PCB新聞 - 什麼是PCB中的電遷移和IC電遷移分析

什麼是電遷移？為什麼會發生電遷移? 更重要的是, 如何預防? 一輪簡單的 PCB電路板 和IC電遷移分析. 目的是防止這些設備在不同條件下短路和斷路. 為此製定了若干行業標準. 關於這些標準，以及電遷移如何導致新設備故障，您需要瞭解什麼

電子中的電遷移

隨著越來越多的元件堆積在較小的空間中，具有指定電位差的兩個導體之間的電場變得更大。 這導致了高壓電子設備中的許多安全問題，尤其是靜電放電（ESD）。 兩個被空氣隔開的導體之間的高電場會導致空氣發生介質擊穿，從而在周圍電路中產生電弧和電流脈衝。 為了防止PCB或其他設備中出現這些放電，應根據導體之間的電位差將導體分開。

上述間隙距離對於安全和防止設備故障非常重要，但穿過基板的距離也很重要。 另一個需要考慮的點是穿過電介質的導體之間的距離。 在PCB中，這稱為爬電距離，其要求（和電氣間隙）在IPC2221標準中定義。 當導體之間的間距很小時，電場可能很大，導致電遷移。

當導體中的電流密度較大（在IC中）或兩個導體之間的電場較大（在PCB中）時，驅動電遷移的機制可以描述為指數增長。 為了防止電遷移，您可以使用3個杠杆來拉動您的設計：

新增導體之間的間距（在PCB中）

降低導體之間的電壓（在PCB中）

以較低電流運行設備（在IC中）

集成電路中的電遷移：開路和短路

在IC互連中，主要作用力不是兩個導體之間的電場和隨後的電離。 相反，固態電遷移是由於高電流密度（通常為“10000 A/cm2”）下的電子動量轉移（散射）導致金屬沿導電路徑移動（在這種情況下，金屬互連本身）。 電遷移遵循Ahrrenius過程，囙此遷移速度隨互連溫度的升高而新增。

銅的電遷移所涉及的力如下所示。 風力是由於晶格中金屬原子的電子散射而對金屬離子施加的力。 這種對自由金屬離子的重複電離和動量轉移導致它們向陽極擴散。 這種遷移過程具有活化能。 當轉移到金屬原子的能量超過濃度梯度（菲克定律）引導的阿赫裏紐斯活化過程時，定向擴散開始。

當金屬被拉到導體表面時，它開始建造可以橋接兩個導體的結構，從而導致短路。 它還會耗盡互連陽極側的金屬，導致開路。 下麵的SEM影像顯示了兩個導體之間擴展電遷移的結果。 當金屬沿表面遷移時，會留下間隙（開路）或產生與相鄰導體相連的鬍鬚（短路）。 在有通孔的極端情况下，電遷移甚至會耗盡覆蓋層下的導體。

PCBA中的電遷移：樹枝狀生長

PCBA中也存在類似的效應，導致兩種可能的電遷移形式：

如上所述，沿表面的電遷移

電晶體鹽的形成導致樹枝狀結構的電化學生長

這些影響由不同的物理過程控制。 由於與IC互連的橫截面相比，金屬線的尺寸非常大，囙此兩個導體之間的電流密度可能非常低。 在這些情况下，遷移發生在高電流密度下，導致同一類型的快捷方式隨時間增長。 在表層，當導體暴露在空氣中時，可能會發生後續氧化。

在第二種情况下，電遷移是一種電解過程。 電場在水和鹽的存在下驅動電化學反應。 電解電遷移需要表面有水和兩個導體之間的高直流電，從而驅動電化學反應和樹枝狀生長。 遷移的金屬離子溶解在水溶液中，並擴散到整個絕緣基板上。 IPC2221在這裡起作用是因為新增相鄰導體之間的距離會减少它們之間的電場，從而抑制驅動電解電遷移的反應。

新佈局中的電遷移分析需要檢查設計，以確保跟踪間隙不會違反設計規則或行業標準。 如果您可以使用一些基本的PCB或IC佈局工具，則可以根據這些規則檢查佈局，並發現任何違規情况。 隨著集成電路和印刷電路板的不斷縮小，電遷移分析對於確保可靠性只會變得更加重要。