受迫的定向扩散，即发生了金属原子的电迁移。

如图3所示。

图3电迁移产生图原子的扩散主要有三种形式：晶格扩散、界面扩散和表面扩散。

由于电迁移使金属原子从一个晶格自由扩散到另一个晶格的空位上，所以，通常描述原子电迁移的数学模型采用的是空位流(J )方程：total Dc J F kT=- (3) 式(3)中，D 为扩散系数；c 为空位浓度；T 为绝对温度：k 为玻耳兹曼常数；total F 为电迁移驱动力的合力。

电迁移使得引线内部产生空洞和原子聚集。

在空洞聚集处是拉应力区；在原子聚集处是压应力区，因此，应力梯度方向由阳极指向阴极。

图4 电迁移产生应力梯度图为了松弛应力，重新回到平衡态，原子在压应力的作用下，沿应力梯度方向形成回流。

Au线改Cu线的新发展及可靠性研究崔晓英【摘要】Au线作为内引线一直占据着键合的主导地位,而由于Cu线具有优良的电性能和价格优势,随着键合技术的发展,以Cu丝代替Au丝作为键合用内引线已经成为现在的主要趋势.介绍了Cu线相对于Au线的优势、存在的可靠性问题,并对Cu引线键合新的发展趋势、如何进行可靠性验证等问题进行了研究.【期刊名称】《电子产品可靠性与环境试验》【年(卷),期】2012(030)003【总页数】6页(P29-34)【关键词】引线键合;金属间化合物;镍基焊盘【作者】崔晓英【作者单位】中兴通讯股份有限公司,广东深圳51805【正文语种】中文【中图分类】TN305.960 引言键合线焊接点的电阻以及它在芯片和晶片中所占用的空间，焊接所需要的间隙，单位体积导电率，以及化学性能、抗腐蚀性能等特性必须满足一定的要求才能得到良好的键合特性。

在元素周期表的过渡金属元素中，银、铜、金和铝等4种金属元素具有较高的导电性能，同时兼有上述性能，常用作集成电路的键合线。

近几年芯片密度更高，功能更复杂，价格更低廉，功耗更低，这都使得封装向着细间距、多引脚、小焊盘和小键合点的方向发展，因此越来越多的厂家进行了金线改铜线的PCN变更，这也是因为铜作为键合线比金、铝有更多的优良特性。

1 为什么要Au改Cu，Cu键合的优势在哪里？1.1 降低成本金比铜贵3～10倍，最初用铜线键合铝金属化层是在十多年前，近年来黄金价格不断攀升，现在已经达到$1400/盎司（盎司为欧美黄金计量单位，1盎司=31.1034768克），目前金线键合长度超过5 mm，引线数达到400以上，封装成本粗略估计已经超过0.40美元。

对于1 mil焊线（1 mil=0.0254 mm），成本可以降低75%，因此，用铜线代替金线可为封装公司节省不少的成本。

近10年的黄金价格走势和Au线换Cu线的成本优势对比见图1、 2。

图1 近10年的黄金价格走势图2 Au线换Cu线的成本优势对比1.2 更好的电学性能铜线具有优良的电性能，其电阻率较低，为1.6 μΩ/cm，铜和金的电阻率对比如图3所示。