隨著集成電路的芯片尺寸越來越小，集成度越來越高，電遷移現象成為影響集成電路互連引線及焊點可靠性主要問題之一。

一、什么是電遷移？

      電遷移是指在電場作用下使金屬離子發生遷移的現象。在失效物理中，我們通常所說的電遷移現象是指當器件工作時，金屬互連線內有一定電流通過，金屬離子會沿導體產生質量的輸運，其結果會使導體的某些部位產生空洞或晶須(小丘)，這就是電遷移現象。

 圖1.電遷移示意圖

      電遷移現象發生的主要原因與通過金屬互連線或焊點電流密度有關，電流密度越大，越容易導致電遷移。此外溫度、導體材料、導體形狀和應力梯度等因素也會影響電遷移效應。

二、電遷移現象的機理

      電遷移是由金屬離子的擴散引起的。當不存在外電場時，金屬離子可以在晶格內通過空位而變換位置，這種金屬離子運動稱為自擴散。任一鄰近空位的離子有相同的概率與該空位進行位置交換，所以自擴散并不產生質量輸運。

      在外電場存在時，它有三種擴散形式：表面擴散、晶格擴散和晶界擴散。不同的金屬材料所涉及的擴散形式不同。例如，焊點中的擴散主要是晶格擴散；鋁互連線的擴散主要是晶界擴散；而銅互連線的擴散主要是表面擴散。

      在外電場作用下，擴散的驅動力為 “電子風”。電子風是導電載流子和金屬離子間相互碰撞產生動量交換而使金屬離子產生運動的力。(ps ：小編翻譯電子風其實就是導電載流子和金屬離子間存在摩擦力，導流載流子運動時帶動著金屬離子一起運動）。

圖2.電子風示意圖

三、電遷移引起的失效模式

1. 短路

      電遷移產生的晶須或小丘造成互聯引線或相鄰焊點間的短路。

圖3.電遷移導致互連線短路

2. 斷路

      電遷移引起的互連引線或焊點的中金屬原子的空洞，當金屬原子的虧空到達一定程度，造成斷路現象發生。

圖4.電遷移導致互連線短路

圖5.電遷移造成焊點開裂

3.參數退化

      電遷移會導致器件的穩定性，如會使漏電流增大等。

四、控制措施與手段

1. 材料的選擇

      不同金屬材料的電遷移程度不同。研究表明，鋁由于熔點較低和擴散系數較高，抗電遷移能力較差。隨著電路密度不斷提高，集成電路中的金屬鋁連線將越來越細，所承受的電流密度也越來越大。

      因此，采用單質鋁導線已經不能滿足高電流密度的要求。在鋁中添加少量的銅、鎂、硅和鈦等溶質元素后，其引線的抗電遷移性能得到很大改善。集成電路中可用鋁銅合金作互連引線材料。但由于鋁銅合金具有高的阻容遲滯，所以在特大規模集成電路中，銅取代鋁銅合金成為一種更好的選擇。

2.熱設計

      電子遷移不是單獨發生的，它同時受熱、溫度梯度及應力場等的激活而對擴散產生影響。因此，產品的熱設計也是控制電遷移效應的措施之一。

3.設計工藝

      轉角、臺階和接觸孔的存在都會加大局部應力梯度從而加速電遷移現象的發生。

4.工藝過程

      此外，還應考慮氣流方面的影響。例如，由再流焊接形成的反應層，也受電子遷移的影響。

五、結束語

      電子遷移之所以成為問題，是隨著集成電路高集成化和細間距化的進展而日益突顯的。此外隨著倒裝芯片的發展，焊點或凸點直徑持續減小，承載的電流不斷增加，所以電遷移已經成為倒裝互連焊點的一個關鍵問題。因此電遷移問題非常值得我們重視與關注。