Tin tức về PCB - Di chuyển điện và phân tích di chuyển điện IC trong PCB là gì

Di cư điện là gì và tại sao nó xảy ra? Và quan trọng hơn, làm thế nào để ngăn chặn nó? Một vòng phân tích di chuyển điện PCB và IC đơn giản. Mục đích là để ngăn chặn các thiết bị này ngắn mạch và mở trong các điều kiện khác nhau. Một số tiêu chuẩn công nghiệp đã được thiết lập cho mục đích này. Những gì bạn cần biết về các tiêu chuẩn này và làm thế nào di chuyển điện có thể gây ra sự cố thiết bị mới

Di chuyển điện trong electron

Khi nhiều thành phần tích tụ trong một không gian nhỏ hơn, điện trường giữa hai dây dẫn với sự khác biệt điện thế cụ thể trở nên lớn hơn. Điều này dẫn đến nhiều vấn đề an toàn trong các thiết bị điện tử cao áp, đặc biệt là xả tĩnh điện (ESD). Một trường điện cao giữa hai dây dẫn được ngăn cách bởi không khí gây ra sự cố điện môi trong không khí, tạo ra một vòng cung và xung điện trong mạch xung quanh. Để ngăn chặn các xả này trong PCB hoặc các thiết bị khác, dây dẫn được tách ra một khoảng cách phụ thuộc vào sự khác biệt về điện thế giữa các dây dẫn.

Khoảng cách giải phóng mặt bằng ở trên rất quan trọng đối với sự an toàn và ngăn ngừa sự cố thiết bị, nhưng khoảng cách qua lớp lót cũng rất quan trọng. Một điểm khác cần xem xét là khoảng cách giữa các dây dẫn đi qua điện môi. Trong PCB, điều này được gọi là khoảng cách leo điện và các yêu cầu của nó (và giải phóng mặt bằng điện) được xác định trong tiêu chuẩn IPC2221. Khi khoảng cách giữa các dây dẫn nhỏ, điện trường có thể lớn, dẫn đến di chuyển điện.

Khi mật độ dòng điện trong dây dẫn lớn (trong IC), hoặc khi điện trường giữa hai dây dẫn lớn (trong PCB), cơ chế thúc đẩy di chuyển điện có thể được mô tả là tăng trưởng theo cấp số nhân. Để ngăn chặn di chuyển điện, bạn có thể sử dụng ba đòn bẩy để kéo thiết kế của mình:

Tăng khoảng cách giữa các dây dẫn (trong PCB)

Giảm điện áp giữa các dây dẫn (trong PCB)

Chạy thiết bị với dòng điện thấp hơn (trong IC)

Di chuyển điện trong mạch tích hợp: mở và ngắn mạch

Trong kết nối IC, lực chính không phải là điện trường và ion hóa tiếp theo giữa hai dây dẫn. Ngược lại, di chuyển điện trạng thái rắn là do chuyển động lượng electron (tán xạ) ở mật độ dòng điện cao (thường là "10.000 A/cm2") khiến kim loại di chuyển dọc theo con đường dẫn điện A (trong trường hợp này là kết nối kim loại). Di chuyển điện theo quy trình Ahrrenius, do đó tốc độ di chuyển tăng khi nhiệt độ kết nối tăng lên.

Các lực liên quan đến sự di chuyển điện của đồng được thể hiện dưới đây. Gió là lực tác dụng lên các ion kim loại do sự tán xạ electron của các nguyên tử kim loại trong mạng tinh thể. Sự ion hóa và truyền động lượng lặp đi lặp lại này đến các ion kim loại tự do khiến chúng khuếch tán về phía cực dương. Quá trình di chuyển này có năng lượng kích hoạt. Sự khuếch tán định hướng bắt đầu khi năng lượng chuyển đến một nguyên tử kim loại vượt quá quá trình kích hoạt Ahrrenius được hướng dẫn bởi gradient nồng độ (định luật Fick).

Khi kim loại được kéo lên bề mặt của dây dẫn, nó bắt đầu xây dựng các cấu trúc có thể cầu nối hai dây dẫn, dẫn đến ngắn mạch. Nó cũng có thể làm cạn kiệt kim loại ở phía cực dương được kết nối với nhau, dẫn đến các mạch hở. Hình ảnh SEM dưới đây cho thấy kết quả của sự di chuyển điện kéo dài giữa hai dây dẫn. Khi kim loại di chuyển dọc theo bề mặt, nó để lại khoảng trống (mạch hở) hoặc hình thành các râu (ngắn mạch) gắn với dây dẫn liền kề. Trong trường hợp cực đoan với lỗ thông qua, di chuyển điện thậm chí có thể làm cạn kiệt dây dẫn bên dưới lớp phủ.

Di cư điện trong PCBS: tăng trưởng giống như cành cây

Các hiệu ứng tương tự đã xảy ra trong PCBS, dẫn đến hai hình thức di chuyển điện có thể:

Di chuyển điện dọc theo bề mặt, như đã đề cập ở trên

Sự hình thành muối bán dẫn dẫn đến sự phát triển điện hóa của các cấu trúc giống như nhánh cây

Những hiệu ứng này được kiểm soát bởi các quá trình vật lý khác nhau. Do kích thước của dây kim loại rất lớn so với mặt cắt ngang được kết nối với IC, mật độ dòng điện giữa hai dây dẫn có thể rất thấp. Trong những trường hợp này, sự di chuyển xảy ra ở mật độ dòng điện cao, dẫn đến cùng một loại tăng trưởng ngắn mạch theo thời gian. Trong lớp bề mặt, quá trình oxy hóa tiếp theo có thể xảy ra khi dây dẫn tiếp xúc với không khí.

Trong trường hợp thứ hai, di chuyển điện là một quá trình điện phân. Trường này điều khiển các phản ứng điện hóa khi có nước và muối. Di chuyển điện phân đòi hỏi nước trên bề mặt và dòng điện một chiều cao giữa hai dây dẫn, điều này thúc đẩy phản ứng điện hóa và tăng trưởng giống như cành cây. Các ion kim loại di chuyển được hòa tan trong dung dịch nước và lan rộng ra toàn bộ lớp lót cách nhiệt. IPC2221 đóng một vai trò ở đây vì tăng khoảng cách giữa các dây dẫn liền kề làm giảm điện trường giữa chúng và do đó ức chế các phản ứng thúc đẩy di chuyển điện phân.

Phân tích di chuyển điện trong bố cục mới đòi hỏi phải kiểm tra thiết kế để đảm bảo rằng khoảng cách dấu vết không vi phạm các quy tắc thiết kế hoặc tiêu chuẩn công nghiệp. Nếu bạn có quyền truy cập vào một số công cụ bố trí PCB hoặc IC cơ bản, bạn có thể kiểm tra bố cục và phát hiện bất kỳ vi phạm nào dựa trên các quy tắc này. Khi ICS và PCBS tiếp tục thu hẹp, phân tích di chuyển điện sẽ chỉ trở nên quan trọng hơn để đảm bảo độ tin cậy.