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什么是EM电迁移?它带来的影响有哪些?

冬至子 来源:伟酱的芯片后端之路 作者:伟酱的芯片后端之 2023-12-06 15:29 次阅读

电迁移简写为EM,electromigration,这是一种很基本的电学现象,可能在电路课上讲的少,反而物理课上会听过。

EM对现在的芯片设计有很大影响,已经成为后端设计一个不可忽视的重要现象了。今天我就来简单介绍什么是EM,以及它会带来的影响。

EM在很早就被发现了,甚至在芯片诞生之前人们就发现了EM现象,但一直到芯片出现之后,随着工艺越来越先进,EM所带来的影响才慢慢显著起来。

它指的是:在通电导体中,由于电子的移动,会与金属离子产生碰撞,导致金属离子移位,宏观上表现为金属变形,对于芯片中纳米级很细的导线来说,久而久之可能会使net发生短路或断路,进而造成芯片工作失效。

EM现象深刻影响着芯片寿命,因为芯片只要在使用,就会发生EM现象,使用的越久,EM所累积的效应就越多,金属越来越变形。

如果在某个地方金属离子大量流失,可能会在这里断路;而如果某个地方聚集了大量别的地方来的金属离子,net这里可能就会变宽,当碰到旁边导线的时候就会发生短路。

理论上来说芯片的寿命是有限的,只要工作的够久,EM总会使芯片失效。对于早期不考虑EM影响的芯片,最短的寿命可能仅仅几周;现在的芯片都会考虑EM现象,能保证芯片工作几年。

如何来量化EM的影响呢?对于我们后端来说,一般就会看一个指标:电流密度。我们其实就做了一个微观到宏观上的转化处理,相同材料下,电流密度越大的地方EM现象越明显。

因此后端在绕线的时候必须要遵守一个EM spec,这个spec规定了不同金属层(或者说不同材料的金属)所能承载的最大电流密度。

如果某一段shape仿真出来结果电流密度比spec大,就发生了EM violation,表明这个地方很有可能导致芯片寿命降低,所以这种violation也是必须要修掉的。

修的方法就从电流密度的定义着手。电流密度由导体横截面积和流过电流决定,而金属层的厚度我们无法改变,所以对我们来说就由net的宽度和电流决定了。(我突然想提一句net的横截面一般不是长方形,而是梯形)。所以修的方法有两种:增大net宽度,以及减小net电流。

增加宽度可以在ECO的时候给这个net上NDR,再让tool重新绕;减小电流就可以多并联一段shape用于分担电流,也可以减小driver的驱动能力。

EM存在于芯片的所有net上,不管这段net是PG、signal、还是clock线,都必须遵守EM rule。

一般会称发生在PG上的EM为PEM,Signal上的EM为SEM。对PEM violation一般都会再多加PG mesh,SEM violation的首选方法还是上NDR。

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