Berita PCB - Apa ialah analisis elektromigrasi dan IC elektromigrasi dalam PCB

Apa itu elektromigrasi dan mengapa ia berlaku? Dan yang lebih penting, bagaimana untuk mencegahnya? Satu pusingan sederhana papan PCB dan analisis elektromigrasi IC. Tujuan adalah untuk mencegah peranti ini daripada sirkuit pendek dan sirkuit terbuka dalam keadaan yang berbeza. Beberapa standar industri telah dikembangkan untuk tujuan ini. Apa yang anda perlu tahu tentang piawai ini dan bagaimana elektromigrasi boleh menyebabkan peralatan baru gagal

Elektromigrasi dalam elektron

Sebagai lebih banyak komponen tumpukan dalam ruang yang lebih kecil, medan elektrik antara dua konduktor dengan perbezaan potensi tertentu menjadi lebih besar. Ini membawa kepada beberapa isu keselamatan dalam elektronik tenaga tinggi, terutama pembuangan elektrostatik (ESD). Medan elektrik tinggi antara dua konduktor yang dipisahkan oleh udara menyebabkan udara mengalami kerosakan dielektrik, yang mencipta lengkung dan denyutan semasa dalam sirkuit sekeliling. Untuk mencegah pembuangan ini dalam PCB atau peranti lain, pisahkan konduktor pada jarak yang bergantung pada perbezaan potensi antara konduktor.

Jarak pelepasan di atas penting untuk keselamatan dan perlindungan terhadap kegagalan peralatan, tetapi jarak melalui substrat juga penting. Titik lain untuk dipertimbangkan adalah jarak antara konduktor melalui dielektrik. Dalam PCB, ini dipanggil jarak creepage, dan keperluan (dan pembersihan elektrik) ditakrif dalam piawai IPC2221. Apabila jarak antara konduktor kecil, medan listrik boleh besar, membawa kepada migrasi listrik.

Apabila densiti semasa dalam konduktor besar (dalam IC), atau apabila medan elektrik antara dua konduktor besar (dalam PCB), mekanisme yang memandu elektromigrasi boleh dijelaskan sebagai pertumbuhan eksponensial. Untuk mencegah elektromigrasi, anda boleh menggunakan tiga lever untuk menarik dalam rancangan anda:

Tingkatkan jarak antara konduktor (dalam PCB)

Kurangkan ketegangan diantara konduktor (dalam PCB)

Untuk menjalankan peralatan pada semasa bawah (dalam IC)

Elektromigrasi dalam ics: sirkuit terbuka dan pendek

Dalam sambungan IC, kekuatan utama bukan medan elektrik antara dua konduktor dan ionisasi berikutnya. Sebaliknya, elektromigrasi keadaan kuat disebabkan pemindahan momentum elektron (menyebar) pada densiti semasa tinggi (biasanya "10,000 A/cm2") menyebabkan logam bergerak sepanjang laluan konduktif (dalam kes ini, logam menyambung diri). Elektromigrasi mengikut proses Ahrrenius, jadi kelajuan migrasi meningkat dengan meningkat suhu saling sambung.

Kekuatan yang terlibat dalam elektromigrasi tembaga dipaparkan di bawah. Kekuatan angin adalah kekuatan yang dilaksanakan pada ion logam disebabkan penyebaran elektron dari atom logam di dalam lattice. ionisasi berulang ini dan pemindahan momentum ke ion logam bebas menyebabkan mereka menyebar ke arah anod. Proses migrasi ini mempunyai tenaga aktivasi. Penyebar arah bermula apabila tenaga dipindahkan ke atom logam melebihi proses aktivasi Ahrrenius, yang dipandu oleh gradien konsentrasi (Undang-undang Fick).

Apabila logam ditarik ke permukaan konduktor, ia mula membina struktur yang boleh menyambung dua konduktor, menyebabkan sirkuit pendek. Ia juga boleh menghilangkan logam di sisi anod sambungan, yang membawa kepada sirkuit terbuka. Imej SEM di bawah menunjukkan keputusan elektromigrasi lanjutan antara dua konduktor. Sebagaimana logam bergerak sepanjang permukaan, ia meninggalkan ruang-ruang (sirkuit terbuka) atau mencipta wisker yang menyambung dengan konduktor bersebelahan (sirkuit pendek). Dalam kes-kes ekstrim dengan lubang melalui, elektromigrasi bahkan boleh mengurangi konduktor di bawah penyamaran.

Elektromigrasi dalam PCBS: Pertumbuhan Dendritic

Kesan yang sama berlaku dalam PCBS, yang menghasilkan dua bentuk kemungkinan elektromigrasi:

Seperti yang diterangkan di atas, elektromigrasi sepanjang permukaan

Formasi garam semikonduktor membawa kepada pertumbuhan elektrokimia struktur dendritik

Kesan ini dikawal oleh proses fizik berbeza. Densitas semasa antara kedua-dua konduktor boleh sangat rendah kerana saiz besar wayar logam dibandingkan dengan seksyen salib sambungan IC. Dalam kes-kes ini, migrasi berlaku pada densiti semasa yang tinggi, yang menghasilkan jenis yang sama pembatasan pendek berkembang pada masa. Di lapisan permukaan, oksidasi berikutnya boleh berlaku kerana konduktor terkena udara.

Dalam kes kedua, elektromigrasi adalah proses elektrolitik. Medan ini menyebabkan reaksi elektrokimia dalam kehadiran air dan garam. Electrolytic electromigration memerlukan air di permukaan dan arus langsung tinggi antara dua konduktor, yang mendorong reaksi elektrokimia dan pertumbuhan dendritik. Ion logam yang bergerak meleleh dalam penyelesaian air dan tersebar di seluruh substrat pengisihan. IPC2221 bermain di sini kerana meningkatkan jarak antara konduktor bersebelahan mengurangkan medan elektrik di antara mereka, dengan itu menghalang reaksi yang menyebabkan migrasi elektrik elektrolitik.

Analisis elektroimigrasi dalam bentangan baru memerlukan pemeriksaan desain untuk memastikan ruang jejak tidak melanggar peraturan desain atau standar industri. Jika anda mempunyai akses ke beberapa alat bentangan asas PCB atau IC, anda boleh periksa bentangan melawan peraturan ini dan mencari mana-mana pelanggaran. Semasa ICS dan PCBS terus berkurang, analisis elektromigrasi hanya akan menjadi lebih penting untuk memastikan kepercayaan.