Ansysブログ
July 19, 2023
チップ設計におけるエレクトロマイグレーションの緩和
スマートフォンからノートPCまで、私たちは集積回路（IC）、つまりチップが搭載されているさまざまなデバイスを毎日使用しています。これらのチップは何千ものトランジスタやインターコネクトで構成され、チップのある部分から別の部分に電気信号が送信されます。近年、さらなる高速化が要求され、複雑さが増す中で、より小型のデバイスでより多くのエネルギーが必要となるため、この集中した電流の流れによって「エレクトロマイグレーション」と呼ばれる現象がチップ性能に影響を及ぼすようになりました。
エレクトロマイグレーションとは
エレクトロマイグレーションとは、電流の流れによって生じる原子の移動です。
この移動により、短絡、開回路、性能低下、またはデバイス故障を引き起こす空隙やヒロックの形成によって、導体の物理構造が変化します。インターコネクトを通過する電流の密度が増加すると、エレクトロマイグレーション速度も増加するため、エレクトロマイグレーションは暴走プロセスになります。実際に、エレクトロマイグレーションは回路における故障の最大の原因です。
半導体インターコネクトで金属原子が一部の領域から別の領域へ移動するエレクトロマイグレーションによって形成される空隙とヒロックのイメージ
エレクトロマイグレーションの進行速度は、より高い電流、温度、機械的応力と導体の欠陥、および不純物の存在によって加速します。これらは、ブラックの方程式（平均故障時間（MTTF）で現象を記述するアレニウスの経験的方程式）に記述されています。
- J: 電流密度
- N: スケール係数
- k: ボルツマン定数
- T: 温度（単位: K）
- Ea: 活性化エネルギー（単位: J）
1969年にRobert Black氏によって開発されたブラックの方程式は、エレクトロマイグレーションが設計に与える影響を計算することで、回路の潜在的な寿命を理解するのに役立ちます。この方程式は、MTTFをワイヤの電流密度、温度、および材料特性の関係を表します。
電流密度: 大きなワイヤは断面積が大きいため、電流密度が低く、エレクトロマイグレーションの影響を受けにくくなります。
温度：温度が上昇すると、原子はより速く移動し、エレクトロマイグレーションが発生する確率が高まります。
材料特性: 一部の材料は、エレクトロマイグレーションに対する抵抗が高い特性を持ちます。たとえば、電気伝導率が高い銅は、アルミニウムよりも選択されるケースが多くなります。
電子デバイスの小型化が進むにつれて、エレクトロマイグレーションが発生する確率とそれが引き起こす問題は大幅に増加します。こうしたデバイスが信頼性の高い性能を達成できるかどうかはチップに依存するため、製品の機能を維持するためには、エレクトロマイグレーションを緩和する必要があります。
チップ設計でエレクトロマイグレーションの影響を緩和する方法
電子部品の金属マイグレーションによる懸念や危険を回避するために、チップ設計者は以下のような手法を使用できます。
- インターコネクトの幅を拡大して電流密度を低減する。
- 金や銅など、エレクトロマイグレーションに対する抵抗の高い材料を採用する。
- 冗長ビアを使用して電流強度を低下させる。
- インターコネクト間の間隔を狭める。
- 低電圧レベルの回路を設計する。
当然ながら、チップ設計におけるエレクトロマイグレーションを解析するには、複数の手法を組み合わせる必要があります。超大規模集積（VLSI）用のインターコネクトを設計する場合、シミュレーションソフトウェアは、特定の電流要件に最適なオプションを決定するのに役立ちます。チップ設計者は、チップ内のエレクトロマイグレーションを予測するために、インターコネクト内の電流密度や、エレクトロマイグレーションに対する抵抗が増加するさまざまな理由を解析する必要があります。
インターコネクトが長くなり、その幅が狭くなり、電流密度が高くなって熱放散が低下すると、高度なテクノロジーノードでこれらの課題に対処するための非常に複雑な電磁則が必要になります。
チップ設計におけるエレクトロマイグレーションのテストとモニタリング
信頼性の高いチップを設計するには、設計のさまざまな選択肢でトレードオフを検討する必要があります。たとえば、インターコネクトの幅を広げると、抵抗と電流密度が低下し、静電容量が増加します。あるいは、インターコネクト間の間隔を小さくすると、集積性は向上しますが、クロストークやカップリングも増加します。
チップ設計者は、Ansys RedHawk-SCなどのシミュレーションソフトウェアを使用することで、チップ製造に進む前に、システム内での電力分配方法を決定できるように、インターコネクトの挙動を予測および解析できるようになります。シミュレーションを使用してチップ設計をテスト、検証、および監視することで、エレクトロニクスの性能が向上するだけでなく、コストのかかるエラーや製品リコールを回避することもできます。
結果: 信頼性の高いエレクトロニクス
エレクトロマイグレーションは、チップの設計および製造における重要な問題です。エレクトロマイグレーションは非常に深刻な影響をもたらすこともありますが、その影響を防止または最小限に抑えるためのいくつかの対策があります。インターコネクトの設計を最適化し、適切な材料を選択して、温度を制御し、製造プロセスを慎重に管理することで、エレクトロマイグレーションのリスクを軽減できます。
エレクトロニクスの進歩に伴い、チップの信頼性と寿命を確保するためには、エレクトロマイグレーションによってもたらされる課題を理解して対処することが不可欠です。Ansys Redhawk -SCやAnsys Totemのような高度なシミュレーションサインオフツールを使用することで、非常に狭い空間であっても、より強力で信頼性の高いシステムを素早く開発できるようになります。