Notizie PCB - Che cosa è l'elettromigrazione e l'analisi dell'elettromigrazione IC in PCB

Cos'è l'elettromigrazione e perché si verifica? E soprattutto, come prevenirlo? Un semplice giro di scheda PCB e analisi di elettromigrazione IC. Lo scopo è quello di impedire che questi dispositivi si cortocircuino e si aprano in condizioni diverse. A tal fine sono stati sviluppati diversi standard industriali. Cosa dovete sapere su questi standard e come l'elettromigrazione può causare il guasto di nuove apparecchiature

Elettromigrazione negli elettroni

Man mano che più componenti si accumulano in uno spazio più piccolo, il campo elettrico tra due conduttori con una differenza di potenziale specificata diventa più grande. Ciò comporta una serie di problemi di sicurezza nell'elettronica ad alta tensione, in particolare la scarica elettrostatica (ESD). Un alto campo elettrico tra due conduttori separati dall'aria fa sì che l'aria subisca la rottura dielettrica, che crea archi e impulsi di corrente nel circuito circostante. Per evitare queste scariche in un PCB o altro dispositivo, separare i conduttori a una distanza che dipende dalla differenza di potenziale tra i conduttori.

La distanza di distanza sopra è importante per la sicurezza e la protezione contro i guasti delle apparecchiature, ma anche la distanza attraverso il substrato è importante. Un altro punto da considerare è la distanza tra i conduttori attraverso il dielettrico. Nel PCB, questa è chiamata distanza di strisciamento e i suoi requisiti (e spazio elettrico) sono definiti nello standard IPC2221. Quando la distanza tra i conduttori è piccola, il campo elettrico può essere grande, portando alla migrazione elettrica.

Quando la densità di corrente nel conduttore è grande (in un IC), o quando il campo elettrico tra due conduttori è grande (in un PCB), il meccanismo che guida l'elettromigrazione può essere descritto come crescita esponenziale. Per prevenire l'elettromigrazione, è possibile utilizzare tre leve per tirare il disegno:

Aumentare la distanza tra i conduttori (in un PCB)

Ridurre la tensione tra i conduttori (in PCB)

Per far funzionare le apparecchiature a corrente inferiore (in IC)

Elettromigrazione in ics: circuiti aperti e cortocircuiti

Nell'interconnessione IC, la forza principale non è il campo elettrico tra i due conduttori e la successiva ionizzazione. Al contrario, l'elettromigrazione allo stato solido è dovuta al trasferimento del momento dell'elettrone (scattering) ad alte densità di corrente (tipicamente "10.000 A/cm2") che induce il metallo a muoversi lungo un percorso conduttivo (in questo caso, il metallo si interconnette). L'elettromigrazione segue il processo Ahrrenius, quindi la velocità di migrazione aumenta con l'aumento della temperatura di interconnessione.

Le forze coinvolte nell'elettromigrazione del rame sono mostrate di seguito. La forza del vento è la forza esercitata sugli ioni metallici a causa della dispersione degli elettroni dagli atomi metallici nel reticolo. Questa ionizzazione ripetuta e trasferimento di slancio agli ioni metallici liberi li induce a diffondersi verso l'anodo. Questo processo di migrazione ha energia di attivazione. La diffusione direzionale inizia quando l'energia trasferita agli atomi metallici supera il processo di attivazione di Ahrrenius, guidato dal gradiente di concentrazione (Legge di Fick).

Quando il metallo viene tirato sulla superficie di un conduttore, inizia a costruire strutture in grado di collegare i due conduttori, causando un cortocircuito. Può anche esaurire il metallo sul lato anodico dell'interconnessione, portando ad un circuito aperto. L'immagine SEM qui sotto mostra i risultati dell'elettromigrazione estesa tra due conduttori. Mentre il metallo migra lungo la superficie, lascia spazi vuoti (circuiti aperti) o crea baffi che si collegano a conduttori adiacenti (cortocircuiti). In casi estremi con fori passanti, l'elettromigrazione può persino esaurire il conduttore sotto la sovrapposizione.

Elettromigrazione in PCBS: crescita dendritica

Un effetto simile si verifica nei PCB, con conseguente due possibili forme di elettromigrazione:

Come descritto sopra, elettromigrazione lungo la superficie

La formazione di sali semiconduttori porta alla crescita elettrochimica delle strutture dendritiche dendritiche

Questi effetti sono controllati da diversi processi fisici. La densità di corrente tra i due conduttori può essere molto bassa a causa delle dimensioni molto grandi del filo metallico rispetto alla sezione trasversale dell'interconnessione IC. In questi casi, la migrazione avviene ad alte densità correnti, con conseguente crescita dello stesso tipo di scorciatoia nel tempo. Allo strato superficiale, una successiva ossidazione può verificarsi quando il conduttore è esposto all'aria.

Nel secondo caso, l'elettromigrazione è un processo elettrolitico. Il campo guida reazioni elettrochimiche in presenza di acqua e sali. L'elettromigrazione elettrolitica richiede acqua sulla superficie e alta corrente continua tra i due conduttori, che guida le reazioni elettrochimiche e la crescita dendritica. Gli ioni metallici migratori si dissolvono in una soluzione acquosa e si diffondono in tutto il substrato isolante. IPC2221 entra in gioco qui perché aumentare la distanza tra conduttori adiacenti riduce il campo elettrico tra di loro, inibendo così la reazione che guida la migrazione elettrolitica elettrica.

L'analisi dell'elettromigrazione nel nuovo layout richiede il controllo della progettazione per garantire che le lacune di traccia non violino le regole di progettazione o gli standard del settore. Se hai accesso ad alcuni strumenti di layout PCB o IC di base, puoi controllare il layout rispetto a queste regole e trovare eventuali violazioni. Poiché ICS e PCBS continuano a ridursi, l'analisi dell'elettromigrazione diventerà più importante solo per garantire l'affidabilità.