【マイグレーション現象とは】故障原因、イオン・エレクトロマイグレーションの違い

電子機器におけるマイグレーション現象とは?基盤故障や「イオンマイグレーション」「エレクトロマイグレーション」の違いなどについてまとめました。

【マイグレーション現象とは】基盤・半導体の故障

マイグレーション現象とは、電界の影響により、金属(配線、電極など)が、絶縁物上や界面を移動する現象です。
マイグレーション現象が発生すると、電極間の絶縁抵抗値が低下して短絡が発生するため、電子機器の故障原因となります。

【種類①】イオンマイグレーション、エレクトロマイグレーション

マイグレーションには、大きく分けて「イオンマイグレーション」「エレクトロマイグレーション」の二種類があります。

種別 概要
①エレクトロマイグレーション ●電界の影響により、金属成分が電子の衝突し、非金属媒体の上や中を移動。
【温度】低温(<100℃)
【電流密度】小さい(<1mA/cm2)
【湿度】高いほど顕著
②イオンマイグレーション ●電解現象により、金属成分がイオン化し、非金属媒体の上や中を移動し、再び金属に還元し析出。
●銀はイオンマイグレーションが最も発生しやすい
【温度】高温(>150℃)
【電流密度】大きい(>104mA/cm2)
【湿度】ほとんど乾燥

【種類②】樹状、CAF、橋状、雲状、山状、山崩れ状、ひげ状

さらにイオンマイグレーションは、「発生場所」「見え方」により様々な種類があります。

種別 概要
①樹状 ●通称:デンドライト(Dendrite)
●金属成分が絶縁物表面を陰極から陽極に向かって成長。
②CAF ●Conductive Anodic Filaments
●絶縁物中に繊維などがある場合に、その繊維に沿って陽極から陰極に向かって成長。
③橋状 ●通称:ブリッジ(bridges)
●デンドライトやフィラメントが対向する電極に達すると、橋状となって急激に絶縁抵抗が低下。
④雲状 ●通称:クラウド(clouds)
●絶縁物表面を、陽極から陰極に向かって、雲が広がるように進行。
●吸湿しやすい基材(フェノール基板など)は、樹脂の内部に移行生成物が入り込み、層方向に雲状に成長する場合がある。
⑤山状 ●通称:hillocks
●導電電極が導電塗料の場合、導電電極内部で金属が移動して一部が山の様に膨れる(山の内部は通空洞)
⑥山崩れ状 ●通称:landslides
●「⑦山状」更に進むと、山が陰極に向かって雪崩が崩れたように導体金属が移動する。
⑦ひげ状 ●通称:whiskers
●陽極または陽極付近で、ホイスカが試料表面から突き出る

【反応例】銀と銅のイオンマイグレーション

Kohman(2)らによって、電界と水が存在する条件下で銀と銅でイオンマイグレーションが発生するかの実験が行われた。

項目 銀のイオンマイグレーション
実験条件 ●電極:銀の棒2本(電極間には紙を配置)
●電極間隔12.5 mm
●電位差:45V<br●>相対湿度:98%RH ●放置時間:6時間
実験結果 ●以下の2点が観測された
①陰極から陽極に向かって伸びた銀のデンドライト結晶
②陽極から陰極に向って伸びた二酸化銀(Ag2O)のコロイド
原因 ①電極間の電位差と周囲雰囲気中から表面に吸着された水の存在により電離が起こる。
Ag → Ag+
H2O → H+ + OH-
②銀イオン(Ag+)、水酸化物イオン(OH-)が陽極側で反応し、水酸化銀(AgOH)を生成して析出。
Ag+ + OH- → AgOH③
陽極側の水酸化銀(AgOH)が分解されて酸化銀(Ag2O)となり、コロイド状に分散。
2AgOH ←→ Ag2O + H2O
④水和反応により銀イオン(Ag+)が陰極側に移動し、銀(Ag)のデンドライト状の析出が進む。
Ag2O + H2O ←→ 2AgOH ←→ 2Ag+ + 2OH-
項目 銀のイオンマイグレーション
実験条件 ●電極:銅の棒2本(電極間には紙を配置)
●電極間隔12.5 mm
●電位差:45V<br●>相対湿度:98%RH ●放置時間:6時間
実験結果 ●以下の2点が観測された
①陰極から陽極に向かって伸びた銀のデンドライト結晶
②陽極から陰極に向って伸びた二酸化銀(Ag2O)のコロイド
原因 ①電極間の電位差と周囲雰囲気中から表面に吸着された水の存在により電離が起こる。
Ag → Ag+
H2O → H+ + OH-
②陽極側で銅と水が反応し、水酸化銅を生成し、デンドライトが陰極側から陽極側に向かって成長。
Cu + 4H2O → Cu(OH)2 + O2 + 3H2③
陰極で水酸化銅が分解され、酸化銅と水が生成。
Cu(OH)2 → CuO + H2O
④陰イオン X-nにより、反応が進んでCu が析出される。
CuO + 2/nXn – + 2H+ → CuX2/n+ + H2O + Cu
Cu + nX – → CuXn + ne –
CuXn→ Cu + n + nX-
Cu + n + ne –  → Cu
参考文献・関連ページ
1 【電池入門】基本原理・アルゴリズム
2 電気・電子回路入門
電気・電子工学
西住工房

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