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Was ist Elektromigration?

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Her(t)zinfarkt

Oder, was ist eigentlich Elektromigration?

Live fast, die young. So knnte das Motto einer neuen Generation lauten, einer Generation von Prozessoren - jenen nmlich, deren kleinste Leiterbahnstrukturen rund tausendmal dnner sind als ein menschliches Haar. 0,13 Mikrometer sind zur Zeit "state of the art", doch noch kleinere Strukturgren werden bereits im Labor erprobt. Offenbar lassen sich diese Prozessoren richtig gut bertakten, doch whrt die Freude an den hohen Hertzzahlen oft nicht lange.

So beklagen nicht wenige einstmals stolze Overclocker in Foreneintrgen den Verlust ihrer hei geliebten Siliziumherzen - vor der Zeit dahingerafft, aus heiterem Himmel, so will es scheinen. Von Elektromigration ist zuweilen die Rede. Doch was ist das fr eine Krankheit, die fast ohne Symptome dem Prozessor den Garaus macht?

Elektromigration

In einfachen Worten

Im Grunde genommen steckt die Antwort schon im Namen. Einem Kunstwort, zusammengesetzt aus den Begriffen Elektron und Migration. Nun ist hiermit jedoch weniger die Wanderschaft (Migration) der Elektronen gemeint - ohne die freilich kein Rechner seinen Dienst verrichten knnte -, sondern vielmehr die unfreiwillige Reise der Metallatome, aus denen die Leiterbahnen des Prozessors bestehen. Da klaffen auf einmal Lcken im Material auf, whrend es sich wiederum an anderer Stelle huft, sodass es zu Kurzschlssen zwischen den eng benachbarten Leiterbahnen kommen kann.

Aber was veranlasst die Atome beziehungsweise Ionen ihre angestammte Ruheposition im Metallverbund zu verlassen? Nun, hierfr zeigen sich die Elektronen verantwortlich, die in groer Zahl pro Querschnittsflche das Metall durchstrmen. Man kann sich das wie bei einem Fluss vorstellen, der in seinem Flussbett fliet wie der elektrische Strom durch die Leiterbahn. Je mehr Wasser strmt, um so grer dessen Gewalt, desto mehr Sand wird mitgerissen. Und so wie ein Fluss sein Bett verndert, indem er an bestimmten Stellen besonders viel Material abtrgt und es an anderen Stellen wieder ablagert, so bewirken auch die Ste der Elektronen, dass Metallatome ihren Platz verlassen und sich andernorts niederlassen.

Und noch etwas sorgt fr Bewegung: Das elektrische Feld durch die angelegte Spannung. Im Bild des Flusses entspricht das dem Geflle. Denn sicherlich lassen sich Steine und Gerll bereitwilliger bergab transportieren als bergauf. Bei der Elektromigration gibt es jedoch eine Besonderheit: Denn hier ist das elektrische Geflle - das Potenzial - fr Elektronen und Ionen des Metalls wegen der unterschiedlichen Ladung genau entgegengesetzt. Whrend also die Elektronen die Ionen in die eine Richtung schubsen, wollen diese, durch das elektrische Feld getrieben, in die Gegenrichtung. Die Wanderung ist demzufolge eine berlagerung beider Bewegungen.

Die folgenden beiden Bilder wurden uns freundlicherweise von dem IFW Dresden zur Verfgung gestellt und zeigen je eine 8m breite Leiterbahn und den fortschreitenden Effekt der Elektromigration.

Frhes Stadium der EM

Endstadium der EM

Zur Umsiedlung der Ionen kommt es im brigen in jedem Metall, jedoch ist der Effekt bei Leiterbahnen mit sehr kleinem Querschnitt besonders stark, da sich hier im Vergleich zu normalen Stromzufhrungen sehr viele Elektronen pro Flche und Zeit hindurchzwngen mssen. Die bliche Taktik von Overclockern, bei Bedarf ein bisschen die Spannung anzuheben, verschlimmert den Effekt noch, denn das dadurch erhhte Geflle reit noch mehr Elektronen mit.

Und noch etwas begnstigt die Wanderung: Eine hohe Temperatur. Denn so wie kochendes Wasser wild spritzt und sprudelt, so werden auch die Elektronen in heien Leitern weit mehr hin und her gestreut und sorgen so fr manche zustzliche Kollision mit den Ionen des Metalls. Wenn also schon ein Quntchen mehr an Leistung durch hhere Spannung am Prozessor erkauft wird, so sollten doch wenigstens die Khlung stimmen.

Damit sind aber lngst nicht alle Ursachen der Elektromigration erklrt. Tatschlich gibt der Effekt Forschern weltweit noch so manches Rtsel auf. So spielt zum Beispiel die Materialbeschaffenheit eine groe Rolle. Denn so wie ein Felsbrocken im Fluss die Ablagerung von Sand beeinflussen kann, so wirken sich auch kleine Materialfehler entscheidend auf die Elektromigration aus.

Auch ist lngst nicht jedes Metall gleich anfllig: Kupfer zum Beispiel ist diesbezglich hundertmal resistenter als Aluminium. Auch das beobachtet man in der Natur: Ein Fluss, der in einem Bett aus hartem Gestein fliet, ist lngst nicht so launisch wie einer, der durch lockereren Sand fliet und stndig sein Bett wechselt. Genau dahinein setzen die Chipentwickler auch Ihre Hoffnung: Ein Material zu finden, das mglichst immun gegen Elektromigration ist. Schlielich gewinnt der Effekt zusehends Bedeutung, wenn die Prozessorstrukturen noch kleiner werden.

Ganz ohne die unliebsamen Wanderungen wird es vermutlich jedoch nicht gehen. Doch vollziehen sich diese bei normaler Benutzung eines Prozessors so langsam, dass es ber Jahre keine Probleme geben sollte. Wer jedoch allzu hoch bertaktet und auf mangelhafte Khlung vertraut, der darf sich ber ein frhzeitiges Ableben seines Prozessors nicht wundern.

Weiterfhrende Links:

Arbeitsgruppe Gefgeanalyse: Elektromigration an Aluminium- und Kupfer-Leitbahnen und der Einfluss der Kornorientierung

Computer Simulation Laboratory: What is electromigration?

Thorsten Krome, Redakteur bei wissenschaft-online
 

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