ניתוח כשל של קופר מוליכים במכשירים אלקטרוניים גבוהים

מכשירים אלקטרוניים בעלי השפעה גבוהה, כולל מגברי RF, מיקרוגל טרמפנטים, ועיגולים דיגיטליים מהירים במהירות גבוהה, תלויים במוליכים נחושת להעברת אותות בגלל מוליכות חשמלית יוצאת דופן של נחושת ועלות נמוכה יחסית. עם זאת, תנאי התפעול התובעניים במכשירים אלה - עמדות גבוהות של אלקטרוניקה, תדרים מתקדמים, ורכיבי אופניים תרמיים מהירים - מובילים למגוון של מנגנונים שיכולים להוביל בסופו של דבר להבנה זו של תהליכים תפעוליים, לאינטנסיביים מתקדמים, אלא לא רק עבור תהליכים מתקדמים של חומר אלקטרוניקה, אלא גם לשיטות פעילות גופנית, ולא רק עבור תהליכים מתקדמים, אלא גם שיפור של חומרתיים.

תכונות חומריות של Copper ב High-Frequency Applications

התנהגות ואפקט עור

מוליכות גבוהה של קופר (בערך 5.96 ×107 S/m בטמפרטורת החדר) מצמצם הפסדים מנוגדים בקווי אותות.עם זאת, בתדרים גבוהים, אפקט העור הנוכחי לזרום רק בתוך שכבה דקה ליד משטח המוליכים.העור יורד עם תדירות הולכת וגוברת; לדוגמה, ב 1 GHz, עומק העור בחושבה הוא בערך 2.1 μm זה מוביל לנפיחות גבוהה יותר, ואפקטים חשמליים מתקדמים יותר, וכתוצאה מכך, וכתוצאה מכך, וכתוצאה מכך, תכונות אלקטרו- Jocreativerreativeness מקומי.

מוליכות תרמית ומקדם של התרחבות תרמית

Copper גם מתגאה מוליכות תרמית גבוהה ( ⁇ 400 W / mK), אשר מסייע dissipate חום מן נקודות חמות.עם זאת, coefficient של הרחבה תרמית (CTE) של 16-17 ppm / ° C יכול ליצור מתח מכני כאשר מחובר ל substrates עם ערכים CTE שונים (למשל, סיליקון, קרמיקה) חזור על אופניים תרמיים מייצר מתחים שהיא מפעילה בממשקים, המוביל לעייפות וסדקים.

מנגנוני ה-Copper Conductors

אלקטרומיגור

אלקטרומיגציה (EM) היא התחבורה ההמונית של אטומים נחושת המונעת על ידי העברה מזרם אלקטרונים.תחת צפיפות נוכחית ישירה גבוהה (>105 A/cm2), אטומי נחושת נודדים בכיוון של זרימת אלקטרון, יצירת חללים בקצה קטויד והגבעות בקצה האנדה (Volsocks) באופן מהיר יותר, בסימנים AC ⁇ גבוה, המרכיב נטו הוא לעתים קרובות אפס, אבל גל סימטרי, הדופק הנוכחי, זרם של רשתות מגנטיות, או זרם, במיוחד, עלולים, אשר עלולים, כגון מגנטיות, אשר עלולים, כגון מגנטיות, כגון מגנטיות, אשר עלולות, אשר יכול לשפר את טווח, כגון מגנטיות, כך, כלומר, כך, כך, כך, כדי לשפר את טווח, 000, 000, 000, 000, 000 מהירות יותר, כך, כך, 000 מהירות יותר, 000, 000, כך, כך, 000, כך, כך, 000, 000, 000 מהירות יותר, 000 מהירות יותר, 000, 000, 000, 000, 000 רחב יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, כך, כך, 000, 000 חזק

מחקרים אחרונים הראו כי בתדרים מעל 1 GHz, הזרם המחליף יכול למעשה להפחית את הנזקים של EM עקב הניתוק של זרם אלקטרונים, אך רק אם האות הוא באמת סימטרי וחופשי של הטיה DC. Pulsed כוח במעגלים דיגיטליים לעתים קרובות מציג רכיבים משמעותיים של DC מ-return-to-zero (NRZ) ⁇ , מה שהופך את EM עדיין דאגה.

עייפות תרמית

מחזורי חימום חוזרים וקירור - עקב ניתוק כוח במכשירים פעילים, שינויי טמפרטורה מחממת, או חימום עצמי מזרמים גבוהים - מחנכים מתח תרמי במוליכים נחושת.ההתאמה הלא נכונה ב CTE בין נחושת וחומרים סמוכים (דיאלקטריים, תת-סטריט) מייצרת מתח מחזורי שיכול ליזום מיקרו-קפיצ'רים בגבולות דגנים או סדקים אלה.

הגירה מתח

הגירה מתח (הידועה גם כחסר לחץ) מתרחשת בשל הרגיעה של מתח מכני בסרט נחושת, לעתים קרובות במהלך ההזדקנות המאוחר. לחץ Tensile בקווים נחושת מוגבל יכול להניע דיפוזיה vacancy כדי ליצור ריקנים, עצמאי של זרם נוכחי.מנגנון זה הוא בעייתי במיוחד בטמפרטורות צרות, גבוה-aspect-aspect-aspect גבוה בשימוש בחיבורים מתקדמים.

קורוזיה וחמצן

קופר רגיש לקורטוזיה בנוכחות לחות, chlorides, ו תרכובות המכילות sulfur. High- ⁇ מכשירים לעתים קרובות לפעול בסביבות קשות (למשל, רכב מתחתיות, אוויר, תחנות בסיס) שבו capsulation עשוי להיות לא מושלם. Galvanic קורוזיה יכול להתרחש כאשר נחושת היא במגע עם יותר אצילי (למשל, פלדה, פחמן, פחמן), נוכחות אלקטרו-חמצני על פני השטח של קוגנית (Otraic מוליכים למחצה) על גבי תא המטען).

שמן מכני מ Vibration ו Acoustic Loads

באלקטרוניקה ניידת ואוטובית,מוליכים נחושת הם כפופים רטט מכני וזעזוע. גמיש חוזר יכול לגרום עייפות סדק סדקים על עלייה מתח כמו עקבי האג"ח חוט או ממשקים משותפים הנמכרים יותר. רטטים גבוה (למשל, מ resonators אדזואלקטרי או SAW מסננים) יכולים גם יחד לתוך עקבות מנצח, המוביל לכשלים מעל מיליארדים של מחזורים.

גורמים המשפיעים על הכישלונות של קופר

הכחדת ההווה והתדירות

כפי שנדון, יש לשקול את הדחיסות הנוכחית גבוהה יותר הן אלקטרו-מיגור והן חימום Joule. עבור אותות גבוהים, צפיפות RMS הנוכחית יעילה יש לשקול, חשבונאות עבור אפקט העור. צפיפות נוכחית מקומית על פני השטח יכול להיות כמה פעמים גבוה יותר מאשר הערך הממוצע, באופן משמעותי להפחית את הזמן להיכשל (TTF). אפקט Blech מספק כמה חסינות בתוך חיבורים קצרים מאוד, אבל בתופעות אופייניות, EM הוא איום אמיתי.

טמפרטורה ו-Thermal Gradients

טמפרטורות תפעוליות מאוישות להגדיל את החומציות האטומית ולהאיץ את כל מנגנוני הכשלים התלויים בטמפרטורה.מערכת היחסים של Arrhenius מראה כי עלייה של 10 מעלות צלזיוס יכולה להכפיל בערך את שיעור הכשל עבור EM וסטרס הגירה.ה ⁇ התרמומטרום לאורך מנצח ליצור כוחות נהיגה נוספים להובלה המונית (התמוניזציה) במכשירים עם אטומים לא אחידים (למשל, מגורם חום גדול לאטומים), לאטומים קרים לאטומים לאטומים.

פורה חומרית ומיקרו-מבנה

אי-ציות כגון חמצן, גופרית וכלור יכולים להסתער למגבלות דגנים, להחליש את המבנה ולהגביר את קצב הנחושת גבוהה (למשל, ⁇ 9% או יותר) מועדים ליישומים קריטיים באמינות.גודל הדגנים והמרקם הקריסטלי גם: דגנים גדולים יותר להפחית את מספר דגנים (נתיבי דיפוזיה מהירים), בעוד סיבים אלקטרו-אפונדמנטאליים הוכחומנטלגנטיים משופרים לגיהטרגנטיים.

גיאומטריה ו-Leout

קווי Narrower חווים יותר את הגנות הנוכחיות עבור זרם נתון, ויש להם יחס גבוה יותר פני השטח לנפח, מה שהופך אותם רגישים יותר קורוזיה וסטרס הגירה. שארפ bends, לאצים, וכיסוי צעדים מפסיק ליצור מתח מקומי וקהל נוכחי, אשר הופך אתרי נינקיה עבור ריקנים וסדקים.

חומרים סובסטרטיביים ודיאלקטריים

התכונות המכאניות של תת-החומרים הבסיסיים (המודולוסים הטכנולוגיים, CTE) משפיעות ישירות על מצב הלחץ במחושה.נמוך-k dielectrics, המשמש לצמצום הכניעה הטפילטית ב- ICs מתקדמים, יש נוקשות נמוכה יותר ודבקות גרועה יותר, מה שהופך את נחושת דלמנטום יותר סביר יותר. בלוחות מעגלים מודפסים (PCB), ה-weave של כוח זכוכית-reminate יכול ליצור קווי התפלגות לחץ לאורך התפלגות.

שיטות ניתוח כשל

אופטית וסריקה אלקטרון מיקרוסקופיה

בדיקה חזותית תחת מיקרוסקופ אופטי יכול לחשוף את חריגות פני השטח כגון discoloration (חמצן), גבעה, ו רִיק גסים. לפרטים טובים יותר, סריקה מיקרוסקופיות אלקטרוניות (SEM) הוא חיוני. תמונות SEM יכול להראות רִיק מורפולוגיה, נתיבי סדק, ואת מבנה גרגר לאחר תחריט מתאים. Energy-dispersive X-ray spectroscopyscopys (S) מזהה קודרי או אלמנטים conrosmind.

Ion Beam (FIB) Cross-Secing

FIB מאפשר חלוקה מדויקת של אזורי מנצח חשודים לחשוף רִיק מקיפים, דלמינציה, ופירוק הפצה בתוך קו נחושת.טכניקה זו קריטית להפרדה בין אלקטרומיגולציה רִיק מרִיק המושרה מתח, כמו מיקומם ביחס לגבולות דגנים שונים.פיB גם מאפשר הכנת דגימות עבור מיקרוסקופים שידור אלקטרונים (TEM) כדי לבחון פגמים ברמת אטומית.

התנגדות ופעולות אימפולס

עלייה פתאומית בהתנגדות DC לעתים קרובות מחלחלת למעגל פתוח שלם.עם זאת, במעגלים גבוהים, שינויים קטנים בהתנגדות יכולים לגרום לאי התאמה משמעותית של חוסר התאמה.זמן-דו-דומיין (TDR) ו-VVNA) מדידות רשת יכולות לאתר הפסקות בלתי מאולתרות לאורך קו שידור, תוך ציון האתר כשל.

הדימום החריף

תרמוגרפיה אינפראנית מגלה כתמים חמים שנגרמו על ידי התנגדות מוגברת במקומות ריקים או סדק.תחת הטיה, מנצח כושל יציג עלייה טמפרטורה מקומית, אשר ניתן למפות כדי לזהות את האתר הכשל.טכניקה זו אינה הרסנית ויכולה להיות מיושם ב situ, מה שהופך אותו יקר לזיהוי מוקדם של השפלה.

בדיקות חיים

כדי להעריך אמינות, דגימות כפופות לתנאי מתח מואצים: טמפרטורה גבוהה (למשל, 150-250 מעלות צלזיוס), צפיפות גבוהה הנוכחית (למשל, 1-10 מ"מ /2), או רכיבה תרמית (למשל, −40 מעלות צלזיוס ל +125 ° C) זמן לכישלון הוא מוקלט ומואץ מודלים כמו משוואה של Black עבור EM או Coff-Manson עבור בדיקות סטנדרטיות כגון בדיקת נתונים קומפקטיים (JMT) הוא ניסיון של קומפקטית (C) עבור בדיקות נתונים קומפקטיים של קומפקטיות (D) עבור בדיקות נתונים קומפקטיות (D) קומפקטיות (C) ו-C) עבור בדיקות קומפקטיות (DVDV).

אסטרטגיות מניעה ומייגציה

אופטימיזציה של עיצוב

הגדלת האזור חוצה-שטח מפחית את צפיפות הנוכחית ותחתיית הטמפרטורה.שימוש במספרים באמצעות או עקבות רחבות יותר (כאשר ניתן) מתפשטת הנוכחית.בעיצובים גבוהים, את הסחר בין רוחב קו לבין תנופה אופיינית חייב להיחשב - עקבות רחבים יותר להפחית את הצפיפות, אשר עשוי להיות לא רצוי עבור 50 מערכות ⁇ .

שיפורים חומריים

באמצעות נחושת גבוהה-טוהר עם מרקם דגנים מבוקר (למשל, ננווטחוש נחושת) משפר מאוד את ההתנגדות לגירדת הגירה EM וסטרס. ננוטוויד מכיל גבולות תאום בעלי ברית גבוהה אשר מעכבים את תנועת פירוק הפירוק ולהפחית את ה diffusivity. Capping שכבות (למשל, CoWP או CoWB) מוחלשים באופן סלקטיבי על קווים יכולים גם לדכא את הטבול משטח ולהפחית את הציפוי כוח החיים שלהם (reative Recorross) אם כי הם יכולים להיות יעילים יותר (servation) או חסומים (servation) כדי לשפר את הציפויפטפטיים (servation) או ⁇ (servative Prevative Prevative Prevative Prevative) או co.

ניהול ארס

התכווצויות חום יעילות ומדממות באמצעות צמצום הטמפרטורה התפעולית וטמפרטורת ⁇ s.שימוש בחומרים עם CTE (למשל, תרכובות נחושת-molybdenum עבור תת-שכבות) מצמצם את הלחץ התרמי. Active קירור (עפיפות, קירור נוזלי) או מפיץ חום פסיבי (סדינים חתומיים, נחושת) נפוצים ב-עוצמה גבוהה RF.

טכניקות קירור מתקדמות

אנליז לאחר אלקטרו-plating יכול לייצב את מבנה הדגנים ולהקטין את הלחץ הפנימי. Pulsed plating גלפורים לייצר קנס יותר, דגנים אחידים יותר. עבור חיבורים מיקרו-אלקטרוניקה, שילוב של נחושת עם שכבות מחסום דיפוזיה (Ta/TN, TiN) מונע הגירה לתוך dielectric ומשפר את תהליכי הפחתת הפחתת הפחתת ההדבקה.

רדיפת והשגחה

ביישומים קריטיים, מוליכים אדומים (למשל, קווים מקבילים) יכולים לספק נתיב לא בטוח אם קו אחד נפתח.בחדש חיישנים נוכחיים וגיקוד ההתנגדות יכולים לזהות השפלה מוקדמת ולגרום תחזוקה או השבתה חיננית.אסטרטגיות כאלה משמשים באווירה ואלקטרוניקה רפואית שבו זמן השבתה אינו מתקבל על הדעת.

טיפול פנים ו-Cotings

עבור התנגדות קורוזיה, ציפויים מגן כגון פולימיידיד, parylene, או ציפוי סיליקון בהתאמה יישומי על לוחות.בחבילות הרמטיות, לחות ומזהמים אינם נכללים, אבל גם אז, אפקטים גליוניים חייבים להיות מנוהלים.שימוש במכות כמו ניקל תחת זהב בשפע מונע דיפוזה נחושת וחמצן בממשק מגע.

מגמות עתידיות וחומרים מתעוררים

בעוד תדרי נחושת דוחקים למגוון רחב של גלי מיקרומטר וטווח תת-קרקעי, המגבלות של נחושת הופכות בולטות יותר.אפקט העור מחית את ההתנהלות, והדונות הנוכחיים הקיצוניים ב- nanoscale interconnectation מתחת ל-microulating חומרים כגון גרפן, צינורות פחמן, וכסף נחקרים עבור ביצועים גבוהים יותר וגמישות חשמלית טובה יותר, אך עדיין לא ניתן להוסיף תהליכים מיקרו-פולניים אלה.

מסקנה

ניתוח הכישלון של מוליכים נחושת במכשירים אלקטרוניים גבוהים מגלה שילוב מורכב של אלקטרומיגציה, עייפות תרמית, הגירה מתח, קורוזיה, וסטרס מכני.כל מנגנון מושפע מגורמים כגון צפיפות נוכחית, טמפרטורה, טוהר חומרי, גיאומטריה מגנטית, ואת המאפיינים של חומרים סמוכים הבנה מנגנונים אלה מאפשר מהנדסים ליישם אסטרטגיות מניעה ממוקדת: ממדים אופטימיזציה, בחירת טוהר גבוה ושיפור חומרים מתקדמים, nanos לפתח שיטות ניהול יעיל יותר.