超大规模集成电路(VLSI)电迁移(EM)分析:愿您的芯片永葆活力
你能学到什么
超大规模集成电路(VLSI)设计中的电迁移(EM)分析是指优化集成电路互连以防止电化学生长。
在PCB中控制EM的过程与在IC中发生的过程不同，并且在每个领域中使用的解决方案是不同的。
VLSI优化需要平衡信号速度和电流密度。
你需要设计这个IC和这些板来抑制电迁移。
在电子产品中，无论是IC级还是PCB级，故障机制都很丰富。在ic和高压pcb中，一种潜在的故障形式是电迁移(EM)。这是pcb中的电化学效应，虽然这是由于ic中的散射，但设计人员在创建设计时需要考虑金属迁移和生长机制。其目标是确保IC和PCB级别的可靠性，从而尽可能地延长使用寿命。
随着集成电路的不断小型化，超大规模集成电路(VLSI)中出现故障的概率越来越大。自90nm节点以来，电磁一直是一个问题，需要与电流密度和时序一起优化。超大规模集成电路中的电磁分析。在超大规模集成电路(VLSI)中，可以将迹线的间隙和厚度定义为设计规则，从而帮助设计人员防止电磁干扰和运行过程中的故障。以下是如何在VLSI设计中分析EM。
VLSI中的EM是什么?
EM是电子进入的一种电效应集成电路互连给构成导线的原子一些动量。这是通过低能碰撞和随后的散射发生的。因此，随着时间的推移，当原子沿着互连向阴极移动时，互连会变形。这导致靠近阳极的导线上出现凹坑，并且靠近阴极的导线表面开始出现小的金属凸起。
这发生在非常高的电流密度下(通常是>10,000 A/cm2)，当导线中的电流密度较大时，EM的速率较高。这意味着新兴市场是一个失控的过程。当电磁在导线的一个区域发生时，导线的横截面积减小，电流密度增大。结果，EM的比率也增加了。随着时间的推移，更多的金属以更快的速度迁移，这个过程最终以短路或开路结束。
当沿导线的金属完全耗尽并在导线中留下空隙时，就会发生开路故障。在短路的情况下，树突从电线上长出来，直到它在两个导体之间架起了桥梁。在这两种情况下，组件不能正常工作，必须更换。在超大规模集成，短路故障比开路故障更容易发生，这只是因为互连距离更近。
电磁过程中丘和空洞的生长。
热失控
还有另一个过程也会导致电磁现象:热失控。EM遵循具有一定活化能的阿勒尼乌斯过程，这意味着随着互连温度的升高，迁移速率增加。随着EM的进行，金属损耗区域具有更高的电流密度和更高的电阻，从而在芯片工作时产生更高的温度。
多氯联苯怎么样?
EM也指pcb中导致高压板短路的故障机制。然而，pcb中的EM是一种电化学效应，由于桥接导致短路。
在PCB中，如果水凝结在金属上，暴露金属上的一些残留盐可以溶解到电解质溶液中。两个导体之间的高电场(即在高电压或近距离下)可以驱动电化学反应，从而导致金属盐的生长。这些枝晶可以生长，最终在两个导体之间架起桥梁，导致短路。
这里的解决方案类似于VLSI:在两个不同电势的导体之间提供足够的间距，或者设计布局，使只有共模导体放置在一起。这就是IPC(特别是IPC-2221)提供爬电标准的原因之一。请注意，PCB中导体之间的电磁也是一个热驱动过程，尽管相同的热失控问题不会发生在树枝状生长过程中。
优化IC互连防止电磁干扰
像工程中的大多数问题一样，电子产品的可靠性设计就是权衡不同设计选择所涉及的权衡。就VLSI而言，自然的解决方案是简单地增加迹线的宽度。这将理想地将电流密度降低到电磁阈值以下。然而，线宽并不是全部，集成电路还有其他重要方面需要优化。
因为电磁的倾向取决于导线中的电流密度，它也取决于互连中信号的开关速率。当数字信号切换时，会有瞬间的大电流爆发，在这种大电流爆发期间会发生微小的电磁。随着时间的推移，EM累积了超过数万亿次的切换事件。此外，当信号上升时间较短时，开关时的峰值电流较大，导致芯片工作时产生更多的电磁。
电磁对平均故障时间(MTTF)的影响总结在布莱克定律中，然后可以用来优化集成电路的设计。
超大规模集成电路中电磁分析的布莱克定律。
以下是VLSI设计中互连优化所涉及的一些挑战:
增加互连宽度会降低电阻和电流密度，但会增加电容(降低上升时间)。
减小互连之间的间距有助于集成，但会增加潜在的串扰耦合。
降低上升时间可以减小串扰耦合和峰值电流密度，但这需要使芯片在物理上更大。
降低信号电平会降低电流密度和串扰耦合，但会降低信噪比电平和位置电源完整性公差较小．
当然，这四个问题不能孤立地解决。但是有一些软件工具可以帮助您在设计VLSI中的互连时找到平衡。
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