Data PCB - Apa itu elektromigrasi? Analisi elektromigrasi IC dalam papan PCB

Kita semua berharap bahawa Papan PCB boleh menjadi sempurna konduktif dan stabil, tetapi situasi sebenarnya tidak begitu. Dunia sebenar tidak terdiri dari konduktor sempurna dan pengirim dikelilingi oleh vakum, dan medan elektrik akan berinteraksi dengan konduktor dan substrat dalam sistem sebenar. Sama ada merancang IC atau PCB, perlu mempertimbangkan kesan penting produk elektronik yang tidak sempurna: elektromigrasi. Apa itu elektromigrasi dan mengapa ia berlaku? Yang lebih penting, bagaimana untuk mencegahnya? Satu pusingan sederhana analisis elektromigrasi PCB dan IC. Tujuan adalah untuk mencegah litar pendek dan litar terbuka peralatan ini dalam keadaan yang berbeza. Some industry standards have been developed for this purpose. 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, medan elektrik antara dua konduktor dengan perbezaan potensi tertentu menjadi lebih besar. Ini menyebabkan beberapa masalah keselamatan dalam peralatan elektronik tenaga tinggi, especially electrostatic discharge (ESD). Medan elektrik tinggi antara dua konduktor terpisah dengan udara akan menyebabkan udara mengalami kerosakan dielektrik, dengan itu menghasilkan lengkung dan denyutan semasa dalam sirkuit sekeliling. Untuk mencegah pembuangan ini Papan PCBs atau peralatan lain, konduktor perlu dipisahkan dengan ruang tertentu, yang bergantung pada perbezaan potensi antara konduktor. Jarak ruang di atas penting untuk keselamatan dan mencegah kegagalan peralatan, tetapi jarak menyeberangi substrat juga penting. Titik lain untuk dipertimbangkan adalah jarak antara konduktor melalui dielektrik. Dalam PCB, ini dipanggil jarak creepage. Apabila jarak antara konduktor kecil, medan elektrik mungkin besar, yang menghasilkan elektromigrasi. When the current density in a conductor is large (in IC), or when the electric field between two conductors is large (in PCB), mekanisme pemandu elektromigrasi boleh digambarkan sebagai pertumbuhan eksponensial. Untuk mencegah elektromigrasi, you can use three levers to pull in your design:

Tambah jarak antara konduktor (dalam papan PCB); Kurangkan ketegangan antara konduktor (dalam papan PCB); Operasikan peranti pada semasa bawah (dalam IC).

Elektromigrasi dalam IC: litar terbuka dan litar pendek

Dalam sambungan IC, kekuatan utama bukan medan elektrik antara dua konduktor dan ionisasi berikutnya. Sebaliknya, elektromigrasi keadaan-kuat disebabkan pemindahan momentum elektron (penyebaran) pada densiti semasa tinggi, yang menyebabkan logam bergerak sepanjang laluan konduktif (dalam kes ini, logam bersambung sendiri). Kelajuan migrasi meningkat dengan meningkat suhu saling sambung. Pasukan yang terlibat dalam elektromigrasi tembaga adalah seperti ini. Kekuatan angin merujuk kepada kekuatan yang dilaksanakan pada ion logam disebabkan penyebaran elektron dari atom logam dalam lattice. ionisasi berulang dan momentum ini dipindahkan ke ion logam bebas, menyebabkan mereka menyebar ke arah anod. Proses migrasi ini mempunyai tenaga aktivasi. Apabila tenaga dipindahkan ke atom logam melebihi proses aktivasi ahrenius, penyebaran arah bermula, yang dilakukan di bawah petunjuk gradien konsentrasi (undang-undang Fick). Apabila logam ditarik ke permukaan konduktor, ia mula untuk menetapkan struktur yang boleh menyambung dua konduktor, dengan itu menyebabkan sirkuit pendek. Ia juga menghancurkan logam di sisi anod sambungan, yang menghasilkan sirkuit terbuka. Imej SEM di bawah menunjukkan keputusan elektromigrasi lanjutan antara dua konduktor. Apabila logam bergerak sepanjang permukaan, ia akan meninggalkan ruang (sirkuit terbuka) atau menghasilkan whiskers (sirkuit pendek) yang tersambung dengan konduktor sebelah. Dalam kes-kes ekstrim dengan vias, elektromigrasi bahkan mungkin mengurangi konduktor di bawah lapisan capping.

Electromigration in PCB: dendritic growth
Similar effects occur in Papan PCBs, resulting in two possible forms of electromigration:
As described above, elektromigrasi sepanjang permukaan, bentuk garam setengah konduktor, menyebabkan pertumbuhan elektrokimia struktur dendritik. Kesan ini dikawal oleh proses fizik berbeza. Densitas semasa diantara dua konduktor mungkin rendah kerana saiz jejak logam sangat besar dibandingkan dengan seksyen salib sambungan IC. Dalam kes ini, migrasi akan berlaku pada densiti semasa tinggi, yang menyebabkan pertumbuhan jenis yang sama. Pada lapisan permukaan, oksidasi mungkin kemudian berlaku kerana konduktor terkena udara. In the second case, elektromigrasi adalah proses elektrolitik. Medan ini mendorong reaksi elektrokimia dalam kehadiran air dan garam. Electrolytic electromigration requires water on the surface and high direct current between the two conductors, which will drive the electrochemical reaction and the growth of dendritic structures. Ion logam yang dipindahkan terpecah dalam penyelesaian air dan terpecah di seluruh substrat pengisihan. Meningkatkan jarak antara konduktor bersebelahan mengurangkan medan elektrik diantaranya, dengan itu menekan reaksi pemanduan elektrolitik. Analisis elektroimigrasi dalam bentangan baru perlu memeriksa desain untuk memastikan ruang jejak tidak melanggar peraturan desain atau standar industri. Jika anda boleh menggunakan beberapa asas Papan PCB atau alat bentangan IC, anda boleh periksa bentangan melawan peraturan ini dan mencari mana-mana pelanggaran. Dengan pengurangan IC dan Papan PCB, analisis elektromigrasi hanya akan menjadi semakin penting untuk memastikan kepercayaan.