Leiterplatte Blog - Was ist Elektromigration? Analyse der IC-Elektrotransfer in Leiterplatten

Wir alle hoffen, dass die Leiterplatte kann perfekt leitfähig und stabil sein, aber die tatsächliche Situation ist nicht so.Die reale Welt besteht nicht aus perfekten Leitern und Isolatoren, die von Vakuum umgeben sind,und das elektrische Feld wird mit den Leitern und Substraten im realen System interagieren.Ob IC oder PCB entwerfen, Es ist notwendig, die wichtigen Auswirkungen unvollkommener elektronischer Produkte zu berücksichtigen:Elektromigration.Was ist Elektromigration und warum passiert sie?Noch wichtiger,Wie kann man es verhindern?Eine einfache Runde der PCB und IC Elektromigrations analyse.Der Zweck ist es,Kurzschluss und Offenschluss dieser Geräte unter verschiedenen Bedingungen zu verhindern.Zu diesem Zweck wurden einige Industriestandards entwickelt.Sie müssen diese Standards verstehen und verstehen,wie Elektromigration zu einem Ausfall neuer Geräte führen kann

Electromigration in Elektronen

Da mehr Komponenten auf kleinerem Raum gestapelt werden,Das elektrische Feld zwischen zwei Leitern mit einer spezifizierten Potentialdifferenz wird größer.Dies führt zu einigen Sicherheitsproblemen bei elektronischen Hochspannungsgeräten,insbesondere elektrostatische Entladung (ESD).Das hohe elektrische Feld zwischen zwei durch Luft getrennten Leitern verursacht einen dielektrischen Bruch der Luft,dadurch Erzeugung eines Lichtbogens und eines Stromimpulses in der umgebenden Schaltung. Um diese Entladungen in Leiterplattes oder andere Geräte,Leiter müssen durch einen bestimmten Abstand getrennt werden, die von der Potenzialdifferenz zwischen den Leitern abhängt. Der obige Spaltabstand ist wichtig für die Sicherheit und Verhinderung von 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,Das nennt man Kriechdistanz.Wenn der Abstand zwischen Leitern klein ist, das elektrische Feld kann groß sein,zur Elektromigration.Wenn die Stromdichte in einem Leiter groß ist (in IC), oder wenn das elektrische Feld zwischen zwei Leitern groß ist (in PCB), Der Mechanismus der Elektromigration kann als exponentielles Wachstum beschrieben werden. Zur Vermeidung von Elektromigration,Sie können drei Hebel verwenden, um Ihr Design einzuziehen:

Erhöhen Sie den Abstand zwischen Leitern (in Leiterplatte); Reduzieren Sie die Spannung zwischen Leitern (in Leiterplatte); Betreiben Sie das Gerät mit einem niedrigeren Strom (im IC).

Elektromigration in IC: offener Kreislauf und Kurzschluss

Bei IC Verbindungen ist die Hauptkraft nicht das elektrische Feld zwischen zwei Leitern und anschließender Ionisation.Im Gegensatz dazu ist die Festkörper-Elektromigration auf Elektronenimpulsübertragung (Streuung) bei hoher Stromdichte zurückzuführen, die dazu führt, dass sich das Metall entlang der leitfähigen Bahn bewegt (in diesem Fall die Metallverbindung selbst). Die Migrationsgeschwindigkeit steigt mit dem Anstieg der Verbindungstemperatur.Die Kräfte, die an der Kupferelektromigration beteiligt sind, sind wie folgt. Die Windkraft bezieht sich auf die Kraft, die durch die Streuung von Elektronen aus den Metallatomen im Gitter auf die Metallionen ausgeübt wird. Diese wiederholte Ionisation und das Impuls werden auf die freien Metallionen übertragen, wodurch sie in Richtung der Anode diffundieren. Dieser Migrationsprozess hat Aktivierungsenergie. Wenn die auf das Metallatom übertragene Energie den Ahrenius-Aktivierungsprozess überschreitet,beginnt die gerichtete Diffusion, die unter Anleitung des Konzentrationsgradienten (Ficks Gesetz) durchgeführt wird. Wenn das Metall an die Oberfläche des Leiters gezogen wird,beginnt es,eine Struktur aufzubauen,die zwei Leiter überbrücken kann, wodurch ein Kurzschluss verursacht wird. Es verbraucht auch das Metall auf der Anodenseite der Verbindung,was zu einem offenen Stromkreis führt.Das nachfolgende SEM-Bild zeigt die Ergebnisse einer ausgedehnten Elektromigration zwischen den beiden Leitern.Wenn das Metall entlang der Oberfläche wandert, hinterlässt es Lücken (offene Schaltungen) oder erzeugt Schnurrhaare (Kurzschlüsse), die mit benachbarten Leitern verbunden sind.In Extremfällen mit Durchkontaktierungen kann die Elektromigration sogar die Leiter unter der Deckschicht abbauen.

Electromigration in PCB:dendritisches Wachstum

Ähnliche Effekte treten auf Leiterplatten auf, was zu zwei möglichen Formen der Elektromigration führt:

Wie oben beschrieben,Elektromigration entlang der Oberfläche,Bildung von Halbleitersalzen,führt zum elektrochemischen Wachstum dendritischer Strukturen. Diese Effekte werden durch verschiedene physikalische Prozesse gesteuert. Die Stromdichte zwischen den beiden Leitern kann niedrig sein, da die Größe der Metallbahnen im Vergleich zum Querschnitt der IC-Verbindung sehr groß ist.In diesem Fall, Migration bei hoher Stromdichte, das Ergebnis des Wachstums der gleichen Art von Stubben im Laufe der Zeit.Auf der Oberflächenschicht, Oxidation kann später auftreten, wenn der Leiter Luft ausgesetzt ist.Im zweiten Fall, Elektromigration ist ein elektrolytischer Prozess.Dieses Feld treibt elektrochemische Reaktionen in Gegenwart von Wasser und Salz an.Elektrolytische Elektromigration erfordert Wasser an der Oberfläche und hohen Gleichstrom zwischen den beiden Leitern, welche die elektrochemische Reaktion und das Wachstum von dendritischen Strukturen antreiben wird.Die migrierten Metallionen werden in der wässrigen Lösung gelöst und über das gesamte Isoliersubstrat diffundiert.Die Erhöhung des Abstandes zwischen benachbarten Leitern verringert das elektrische Feld zwischen ihnen,dadurch die Reaktion der treibenden elektrolytischen Elektromigration unterdrückt.Die Elektromigrationsanalyse im neuen Layout muss das Design überprüfen,um sicherzustellen,dass die Leiterbahnlücke nicht gegen Designregeln oder Industriestandards verstößt. Wenn Sie einige grundlegende Leiterplatte oder IC Layoutwerkzeuge,Sie können das Layout anhand dieser Regeln überprüfen und eventuelle Verstöße feststellen. Mit dem Schrumpfen von IC und Leiterplatte, Elektromigrationsanalysen werden immer wichtiger, um Zuverlässigkeit zu gewährleisten.