PCB和IC設計的電遷移分析

2020-05-06

我們都希望電路能夠完美地導電和穩定，但實(shí)際情況并非如此。現實(shí)世界并不由被真空包圍的完美導體和絕緣體組成，并且電場(chǎng)將與真實(shí)系統中的導體和基底相互作用。無(wú)論是設計IC還是PCB，都需要考慮在不完善的電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的重要影響：電遷移。

什么是電遷移，為什么會(huì )發(fā)生？更重要的是，如何預防呢？一輪簡(jiǎn)單的PCB和IC電遷移分析。目的是防止這些設備在不同條件下發(fā)生短路和開(kāi)路。為此已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一些行業(yè)標準。您需要了解這些標準以及電遷移如何導致新設備出現故障的知識

電子中的電遷移

隨著(zhù)更多的組件堆積在更小的空間中，具有指定電位差的兩個(gè)導體之間的電場(chǎng)會(huì )變大。這導致高壓電子設備中的一些安全問(wèn)題，特別是靜電放電（ESD）。被空氣隔開(kāi)的兩個(gè)導體之間的高電場(chǎng)會(huì )使空氣經(jīng)歷電介質(zhì)擊穿，從而在周?chē)碾娐分挟a(chǎn)生電弧和電流脈沖。要在PCB或其他設備中防止這些放電，需要以一定的最小間距分隔導體，該間距取決于導體之間的電勢差。

上述間隙距離對于安全性和防止設備故障很重要，但是跨襯底的距離也很重要。要考慮的另一點(diǎn)是跨電介質(zhì)的導體之間的距離。在PCB中，這稱(chēng)為爬電距離，其要求（以及電氣間隙）在IPC 2221標準中定義。當導體之間的間距較小時(shí)，電場(chǎng)可能會(huì )很大，從而導致電遷移。

當導體中的電流密度較大時(shí)（在IC中），或者當兩個(gè)導體之間的電場(chǎng)較大時(shí)（在PCB中），驅動(dòng)電遷移的機制可以描述為指數增長(cháng)。為了防止電遷移，您可以使用三個(gè)杠桿來(lái)拉入您的設計：

增加導體之間的間距（在PCB中）

降低導體之間的電壓（在PCB中）

以更低的電流運行設備（在IC中）

IC中的電遷移：開(kāi)路和短路

在IC互連中，主要作用力不是兩個(gè)導體之間以及隨后電離之間的電場(chǎng)。相反，固態(tài)電遷移是由于在高電流密度（通常> 10,000 A / cm2）下的電子動(dòng)量傳遞（散射）導致金屬沿著(zhù)導電路徑（在這種情況下，金屬互連本身）運動(dòng)。電遷移遵循Ahrrenius過(guò)程，因此遷移速度隨著(zhù)互連溫度的升高而增加。

銅電遷移所涉及的力如下所示。風(fēng)力是指由于電子從晶格中的金屬原子的散射而施加在金屬離子上的力。這種反復的電離和動(dòng)量傳遞到自由金屬離子，使它們向陽(yáng)極擴散。這種遷移過(guò)程具有活化能。當傳遞給金屬原子的能量超過(guò)Ahrrenius活化過(guò)程時(shí)，定向擴散就開(kāi)始了，這是在濃度梯度的指導下進(jìn)行的（菲克定律）。

當金屬被拉到導體表面時(shí)，它開(kāi)始建立可以橋接兩個(gè)導體的結構，從而造成短路。它還會(huì )耗盡互連線(xiàn)陽(yáng)極側的金屬，導致開(kāi)路。下面的SEM圖像顯示了兩個(gè)導體之間擴展電遷移的結果。當金屬沿著(zhù)表面遷移時(shí)，它會(huì )留下空隙（開(kāi)路）或產(chǎn)生連接到相鄰導體的晶須（短路）。在帶有通孔的極端情況下，電遷移甚至會(huì )耗盡覆蓋層下方的導體。

PCB中的電遷移：樹(shù)突狀生長(cháng)

PCB中會(huì )發(fā)生類(lèi)似的影響，從而導致兩種可能的電遷移形式：

如上所述，沿著(zhù)表面的電遷移

半導體鹽的形成，導致樹(shù)狀樹(shù)狀結構的電化學(xué)生長(cháng)

這些影響由不同的物理過(guò)程控制。兩個(gè)導體之間的電流密度可能會(huì )很低，因為與IC互連的橫截面相比，金屬走線(xiàn)的尺寸非常大。在第一種情況下，遷移會(huì )在高電流密度下發(fā)生，從而導致相同類(lèi)型的短截線(xiàn)隨時(shí)間增長(cháng)。在表面層上，隨著(zhù)導體暴露于空氣中，隨后可能發(fā)生氧化。

在第二種情況下，電遷移是電解過(guò)程。該領(lǐng)域在存在水分和鹽分的情況下驅動(dòng)電化學(xué)反應。電解電遷移需要表面上的水分和兩個(gè)導體之間的高直流電，這會(huì )驅動(dòng)電化學(xué)反應和樹(shù)枝狀結構的生長(cháng)。遷移的金屬離子溶解在水溶液中并擴散到整個(gè)絕緣基板上。IPC 2221在這里發(fā)揮了作用，因為增加相鄰導體之間的距離會(huì )減小它們之間的電場(chǎng)，從而抑制了驅動(dòng)電解電遷移的反應。

新布局中的電遷移分析需要檢查設計，以確保跡線(xiàn)間隙不違反設計規則或行業(yè)標準。如果您可以使用一些基本的PCB或IC布局工具，則可以對照這些規則檢查布局并找出任何違規之處。隨著(zhù)IC和PCB的不斷縮小，電遷移分析對于確?？煽啃?xún)H會(huì )變得越來(lái)越重要。