ตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงแล็ปท็อป เราใช้อุปกรณ์หลากหลายชนิดทุกวัน ซึ่งต้องอาศัย วงจรรวม (IC)หรือชิปในการทำงาน ชิปเหล่านี้ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์และวงจรเชื่อมต่อหลายพันตัว ซึ่งส่งสัญญาณไฟฟ้าจากส่วนหนึ่งของชิปไปยังอีกส่วนหนึ่ง แต่เนื่องจากความต้องการความเร็วและความซับซ้อนทำให้อุปกรณ์มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ ต้องใช้พลังงานมากขึ้น การไหลของกระแสไฟฟ้าที่เข้มข้นนี้อาจส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของชิป ซึ่งเรียกว่าปรากฏการณ์ที่เรียกว่าอิเล็กโตรไมเกรชัน

Electromigration คืออะไร?

การเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนคือการเคลื่อนที่ของอะตอมที่เกิดจากการไหลของกระแสไฟฟ้า

การเคลื่อนที่นี้สามารถเปลี่ยนแปลงโครงสร้างทางกายภาพของตัวนำไฟฟ้าโดยการสร้างช่องว่างหรือเนินเล็กๆ ซึ่งอาจทำให้เกิดการลัดวงจร วงจรเปิด ประสิทธิภาพการทำงานลดลง หรืออุปกรณ์เสียหาย เมื่อความหนาแน่นกระแสเพิ่มขึ้นผ่านจุดเชื่อมต่อ อัตราการเกิดอิเล็กโตรไมเกรชันก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ซึ่งทำให้อิเล็กโตรไมเกรชันเป็นกระบวนการที่ควบคุมได้ยาก อันที่จริงแล้ว อิเล็กโตรไมเกรชันเป็นสาเหตุหลักของความล้มเหลวในวงจรไฟฟ้า

ภาพของช่องว่างและเนินที่เกิดขึ้นในการเชื่อมต่อสารกึ่งตัวนำโดยการเคลื่อนย้ายไฟฟ้าของอะตอมโลหะออกจากพื้นที่หนึ่งและไปยังพื้นที่อื่น

ความเร็วที่กระบวนการอิเล็กโตรไมเกรชันสามารถเร่งขึ้นได้ด้วยกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้น อุณหภูมิที่สูงขึ้น ความเค้นเชิงกลที่เพิ่มขึ้น ข้อบกพร่องในตัวนำ และสิ่งเจือปนที่มีอยู่ สิ่งเหล่านี้ถูกบันทึกไว้ในสมการของแบล็ก ซึ่งเป็นสมการเชิงประจักษ์ของอาร์เรเนียสที่อธิบายปรากฏการณ์นี้ในรูปของเวลาเฉลี่ยก่อนเกิดความล้มเหลว (MTTF): 

• J: ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า
• N: ปัจจัยการปรับขนาด
• k: ค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์
• T: อุณหภูมิ (เป็น K)
• Ea: พลังงานกระตุ้น (หน่วยเป็นจูล)

สมการของแบล็คพัฒนาขึ้นโดยโรเบิร์ต แบล็กในปี พ.ศ. 2512 ช่วยให้วิศวกรเข้าใจถึงอายุการใช้งานที่เป็นไปได้ของวงจร โดยการคำนวณว่าอิเล็กโตรไมเกรชันจะส่งผลต่อการออกแบบอย่างไร สมการนี้เชื่อมโยงค่า MTTF กับความหนาแน่นกระแส อุณหภูมิ และคุณสมบัติของวัสดุของสายไฟ

ความหนาแน่นกระแส: เนื่องจากสายไฟขนาดใหญ่มีพื้นที่หน้าตัดมากกว่า จึงมีความหนาแน่นกระแสต่ำกว่า และมีความเสี่ยงต่อการเคลื่อนตัวของกระแสไฟฟ้าน้อยกว่า

อุณหภูมิ: เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อะตอมจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น ส่งผลให้มีโอกาสเกิดการเคลื่อนตัวทางไฟฟ้ามากขึ้น

คุณสมบัติของวัสดุ: วัสดุบางชนิดมีความต้านทานต่ออิเล็กโตรไมเกรชันสูงกว่า ตัวอย่างเช่น ทองแดงมีสภาพนำไฟฟ้าสูง จึงเป็นที่นิยมมากกว่าอะลูมิเนียม

ด้วยขนาดที่เล็กลงของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของเรา โอกาสของการเกิดอิเล็กโตรไมเกรชันและปัญหาต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นจึงเพิ่มขึ้นอย่างมาก เนื่องจากชิปมีหน้าที่รับผิดชอบต่อประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ของอุปกรณ์เหล่านี้ จึงต้องลดการเกิดอิเล็กโตรไมเกรชันเพื่อรักษาการทำงานของผลิตภัณฑ์

วิธีบรรเทาผลกระทบของการเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนในการออกแบบชิป

เพื่อหลีกเลี่ยงความหงุดหงิดและอันตรายจากการเคลื่อนย้ายของโลหะในส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ นักออกแบบชิปสามารถใช้เทคนิคต่างๆ มากมาย เช่น:

1. เพิ่มความกว้างของสายเชื่อมต่อเพื่อลดความหนาแน่นของกระแสไฟ
2. โดยใช้วัสดุที่มีความต้านทานไฟฟ้าสูง เช่น ทองและทองแดง
3. การเปลี่ยนเส้นทางความเข้มข้นของกระแสไฟฟ้าโดยใช้ vias ซ้ำซ้อน
4. ลดระยะห่างระหว่างจุดเชื่อมต่อ
5. การออกแบบวงจรสำหรับระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำ

แน่นอนว่าการแก้ปัญหาอิเล็กโตรไมเกรชันใน การออกแบบชิป อาจต้องใช้เทคนิคผสมผสานหลายเทคนิค เมื่อออกแบบอินเตอร์คอนเนคต์สำหรับอินทิเกรตขนาดใหญ่มาก (VLSI) ซอฟต์แวร์จำลองสามารถช่วยคุณกำหนดตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับความต้องการกระแสไฟฟ้าเฉพาะของคุณ นักออกแบบชิปต้องวิเคราะห์ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าผ่านอินเตอร์คอนเนคต์และเหตุผลต่างๆ ที่ทำให้เกิดความต้านทานเพิ่มขึ้น เพื่อคาดการณ์อิเล็กโตรไมเกรชันในชิป

ความยาวระหว่างคอนเนคต์ที่เพิ่มขึ้นพร้อมกับความกว้างที่ลดลง ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าสูง และการกระจายความร้อนที่ไม่ดี จำเป็นต้องมีกฎแม่เหล็กไฟฟ้าที่ซับซ้อนอย่างมากเพื่อแก้ไขความท้าทายเหล่านี้ในโหนดที่มีเทคโนโลยีขั้นสูง

การทดสอบและการติดตามการโยกย้ายไฟฟ้าในการออกแบบชิป

เพื่อให้ได้ความน่าเชื่อถือในการออกแบบชิป วิศวกรต้องพิจารณาถึงทางเลือกในการออกแบบที่หลากหลาย ตัวอย่างเช่น การเพิ่มความกว้างของอินเตอร์คอนเนคต์จะช่วยลดความต้านทานและความหนาแน่นกระแส และเพิ่มความจุ หรือการลดระยะห่างระหว่างอินเตอร์คอนเนคต์จะช่วยให้เกิดการผสานรวมที่ดีขึ้น แต่ก็จะเพิ่มการครอสทอล์คคัปปลิ้งด้วยเช่นกัน

ซอฟต์แวร์จำลองสถานการณ์ เช่น RedHawk-SC ช่วยให้นักออกแบบชิปสามารถคาดการณ์และวิเคราะห์พฤติกรรมของการเชื่อมต่อ เพื่อให้สามารถตัดสินใจได้ว่าจะกระจายพลังงานภายในระบบอย่างไรก่อนที่ชิปจะเข้าสู่กระบวนการผลิต การใช้การจำลองสถานการณ์เพื่อทดสอบ ตรวจสอบ และตรวจสอบการออกแบบชิป ไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพทางอิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น แต่ยังช่วยให้บริษัทต่างๆ หลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดที่มีค่าใช้จ่ายสูงและการเรียกคืนสินค้าได้อีกด้วย

สรุป

การเกิดอิเล็กโตรไมเกรชันเป็นปัญหาสำคัญในการออกแบบและการผลิตชิป แม้ว่าผลกระทบของการเกิดอิเล็กโตรไมเกรชันอาจร้ายแรง แต่ก็มีมาตรการหลายอย่างที่สามารถนำมาใช้เพื่อป้องกันหรือลดผลกระทบได้ ความเสี่ยงจากการเกิดอิเล็กโตรไมเกรชันสามารถลดลงได้ด้วยการปรับปรุงการออกแบบการเชื่อมต่อ การเลือกวัสดุที่เหมาะสม การควบคุมอุณหภูมิ และการจัดการกระบวนการผลิตอย่างรอบคอบ

ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในด้านอิเล็กทรอนิกส์ จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องทำความเข้าใจและแก้ไขความท้าทายที่เกิดจากการย้ายอิเล็กตรอนเพื่อให้แน่ใจว่าชิปมีความน่าเชื่อถือและมีอายุการใช้งานยาวนาน