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Electromigration: qu’est-ce que c’est et pourquoi ce phénomène est-il la plus grande menace pour tous nos appareils électroniques

Tous les appareils électroniques que nous utilisons quotidiennement peuvent en être affectés. Nos ordinateurs portables et de bureau, nos smartphones, nos comprimés et tout autre appareil incorporant des semi-conducteurs à l’intérieur peut être victime de l’électromigration.

Ce phénomène a été découvert par le physicien français M. Gerardin en 1861, mais il n’avait aucune pertinence au-delà du domaine théorique jusqu’à ce que les premiers circuits intégrés soient fabriqués dans les années 60 du siècle dernier. La caractéristique la plus surprenante de ce mécanisme, et ce que nous, utilisateurs, souhaitons savoir, est que peut provoquer une dégradation physique de semi-conducteurs, les laissant même inutiles. Heureusement, nous avons une certaine marge de manœuvre pour le combattre.

Electromigration: qu’est-ce que c’est et pourquoi cela se produit

Nous savons tous de manière plus ou moins intuitive ce qu’est le courant électrique, mais pour comprendre ce qu’est l’électromigration et comment cela fonctionne, nous sommes intéressés à revoir que l’électricité est possible car un flux d’électrons se déplace à travers un matériau conducteur grâce à la différence de potentiel entre ses deux extrémités. Les électrons se déplacent dans une certaine direction le long du conducteur, de l’électrode négative à l’électrode positive (le courant électrique va par convention dans le sens opposé).

Les électrons peuvent entrer en collision avec les noyaux des atomes qui composent le conducteur, leur transférant un élan et les déplaçant.

Ce qui est curieux, et c’est à l’origine de l’électromigration, c’est qu’au cours de leur mouvement, les électrons peuvent entrer en collision avec les noyaux des atomes qui composent le conducteur. Lorsque cette collision se produit, les électrons transférer un élan noyaux atomiques, et, si cela suffit, ils peuvent les déplacer. D’une certaine manière, l’effet qui se produit lorsque le choc se produit est similaire à celui d’une poussée qui, si elle est suffisamment forte, peut déplacer le noyau atomique qui a reçu l’impact.

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Cette image a été prise avec un microscope électronique et montre la dégradation physique subie par un conducteur en cuivre en raison de l’électromigration.

La conséquence directe de ce comportement est qu’une région du conducteur peut avoir un défaut de noyaux atomiques (moins que ce qu’elle avait initialement), et une autre région peut avoir un excès de noyaux atomiques (plus qu’elle n’en avait initialement). Il y a eu une véritable migration de matière entre deux points, provoquant des écarts libres dans l’un d’entre eux qui n’étaient pas là initialement. Ce phénomène est l’électromigration, et, comme nous venons de le voir, décrit la migration des matériaux d’un conducteur causé par le courant électrique qui le traverse.

La probabilité que les électrons du courant électrique entrent en collision avec les noyaux atomiques du conducteur dépend de plusieurs facteurs. L’un d’eux est la densité actuelle, qui, en laissant de côté les formules et les concepts plus compliqués, est conditionnée par l’intensité du courant et la section du conducteur. L’intensité du courant électrique reflète la quantité de charge qui se déplace par unité de temps, de sorte que la même quantité de charge générera une densité de courant plus élevée dans un conducteur avec moins de section que dans un autre conducteur avec une plus grande section.

Comprendre comment fonctionne ce mécanisme C’est simple si l’on imagine que les électrons sont des voitures et que le matériau conducteur est une autoroute pleine d’obstacles. Si la route est très large et que quatre voitures quittent le point de départ en même temps, il est probable qu’elles disposeront toutes de suffisamment d’espace pour atteindre l’objectif sans heurter aucun obstacle. Cependant, si nous plaçons ces mêmes quatre voitures sur une autoroute beaucoup plus étroite et avec le même nombre d’obstacles, il est probable que l’une des voitures finisse par prendre l’un des obstacles devant nous, le déplaçant et en modifiant son emplacement à la suite de l’impact.

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Le deuxième facteur crucial qui détermine si une électromigration se produit ou non est la température. Si le conducteur est soumis à une température plus élevée, ses noyaux atomiques vibrent davantage car ils acquièrent une plus grande énergie cinétique, et cette plus grande vibration augmente la probabilité que les électrons du courant électrique entrent en collision avec eux et leur transfèrent un élan, les déplaçant. .

Comment lutter contre ce phénomène

Comme nous venons de le voir, l’électromigration est conditionnée par deux facteurs très importants: la densité du courant électrique circulant dans le conducteur et sa température. Si l’un de ces paramètres, ou les deux, est suffisamment élevé, ce phénomène est plus susceptible de se produire, ce qui nous permet de comprendre facilement qu’une façon de garder la dégradation du matériau conducteur sous contrôle est de minimiser à la fois la densité de courant et température, dans la mesure du possible.

L’électromigration est conditionnée par deux facteurs: la densité de courant et la température

Garder bien refroidi nos appareils électroniques sont le moyen le plus efficace de prévenir l’électromigration. De même, si l’on aime overclocker et que l’on ne veut pas que la durée de vie utile des composants que l’on force à être réduite à cause de cette dégradation, l’idéal est de ne pas dépasser la tension et d’utiliser un système de refroidissement qui le plus efficace possible.

L’électromigration provoque le transport du matériau physique du conducteur entre deux points, comme nous l’avons vu quelques lignes ci-dessus, de sorte que le point qui perd les noyaux atomiques peut provoquer l’interruption du courant électrique si la dégradation est suffisamment forte. Et le point auquel plus de noyaux atomiques s’accumulent que le nombre peut provoquer deux pistes de matériau conducteur qui sont physiquement très proches de finir de se toucher et de provoquer un court-circuit. Dans les deux cas notre appareil électronique échouera, donc tout ce que nous pouvons faire pour l’éviter est le bienvenu.

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images | Enrique Jiménez | Patrick-Emil Zörner

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