Speriamo tutti che il Scheda PCB può essere perfettamente conduttivo e stabile, ma la situazione attuale non è così. Il mondo reale non è composto da conduttori e isolanti perfetti circondati dal vuoto, e il campo elettrico interagisce con i conduttori e substrati nel sistema reale. Che si tratti di progettazione di IC o PCB, è necessario considerare l'importante impatto di prodotti elettronici imperfetti: elettromigrazione. Cos'è l'elettromigrazione e perché succede? Ancora più importante, come prevenirlo? Un semplice round di analisi dell'elettromigrazione PCB e IC. Lo scopo è quello di prevenire il cortocircuito e il circuito aperto di queste apparecchiature in condizioni diverse. Alcuni standard industriali sono stati sviluppati a questo scopo. You need to understand these standards and how electromigration can cause new equipment to fail
Electromigration in electrons
As more components are stacked in a smaller space, il campo elettrico tra due conduttori con una differenza di potenziale specificata diventa più grande. Ciò porta ad alcuni problemi di sicurezza nelle apparecchiature elettroniche ad alta tensione, especially electrostatic discharge (ESD). L'alto campo elettrico tra due conduttori separati dall'aria causerà la rottura dielettrica dell'aria, generando così un arco e un impulso di corrente nel circuito circostante. Prevenire tali scarichi in Scheda PCBs o altre attrezzature, i conduttori devono essere separati da una certa distanza, che dipende dalla differenza di potenziale tra i conduttori. La distanza dello spazio di cui sopra è importante per la sicurezza e prevenire guasti alle apparecchiature, ma la distanza attraverso il substrato è anche importante. Un altro punto da considerare è la distanza tra i conduttori attraverso il dielettrico. In PCB, questa è chiamata distanza di strisciamento. Quando la distanza tra i conduttori è piccola, il campo elettrico può essere grande, con conseguente elettromigrazione. When the current density in a conductor is large (in IC), or when the electric field between two conductors is large (in PCB), Il meccanismo di azionamento dell'elettromigrazione può essere descritto come crescita esponenziale. Per prevenire l'elettromigrazione, you can use three levers to pull in your design:
Aumentare la distanza tra i conduttori (nella scheda PCB); Ridurre la tensione tra i conduttori (nella scheda PCB); Operare il dispositivo a una corrente inferiore (nel IC).
Elettromigrazione in IC: circuito aperto e cortocircuito
Nelle interconnessioni IC, la forza principale non è il campo elettrico tra due conduttori e successiva ionizzazione. Al contrario, l'elettromigrazione allo stato solido è dovuta al trasferimento del momento dell'elettrone (scattering) ad alta densità di corrente, che provoca il metallo a muoversi lungo il percorso conduttivo (in questo caso, l'interconnessione del metallo stesso). La velocità di migrazione aumenta con l'aumento della temperatura di interconnessione. Le forze coinvolte nell'elettromigrazione del rame sono le seguenti. La forza del vento si riferisce alla forza esercitata sugli ioni metallici a causa della dispersione di elettroni dagli atomi metallici nel reticolo. Questa ionizzazione ripetuta e slancio sono trasferiti agli ioni metallici liberi, facendoli diffondere verso l'anodo. Questo processo di migrazione ha energia di attivazione. Quando l'energia trasferita all'atomo metallico supera il processo di attivazione ahrenius, inizia la diffusione direzionale, che viene effettuata sotto la guida del gradiente di concentrazione (legge di Fick). Quando il metallo viene tirato alla superficie del conduttore, inizia a stabilire una struttura in grado di collegare due conduttori, causando così un cortocircuito. Inoltre esaurisce il metallo sul lato anodico dell'interconnessione, con conseguente circuito aperto. L'immagine SEM qui sotto mostra i risultati dell'elettromigrazione estesa tra i due conduttori. Quando il metallo migra lungo la superficie, lascerà vuoti (circuiti aperti) o genererà baffi (cortocircuiti) collegati a conduttori adiacenti. In casi estremi con vias, l'elettromigrazione può persino esaurire i conduttori sotto lo strato di copertura.
Electromigration in PCB: dendritic growth
Similar effects occur in Scheda PCBs, resulting in two possible forms of electromigration:
As described above, elettromigrazione lungo la superficie, la formazione di sali semiconduttori, porta alla crescita elettrochimica delle strutture dendritiche. Questi effetti sono controllati da diversi processi fisici. La densità di corrente tra i due conduttori può essere bassa perché la dimensione delle tracce metalliche è molto grande rispetto alla sezione trasversale dell'interconnessione IC. In questo caso, la migrazione avverrà ad alta densità di corrente, con conseguente crescita dello stesso tipo di stubs nel tempo. Sullo strato superficiale, L'ossidazione può successivamente verificarsi quando il conduttore è esposto all'aria. Nel secondo caso, L'elettromigrazione è un processo elettrolitico. Questo campo guida reazioni elettrochimiche in presenza di acqua e sale. L'elettromigrazione elettrolitica richiede acqua sulla superficie e alta corrente continua tra i due conduttori, che guiderà la reazione elettrochimica e la crescita delle strutture dendritiche. Gli ioni metallici migrati vengono sciolti nella soluzione acquosa e diffusi su tutto il substrato isolante. Aumentare la distanza tra conduttori adiacenti riduce il campo elettrico tra di loro, sopprimendo così la reazione dell'elettromigrazione elettrolitica. L'analisi dell'elettromigrazione nel nuovo layout deve controllare il design per garantire che il gap di traccia non violi le regole di progettazione o gli standard industriali. Se si può usare qualche base Scheda PCB o strumenti di layout IC, È possibile controllare il layout rispetto a queste regole e trovare eventuali violazioni. Con il restringimento di IC e
Scheda PCB, L'analisi dell'elettromigrazione diventerà sempre più importante solo per garantire l'affidabilità.
