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PCB和IC設(shè)計的電遷移分析
我們都希望電路能夠完美地導(dǎo)電和穩(wěn)定，但實際情況并非如此。現(xiàn)實世界并不由被真空包圍的完美導(dǎo)體和絕緣體組成，并且電場將與真實系統(tǒng)中的導(dǎo)體和基底相互作用。無論是設(shè)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，為什么會發(fā)生？更重要的是，如何預(yù)防呢？一輪簡單的PCB和IC電遷移分析。目的是防止這些設(shè)備在不同條件下發(fā)生短路和開路。為此已經(jīng)開發(fā)了一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。您需要了解這些標(biāo)準(zhǔn)以及電遷移如何導(dǎo)致新設(shè)備出現(xiàn)故障的知識
電子中的電遷移
隨著更多的組件堆積在更小的空間中，具有指定電位差的兩個導(dǎo)體之間的電場會變大。這導(dǎo)致高壓電子設(shè)備中的一些安全問題，特別是靜電放電（ESD）。被空氣隔開的兩個導(dǎo)體之間的高電場會使空氣經(jīng)歷電介質(zhì)擊穿，從而在周圍的電路中產(chǎn)生電弧和電流脈沖。要在PCB或其他設(shè)備中防止這些放電，需要以一定的最小間距分隔導(dǎo)體，該間距取決于導(dǎo)體之間的電勢差。
上述間隙距離對于安全性和防止設(shè)備故障很重要，但是跨襯底的距離也很重要。要考慮的另一點是跨電介質(zhì)的導(dǎo)體之間的距離。在PCB中，這稱為爬電距離，其要求（以及電氣間隙）在IPC 2221標(biāo)準(zhǔn)中定義。當(dāng)導(dǎo)體之間的間距較小時，電場可能會很大，從而導(dǎo)致電遷移。
當(dāng)導(dǎo)體中的電流密度較大時（在IC中），或者當(dāng)兩個導(dǎo)體之間的電場較大時（在PCB中），驅(qū)動電遷移的機制可以描述為指數(shù)增長。為了防止電遷移，您可以使用三個杠桿來拉入您的設(shè)計：
增加導(dǎo)體之間的間距（在PCB中）
降低導(dǎo)體之間的電壓（在PCB中）
以更低的電流運行設(shè)備（在IC中）
IC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(dǎo)體之間以及隨后電離之間的電場。相反，固態(tài)電遷移是由于在高電流密度（通常> 10,000 A / cm2）下的電子動量傳遞（散射）導(dǎo)致金屬沿著導(dǎo)電路徑（在這種情況下，金屬互連本身）運動。電遷移遵循Ahrrenius過程，因此遷移速度隨著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(fù)的電離和動量傳遞到自由金屬離子，使它們向陽極擴(kuò)散。這種遷移過程具有活化能。當(dāng)傳遞給金屬原子的能量超過Ahrrenius活化過程時，定向擴(kuò)散就開始了，這是在濃度梯度的指導(dǎo)下進(jìn)行的（菲克定律）。
當(dāng)金屬被拉到導(dǎo)體表面時，它開始建立可以橋接兩個導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)，從而造成短路。它還會耗盡互連線陽極側(cè)的金屬，導(dǎo)致開路。下面的SEM圖像顯示了兩個導(dǎo)體之間擴(kuò)展電遷移的結(jié)果。當(dāng)金屬沿著表面遷移時，它會留下空隙（開路）或產(chǎn)生連接到相鄰導(dǎo)體的晶須（短路）。在帶有通孔的極端情況下，電遷移甚至?xí)谋M覆蓋層下方的導(dǎo)體。
PCB中的電遷移：樹突狀生長
PCB中會發(fā)生類似的影響，從而導(dǎo)致兩種可能的電遷移形式：
如上所述，沿著表面的電遷移
半導(dǎo)體鹽的形成，導(dǎo)致樹狀樹狀結(jié)構(gòu)的電化學(xué)生長
這些影響由不同的物理過程控制。兩個導(dǎo)體之間的電流密度可能會很低，因為與IC互連的橫截面相比，金屬走線的尺寸非常大。在第一種情況下，遷移會在高電流密度下發(fā)生，從而導(dǎo)致相同類型的短截線隨時間增長。在表面層上，隨著導(dǎo)體暴露于空氣中，隨后可能發(fā)生氧化。
在第二種情況下，電遷移是電解過程。該領(lǐng)域在存在水分和鹽分的情況下驅(qū)動電化學(xué)反應(yīng)。電解電遷移需要表面上的水分和兩個導(dǎo)體之間的高直流電，這會驅(qū)動電化學(xué)反應(yīng)和樹枝狀結(jié)構(gòu)的生長。遷移的金屬離子溶解在水溶液中并擴(kuò)散到整個絕緣基板上。IPC 2221在這里發(fā)揮了作用，因為增加相鄰導(dǎo)體之間的距離會減小它們之間的電場，從而抑制了驅(qū)動電解電遷移的反應(yīng)。
新布局中的電遷移分析需要檢查設(shè)計，以確保跡線間隙不違反設(shè)計規(guī)則或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。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(guī)則檢查布局并找出任何違規(guī)之處。隨著IC和PCB的不斷縮小，電遷移分析對于確保可靠性僅會變得越來越重要。