JP2007103179A - Circuit breaking method and current breaking element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回路の遮断方法及び電流遮断素子に関し、回路の累積課電時間が一定時間に達した時に回路を電源から遮断するのに有用なものである。 The present invention relates to a circuit interrupting method and a current interrupting element, and is useful for interrupting a circuit from a power source when the accumulated power application time of the circuit reaches a certain time.
ＬＳＩのＡｌ配線には、１０４〜１０５Ａ／cm２オーダーの電流密度の電流が流されており、これを断面積１mm×１mmの導体に流れる電流に換算すると、１００〜１０００Ａオーダに相当するが、ＬＳＩ配線の厚みが１μｍ程度であって発熱量が放熱能力を越えることがないために、実質上ジュール熱の発生はない。
しかしながら、電流のキャリアである電子流の密度が大きいために、Ａｌ原子と電子との衝突により相当の運動量変換が行われ、電子から運動量を享受したＡｌ原子が格子位置を離れ、拡散が生じ易い結晶粒界に沿って電子の流れ方向に移動し、徐々に空孔が形成されていき、遂には破断に至ることがある。
この現象は、エレクトロマイグレーションと称されており、エレクトロマイグレーション開始からエレクトロマイグレーション断線までの時間ＭＴＦ（ｈ）はBlackの経験式
ＭＴＦ＝ＡＪ−ｎexp（Ｅａ／ｋＴ）
で表すことができる。
ただし、Ａ：配線固有の定数、Ｊ：電流密度、ｎ：電流密度依存性を示す定数、Ｅａ：活性化エネルギー、Ｔ：配線部の絶対温度である。
A current having a current density on the order of 10 4 to 10 5 A / cm 2 is passed through the Al wiring of the LSI, and when converted to a current flowing through a conductor having a cross-sectional area of 1 mm × 1 mm, it corresponds to an order of 100 to 1000 A. However, since the thickness of the LSI wiring is about 1 μm and the amount of generated heat does not exceed the heat dissipation capability, there is virtually no generation of Joule heat.
However, since the density of the electron current, which is a carrier of current, is large, considerable momentum conversion is performed by collision between Al atoms and electrons, and Al atoms that enjoyed momentum from electrons leave the lattice position and are likely to diffuse. It moves in the direction of electron flow along the grain boundary, and vacancies are gradually formed, eventually leading to breakage.
This phenomenon is referred to as electromigration, and the time MTF (h) from the start of electromigration to electromigration disconnection is expressed by Black's empirical formula MTF = AJ− n exp (Ea / kT)
It can be expressed as
However, A: Constant specific to wiring, J: Current density, n: Constant indicating current density dependence, Ea: Activation energy, T: Absolute temperature of wiring part.
従来、ＬＳＩにおいて、エレクトロマイグレーションにより配線をヒューズカット状態にするために、配線にクランク状の屈曲パターン部を形成し、電流密度の高い入隅コーナ箇所をエレクトロマイグレーションにより断線させることが公知である（特許文献１）。
しかしながら、特許文献１に開示されたエレクトロマイグレーション利用の電流遮断方法では、温度管理が行われていないために所望の累積課電時間後に回路を電源から遮断する、時限的な遮断を行うことは難しい。
However, in the current interruption method using electromigration disclosed in
本発明の目的は、エレクトロマイグレーションを利用して一定の累積課電時間後に回路を電源から遮断できる回路の遮断方法及びその方法に使用する電流遮断素子を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a circuit interruption method capable of interrupting a circuit from a power source after a certain cumulative power application time using electromigration and a current interruption element used in the method.
請求項１に係る電流遮断素子は、電流が流されてエレクトロマイグレーションにより断線される導電薄膜とこの導電薄膜を所定の温度に加熱する通電発熱用抵抗膜を有することを特徴とする。
請求項２に係る電流遮断素子は、請求項１の電流遮断素子において、導電薄膜及び通電発熱用抵抗膜を絶縁基板上に設け、この絶縁基板を保温被覆層または保温カバーで封止したことを特徴とする。
請求項３に係る回路の遮断方法は、回路の課電時に請求項１または２記載の電流遮断素子に一定の電流を流し、導電薄膜のエレクトロマイグレーションによる断線で回路を電源から遮断することを特徴とする。
請求項４に係る回路の遮断方法は、請求項３の回路の遮断方法において、通電発熱用抵抗膜の抵抗値を調節することにより抵抗膜の通電発熱温度を所定値に設定し、導電薄膜のエレクトロマイグレーション断線時間を所定値に設定することを特徴とする。
請求項５に係る回路の遮断方法は、請求項３または４の回路の遮断方法において、導電薄膜の断面積を調節することにより、導電薄膜のエレクトロマイグレーション断線時間を所定値に設定することを特徴とする。
請求項６に係る回路の遮断方法は、請求項３〜５何れかの回路の遮断方法において、回路電流の分流を導電薄膜に流し、その分流比を調整することにより導電薄膜の電流密度を設定して導電薄膜のエレクトロマイグレーション断線時間を所定値に設定することを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a current interrupting device comprising a conductive thin film that is disconnected by electromigration when a current is passed, and a conductive heat generating resistance film that heats the conductive thin film to a predetermined temperature.
The current interrupting device according to claim 2 is the current interrupting device according to
According to a third aspect of the present invention, there is provided a circuit interruption method in which a constant current is supplied to the current interruption element according to the first or second aspect when the circuit is applied, and the circuit is interrupted from the power source by disconnection due to electromigration of the conductive thin film. And
The circuit cutoff method according to
The circuit interruption method according to claim 5 is the circuit interruption method according to
The circuit cutoff method according to
通電発熱用抵抗膜の通電発熱により導電薄膜の温度を一定にでき、回路の課電中、回路電流一定のもとで導電薄膜を一定の侵食速度でエレクトロマイグレーションさせ得、回路の所定の累積課電時間で導電薄膜をエレクトロマイグレーション断線させるように、導電薄膜に流す電流の密度Ｊ、導電薄膜の温度Ｔを設定することにより、回路を予め設定した累積課電時間後に電源から遮断して使用不可の状態にできる。 The temperature of the conductive thin film can be made constant by energization heat generation of the resistance heating film, and the electroconductive thin film can be electromigrated at a constant erosion rate under a constant circuit current during circuit application, and the predetermined cumulative charge of the circuit can be obtained. By setting the density J of the current flowing through the conductive thin film and the temperature T of the conductive thin film so that the electroconductive thin film is electromigration-disconnected in the electric time, the circuit is disconnected from the power supply after a preset cumulative charging time and cannot be used. Can be in the state of.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１の（イ）は本発明において使用する電流遮断素子を示し上面説明図、図１の（ロ）は図１の（イ）におけるロ−ロ断面図である。
図１において、１は絶縁基板であり、例えばセラミックス板、ガラス板等を使用できる。２１〜２３は絶縁基板１の片面に設けられた膜電極であり、導体ペイント、例えば銀系ペイント、銅系ペイント等の印刷・焼付けにより形成することができる。３は膜電極２１と膜電極２３とに接続されて絶縁基板１上に設けられたエレクトロマイグレーションにより断線される導電薄膜であり、その厚みは数μｍオーダ、通常１μｍ程度とされる。この導電薄膜３には、純アルミニウムや銀を使用でき、抵抗加熱蒸着やスパッタリングにより形成できる。４は膜電極２２と膜電極２３とに接続されて絶縁基板１上に設けられた通電発熱用抵抗膜であり、抵抗体ペイント、例えば酸化ルテニウムペイントの印刷・焼付けにより形成できる。５１〜５３は各膜電極に接続されたリード導体である。６は基板１の片面上に設けられた被覆層、例えばエポキシ樹脂塗料の滴下塗布層であり、前記の導電薄膜及び抵抗膜を封止すると共に保温している。この被覆層に代え、樹脂キャツプやセラミックスキャツプによる封止を使用することもできる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1A is a top view illustrating a current interrupting element used in the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view of FIG.
In FIG. 1,
図２の（イ）は本発明において使用する電流遮断素子の別例を示し上面説明図、図２の（ロ）は図２の（イ）におけるロ−ロ断面図である。
図２において、１はセラミックス板、ガラス板等の絶縁基板である。２１，２２は絶縁基板１の片面に設けられた膜電極であり、導体ペイント、例えば銀系ペイント、銅系ペイント等の印刷・焼付けにより形成することができる。４は膜電極２１と膜電極２２とに接続されて絶縁基板１上に設けられた通電発熱用抵抗膜であり、抵抗体ペイント、例えば酸化ルテニウムペイントの印刷・焼付けにより形成できる。７は抵抗膜４上にコートされた熱良伝導性の絶縁膜であり、例えばガラスの塗布・焼付けにより設けることができる。３は膜電極２１と膜電極２２とに接続されて絶縁膜７上に設けられたエレクトロマイグレーションにより断線される導電薄膜であり、その厚みは数μｍオーダ、通常１μｍ程度とされ、前記と同様、純アルミニウムや銀を使用でき、抵抗加熱蒸着やスパッタリングにより形成できる。５１，５２は各膜電極に接続されたリード導体である。６は基板１の片面上に設けられた被覆層、例えばエポキシ樹脂塗料の滴下塗布層であり、前記の導電薄膜及び抵抗膜を封止すると共に保温している。この被覆層に代え、樹脂キャツプやセラミックスキャツプによる封止を使用することもできる。
FIG. 2A is a top view illustrating another example of the current interrupting element used in the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view of FIG.
In FIG. 2,
図３は本発明に係る回路の遮断方法を説明するために使用した回路図であり、負荷Ｚと電源Ｓとの間にスイッチｓｗと上記の電流遮断素子Ａとを接続し、電源Ｓをスイッチオンすると導電薄膜３に一定の電流Ｉが流れ、抵抗膜４に一定の電流Ｉ’が流れてその抵抗膜４の通電発熱で導電薄膜３が一定の温度Ｔに加熱されるようにしてある。
導電薄膜３の電流値Ｉは、その電流密度Ｊで導電薄膜３がエレクトロマイグレーションされるオーダ範囲内での一定値に設定されている。
図３において、ｒは抵抗膜４の通電発熱温度を所望の一定温度に設定するための可変抵抗である。
FIG. 3 is a circuit diagram used for explaining the circuit shutoff method according to the present invention. The switch sw and the current interrupt device A are connected between the load Z and the power source S, and the power source S is switched. When turned on, a constant current I flows through the conductive
The current value I of the conductive
In FIG. 3, r is a variable resistance for setting the energization heat generation temperature of the
図３において、導電薄膜３乃至は電流遮断素子Ａの温度を検知し、導電薄膜３の温度を所望の一定値Ｔにするように抵抗膜通電電流Ｉ’をオン・オフする制御回路を設けたり、回路電流をバイパス回路に分流させそのバイパス回路に電流遮断素子の導電薄膜を挿入しその分流電流を一定とする電流一定化回路を設けたりすることができるが、これらの図示は省略してある。
In FIG. 3, a control circuit for detecting the temperature of the conductive
図３において、負荷Ｚが課電されると、導電薄膜３に一定電流密度Ｊの電流が流れ、電流のキャリアである電子流の密度が大きいために、導電薄膜３の金属原子と電子との衝突により運動量変換が行われ、電子から運動量を享受した導電薄膜３の金属原子が格子位置を離れ、拡散が生じ易い結晶粒界に沿って電子の流れ方向に移動し、徐々に空孔が形成されていき、回路の累積課電時間ＭＴＦが前記した
ＭＴＦ＝ＡＪ−ｎexp（Ｅａ／ｋＴ）
に達すると、導電薄膜３がエレクトロマイグレーション断線して回路Ｚが電源Ｓから遮断される。
In FIG. 3, when a load Z is applied, a current having a constant current density J flows through the conductive
, The conductive
上記エレクトロマイグレーション断線に至る回路累積課電時間は、導電薄膜３の温度を制する抵抗膜４の発熱温度、従って抵抗膜４の抵抗値や通電発熱電流値Ｉ’により、更に導電薄膜３の電流密度Ｊ、従って導電薄膜３の断面積や導電薄膜通電電流値Ｉの調節により所望値に設定できる。導電薄膜の断面積の調節においては、比較的広い巾の導電薄膜の途中をトリミングしてそのトリミング箇所の断面積を所定の電流密度Ｊに適応できるようにしてもよい。
The cumulative circuit charging time until the electromigration disconnection further depends on the heat generation temperature of the
本発明に係る回路の遮断方法は、電子機器の配線基板に直接に前記図１または図２に示す導電薄膜と抵抗膜とを設けて実施することもできる。 The circuit breaking method according to the present invention can also be carried out by providing the conductive thin film and the resistive film shown in FIG. 1 or 2 directly on the wiring board of the electronic device.
また、図４に示すように、導電薄膜３と並列に継電器接点８１を挿入し、その継電器８を導電薄膜３に対し直列に接続し、可変抵抗ｒ”の調整により導電薄膜３の電流密度Ｊを所望値に設定し、導電薄膜３のエレクトロマイグレーション断線と同時に継電器接点８１をオフ動作させて負荷Ｚを電源Ｓから遮断することもできる。
4, a relay contact 81 is inserted in parallel with the conductive
１ 絶縁基板
２１ 膜電極
２２ 膜電極
２３ 膜電極
３ 導電薄膜
４ 抵抗膜
６ 被覆層
７ 絶縁膜
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Claims (6)
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| JP2005291923A JP2007103179A (en) | 2005-10-05 | 2005-10-05 | Circuit breaking method and current breaking element |
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| JP2005291923A Pending JP2007103179A (en) | 2005-10-05 | 2005-10-05 | Circuit breaking method and current breaking element |
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2005
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