随着集成电路的芯片尺寸越来越小，集成度越来越高，电迁移现象成为影响集成电路互连引线及焊点可靠性主要问题之一。

一、什么是电迁移？

      电迁移是指在电场作用下使金属离子发生迁移的现象。在失效物理中，我们通常所说的电迁移现象是指当器件工作时，金属互连线内有一定电流通过，金属离子会沿导体产生质量的输运，其结果会使导体的某些部位产生空洞或晶须(小丘)，这就是电迁移现象。

 图1.电迁移示意图

      电迁移现象发生的主要原因与通过金属互连线或焊点电流密度有关，电流密度越大，越容易导致电迁移。此外温度、导体材料、导体形状和应力梯度等因素也会影响电迁移效应。

二、电迁移现象的机理

      电迁移是由金属离子的扩散引起的。当不存在外电场时，金属离子可以在晶格内通过空位而变换位置，这种金属离子运动称为自扩散。任一邻近空位的离子有相同的概率与该空位进行位置交换，所以自扩散并不产生质量输运。

      在外电场存在时，它有三种扩散形式：表面扩散、晶格扩散和晶界扩散。不同的金属材料所涉及的扩散形式不同。例如，焊点中的扩散主要是晶格扩散；铝互连线的扩散主要是晶界扩散；而铜互连线的扩散主要是表面扩散。

      在外电场作用下，扩散的驱动力为 “电子风”。电子风是导电载流子和金属离子间相互碰撞产生动量交换而使金属离子产生运动的力。(ps ：小编翻译电子风其实就是导电载流子和金属离子间存在摩擦力，导流载流子运动时带动着金属离子一起运动）。

图2.电子风示意图

三、电迁移引起的失效模式

1. 短路

      电迁移产生的晶须或小丘造成互联引线或相邻焊点间的短路。

图3.电迁移导致互连线短路

2. 断路

      电迁移引起的互连引线或焊点的中金属原子的空洞，当金属原子的亏空到达一定程度，造成断路现象发生。

图4.电迁移导致互连线短路

图5.电迁移造成焊点开裂

3.参数退化

      电迁移会导致器件的稳定性，如会使漏电流增大等。

四、控制措施与手段

1. 材料的选择

      不同金属材料的电迁移程度不同。研究表明，铝由于熔点较低和扩散系数较高，抗电迁移能力较差。随着电路密度不断提高，集成电路中的金属铝连线将越来越细，所承受的电流密度也越来越大。

      因此，采用单质铝导线已经不能满足高电流密度的要求。在铝中添加少量的铜、镁、硅和钛等溶质元素后，其引线的抗电迁移性能得到很大改善。集成电路中可用铝铜合金作互连引线材料。但由于铝铜合金具有高的阻容迟滞，所以在特大规模集成电路中，铜取代铝铜合金成为一种更好的选择。

2.热设计

      电子迁移不是单独发生的，它同时受热、温度梯度及应力场等的激活而对扩散产生影响。因此，产品的热设计也是控制电迁移效应的措施之一。

3.设计工艺

      转角、台阶和接触孔的存在都会加大局部应力梯度从而加速电迁移现象的发生。

4.工艺过程

      此外，还应考虑气流方面的影响。例如，由再流焊接形成的反应层，也受电子迁移的影响。

五、结束语

      电子迁移之所以成为问题，是随着集成电路高集成化和细间距化的进展而日益突显的。此外随着倒装芯片的发展，焊点或凸点直径持续减小，承载的电流不断增加，所以电迁移已经成为倒装互连焊点的一个关键问题。因此电迁移问题非常值得我们重视与关注。