PCB-Neuigkeiten - Was ist Elektromigration und IC Elektromigration Analyse in PCB

Was ist Elektromigration und warum tritt sie auf? Und noch wichtiger, Wie kann man es verhindern?? Eine einfache Runde Leiterplatte und IC-Elektromigrationsanalyse. Der Zweck besteht darin, zu verhindern, dass diese Geräte unter verschiedenen Bedingungen kurzschließen und öffnen. Zu diesem Zweck wurden mehrere Industriestandards entwickelt. Was müssen Sie über diese Standards wissen und wie Elektromigration dazu führen kann, dass neue Geräte ausfallen?

Elektromigration in Elektronen

Je mehr Komponenten sich auf kleinerem Raum ansammeln, desto größer wird das elektrische Feld zwischen zwei Leitern mit einer vorgegebenen Potenzialdifferenz. Dies führt zu einer Reihe von Sicherheitsproblemen in der Hochspannungselektronik, insbesondere elektrostatischer Entladung (ESD). Ein hohes elektrisches Feld zwischen zwei durch Luft getrennten Leitern bewirkt einen dielektrischen Bruch der Luft, der Lichtbögen und Stromimpulse im umgebenden Kreislauf erzeugt. Um diese Entladungen in einer Leiterplatte oder einem anderen Gerät zu verhindern, trennen Sie die Leiter in einem Abstand, der von der Potenzialdifferenz zwischen den Leitern abhängt.

Der Abstand oben ist wichtig für die Sicherheit und den Schutz vor Geräteausfällen, aber der Abstand über das Substrat ist auch wichtig. Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt ist der Abstand zwischen Leitern über das Dielektrikum. In PCB wird dies Kriechabstand genannt, und seine Anforderungen (und elektrischer Abstand) sind im IPC2221-Standard definiert. Wenn der Abstand zwischen Leitern klein ist, kann das elektrische Feld groß sein, was zu elektrischer Migration führt.

Wenn die Stromdichte im Leiter groß ist (in einem IC) oder wenn das elektrische Feld zwischen zwei Leitern groß ist (in einer Leiterplatte), kann der Mechanismus, der die Elektromigration antreibt, als exponentielles Wachstum beschrieben werden. Um Elektromigration zu verhindern, können Sie drei Hebel verwenden, um Ihr Design einzuziehen:

Vergrößern Sie den Abstand zwischen Leitern (in einer Leiterplatte)

Reduzieren Sie die Spannung zwischen Leitern (in PCB)

Zum Betrieb von Geräten mit niedrigerem Strom (in IC)

Elektromigration in ics: offene und Kurzschlüsse

Bei der IC-Verschaltung ist die Hauptkraft nicht das elektrische Feld zwischen den beiden Leitern und die anschließende Ionisation. Im Gegensatz dazu ist die Festkörper-Elektromigration auf Elektronenimpulsübertragung (Streuung) bei hohen Stromdichten (typischerweise "10.000 A/cm2") zurückzuführen, wodurch sich das Metall entlang eines leitfähigen Pfades bewegt (in diesem Fall die Metallverbindung selbst). Die Elektromigration folgt dem Ahrrenius-Prozess, so dass die Migrationsgeschwindigkeit mit zunehmender Verbindungstemperatur zunimmt.

Die Kräfte, die an der Elektromigration von Kupfer beteiligt sind, sind unten dargestellt. Windkraft ist die Kraft, die durch die Streuung von Elektronen aus Metallatomen im Gitter auf Metallionen ausgeübt wird. Diese wiederholte Ionisation und Impulsübertragung auf die freien Metallionen bewirkt, dass sie zur Anode diffundieren. Dieser Migrationsprozess hat Aktivierungsenergie. Die gerichtete Diffusion beginnt, wenn die auf die Metallatome übertragene Energie den Ahrrenius-Aktivierungsprozess überschreitet, der vom Konzentrationsgradienten geleitet wird (Ficks Gesetz).

Wenn das Metall an die Oberfläche eines Leiters gezogen wird, beginnt es Strukturen zu bauen, die die beiden Leiter überbrücken können, was einen Kurzschluss verursacht. Es kann auch das Metall auf der Anodenseite der Verbindung aufgebraucht werden, was zu einem offenen Stromkreis führt. Das folgende SEM-Bild zeigt die Ergebnisse einer ausgedehnten Elektromigration zwischen zwei Leitern. Wenn das Metall entlang der Oberfläche wandert, hinterlässt es Lücken (offene Schaltkreise) oder erzeugt Schnurrhaare, die sich mit benachbarten Leitern verbinden (Kurzschlüsse). In Extremfällen mit Durchgangslöchern kann die Elektromigration sogar den Leiter unter der Überlagerung abbauen.

Elektromigration in PCBS: Dendritisches Wachstum

Ein ähnlicher Effekt tritt bei PCBS auf, was zu zwei möglichen Formen der Elektromigration führt:

Wie oben beschrieben, Elektromigration entlang der Oberfläche

Die Bildung von Halbleitersalzen führt zu elektrochemischem Wachstum dendritischer Strukturen

Diese Effekte werden durch verschiedene physikalische Prozesse gesteuert. Die Stromdichte zwischen den beiden Leitern kann aufgrund der sehr großen Größe des Metalldrahts im Vergleich zum Querschnitt der IC-Verbindung sehr niedrig sein. In diesen Fällen erfolgt die Migration bei hohen Stromdichten, was im Laufe der Zeit zum gleichen Kurzschnittwachstum führt. An der Oberflächenschicht kann es zu einer nachträglichen Oxidation kommen, wenn der Leiter Luft ausgesetzt ist.

Im zweiten Fall ist die Elektromigration ein elektrolytischer Prozess. Das Feld treibt elektrochemische Reaktionen in Gegenwart von Wasser und Salzen an. Elektrolytische Elektromigration erfordert Wasser an der Oberfläche und hohen Gleichstrom zwischen den beiden Leitern, was elektrochemische Reaktionen und dendritisches Wachstum antreibt. Die wandernden Metallionen lösen sich in einer wässrigen Lösung auf und diffundieren über das isolierende Substrat. IPC2221 kommt hier ins Spiel, weil die Erhöhung des Abstandes zwischen benachbarten Leitern das elektrische Feld zwischen ihnen reduziert und somit die Reaktion hemmt, die die elektrolytische elektrische Migration antreibt.

Die Analyse der Elektromigration im neuen Layout erfordert eine Überprüfung des Designs, um sicherzustellen, dass Spurenlücken nicht gegen Designregeln oder Industriestandards verstoßen. Wenn Sie Zugriff auf einige grundlegende PCB- oder IC-Layoutwerkzeuge haben, können Sie das Layout anhand dieser Regeln überprüfen und Verstöße feststellen. Da ICS und PCBS weiter schrumpfen, wird die Elektromigrationsanalyse nur noch wichtiger, um Zuverlässigkeit zu gewährleisten.