Wybacz szanowny Czytelniku ale nie jest to notka o wyjazdach polskich elektrykopodobnych fachowców na Zachód za kieliszkiem chleba, choć zapewne na takową a nawet kilka zasługują.Ale nawiązanie do fachowców będzie, obiecuję.
Można zaryzykować obecnie stwierdzenie, że pomijając wystarczająco odległe i dzikie rejony naszego globu nie ma miejsca w którym nie można by napotkać jakiegoś wytworu przemysłu elektronicznego lub elektrycznego. Miliardy gaworzą radośnie na komórach, wpatruja się w pudełka z ekranami i ekranikami, słuchaja, nawigują i ogólnie się elektronizują nie pamietając oczywiście o tym, że dawno, dawno temu facet zwany de Forest (ale nie Gump) wymyślił coś przypominającego żarówę Edisona ale mogącego robić coś więcej. Potem to już poszło z górki, trioda,heksoda, pentoda , katoda, anoda, ciepła woda – stój, wróć! O hydraulikach notki już były!
Nieco później inne gostki wsadziły te diody, triody itp w german a potem w krzem aby ustrojstwa były nieco mniejsze jak również i urządzenia z nich budowane. Stała w rodzinie homo sapiens ochota do dowalania bliźnim i sąsiadom z grubej rury była głównym motorem dalszej miniaturyzacji i tak oto powstało coś na co pomysłodawca, niejaki Kilby dostał amerykański patent numer US 3138743 A. O patentach bedącej wówczas na czele nauki radzieckiej historia milczy co nie znaczy, że idea ta nie była w CCCP znana od stuleci. Domyślić się już zapewne można, że zaprezentowana powyżej skrótowa z konieczności historia dotyczy powstania układu scalonego, czyli scalaka wszechobecnego dziś we wszystkim nie wyłaczając spłuczki w toalecie.
Radość tak trepow jak i producentów, w tym producentów tego, co mogło pójść do publiki była wielka. W jednym małym kawałku plastiku lub innej ceramiki z wieloma ‘nogami’ zmieściło się nawet kilka tranzystorów! W polskim UL1111 było ich dokładnie pięć. No to może wiecej się da wcisnąć? Dało. A że wszyscy się starali jak licho więc doszło do miliona i wiecej i to jeszcze połączonych w środku ze sobą w jakieś fikuśne układy, np mikroprocesorowe. Projektowanie połączeń takich cacek nie było łatwe, ekierka i grafion okazały się nieprzydatne wspomaganie komputrem takim jak np Odra 1204 było niezbędne.
Niby fajnie wszystko szło, w produkcji jak to w produkcji różne buble się trafiały ale ogólnie było klawo gdy tu pojawił się denerwujący i początkowo ‘nie do wyjaśnienia’ problem.
Wyobraź sobie Czytelniku, że zasiadłeś sobie wygodnie w fotelu (kanapa też może być) przed swoim ulubionym TV (mniej ulubione masz w innych komnatach) aby pasjonować się sprawozdaniem z meczu krykieta Polska- Indie Zachodnie. Wciskasz na pilocie ten czerwony (niekoniecznie) guziczek oznaczajacy "ON", "POWER", "Start" czyli ten który ma obudzić przedmiot twojego aktualnego zainteresowania do życia. Ciśniesz raz, drugi, trzeci a tu nic, przedmiot ma cię w ‘rzyci’ i nie reaguje na twoje coraz bardziej nerwowe zabiegi. Może czasem wyda z siebie jakiś dzwięk, ba™, może nawet czasem zagada do ciebie głosem z ostatniego nastawionego kanału ale przeważnie ani widu ani słychu. I nie jest żadną zaletą, że stan ten powoduje znikniecie frapujących różnic pomiędzy tym co widzisz a co słyszysz. Mamroczesz pod nosem „Toż przecież ta cholera wczoraj jeszcze grała perfekt!” Wymieniasz baterie w pilocie, sprawdzasz czy masz w gniazdku napiecie niekoniecznie wysokie i dalej kicha. Potrzeba konsultacji z kimś kumatym narasta a jeśli wkrótce odkryjesz, że gwarancja na wyrób Made in Bangla Desz (czyli tam skąd szła bieda ale już nie idzie) wygasła tydzien temu to potrzeba ta narasta w tempie podwójnym.
Jeśli udasz się do znajomego lub nieznajomego eksperta od elektronów albo zdecydujesz się na bliskie spotkanie trzeciego stopnia z serwisem producenta to istnieje duże prawdopodobieństwo, że diagnoza fachowców będzie brzmiała: „Panie, scalak ‘padł’, trzeba całą płytkę wymienić” po czym pada jakaś kwota w walucie wymienialnej, często gęsto bliska cenie kupna nowego sprzętu. Tak, tak, to nie dawniejsi czarodzieje co potrafili z pentody zrobic triodę i odwrotnie. Teraz nic się naprawiać nie opłaca, kubeł i nabyć nowy, najcześciej już nawet bardziej bajerny niż ten uszkodzony.
OK, żarty żartami ale tak właśnie może przebiegać zderzenie konsumenta ze znanym już i w miarę opanowanym zjawiskiem elektromigracji występującym w podzespołach elektronicznych a głównie w metalicznych połączeniach w układach scalonych, tzw interkonektorach. Oczywiście było ono znane na długo przed scalakami, odkryte przez Gerardina w 1861 roku.
Wspomniane osiągnięcia miniaturyzacji spwodowały, że rozmiary tych połączeń zeszły na poziom mikrometrów i poniżej w zwiazku z czym pomimo stosunkowo niewielkich absolutnych wartości natężenia prądów w nich płynących gęstość prądu osiąga wartości idące w tysiące Amper na cm2 .
Elektromigracja jest przemieszczaniem atomów/jonów metali pod wpływem przepływu prądu a więc im większa gestośc prądu tym silniejszy efekt, w uproszczeniu. Siłą napędową takiej dyfuzji atomowej jest przepływ elektronów lub inaczej siła wiatru elektronowego.
Graficznie można przedstawić zjawisko jak na poniższym rysunku.
Rezultaty przemieszczeń mogą być dwojakie: ubytek materiału w określonych partiach interkonektora lub nagromadzenie materiału w innych jak to pokazano na zdjęciach poniżej:
Ten z kolei rysunek pokazuje jednoczesne powstawanie ubytków i ‘pagórków’
Inne ciekawe ujęcie przerw spowodowanych elektromigracją:
Dla producentów i projektantów układów scalonych sprawa okazała się być poważna. Rozliczne studia potwierdziły, że elektromigracja ma istotny wpływ na niezawodność tych układów. Niestety, nic w zasadzie nie można zrobić bo jest jak jest i zawijać elektronów w sreberka się nie da ale.... Ale pewien facet z Izraela nazwiskiem Blech wykombinował, że istnieje specyficzna w danej konfiguracji długość połączeń dla których efekt transportu nie występuje i można mieć ‘drut’ nieśmiertelny. Warunkiem koniecznym jest bowiem zrównoważenie sił powodujących elektromigracje oraz przeciwnych im naprężeń mechanicznych.
Tak więc staranna topologia układu może zredukować niekorzystny efekt ale nie zawsze jest możliwe operwać długościami w pobliżu optymalnych. Stąd pod rozwagę należy brać inne czynniki wpływające na intensywność elektromigracji a więc temperaturę a konkretnie jej rozkład w interkonektorze oraz gestość prądu. Dostępne są szczegółowe analizy dotyczące metod projektowania połączeń z uwzględnieniem efektu elektromigracji.
Istotne jest zauważyć, ze efekt elektromigracji jest o kilka rzędów wielkości silniejszy w przypadku przepływu pradu stałego niż w przypadku prądu przemiennego, co w zasadzie nie powinno dziwić. Różnice te zostały wykazane eksperymentalnie. Nie mają więc racji niektórzy koledzy na S24 negujący istnienie czegoś takiego jak prąd przemienny a którym obracająca się ramka generuje jakieś trapezy czy prostokąty, ewentulanie ‘wyprostowaną’ sinusoidę. Elektromigrację byłoby też trudno wyjaśnić na bazie teorii elektrinowej, tak popularnej w niektórych kręgach (i prostokątach). Być może jednak wyjaśnienie takie kiedyś powstanie, trzymajmy kciuki.
