电迁移分析PCB和集成电路设计

2020年5月5日

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电迁移可以在多氯联苯和ICs发生在两个方面。
物理和化学过程管理电迁移在每种类型的系统是不同的。
电迁移的结果是互连的阻力的变化,取决于具体的变化发生在一个互连。

电化学在微观层面发生在多氯联苯和ICs。

我们都爱我们的电路完全导电和稳定,但在现实情况并非如此。现实世界并不由理想导体和绝缘体被真空,将与导体的电场和基板在一个真正的系统。无论你是设计集成电路或多氯联苯,你需要考虑一个重要的效应,出现在不完美的电子产品:电迁移。

电迁移是什么,为什么会发生?更重要的是,如何预防它?一个简单的多氯联苯和ICs的电迁移分析。我们的目标是防止短路和开放电路在不同条件下这些设备。为此开发了一些行业标准。这就是你需要知道的关于这些标准和如何在新设备电迁移会导致失败。

电迁移在电子

随着更多组件包装成更小的空间,两个导体之间的电场与指定的潜在差异变得更大。这导致一些安全问题在高压电器,特别静电放电(ESD)。两个导体之间的高电场隔开空气会导致空气介质击穿,创建一个弧和周围的电流脉冲电路。防止这些排放在PCB或其他设备需要分离导线的最小间距,和间距取决于导体之间的电位差。

间隙距离上面描述的是重要的安全,防止设备故障,但在衬底的距离也很重要。另一点需要考虑的是介质导体之间的距离。多氯联苯,这就是所谓的爬电距离,的需求(以及间隙距离)在IPC 2221中定义的标准。当导体之间的分离是小,驱动电迁移的电场可以大,。

驱动电迁移的机制可以被描述为指数增长时,导体中的电流密度大(ICs),或者当两个导体之间的电场是大(多氯联苯)。为了防止电迁移,你有三个杠杆可以吸引你的设计:

增加导体之间的分离(多氯联苯)
减少导体之间的电压(多氯联苯)
运行设备在低电流(ICs)

电迁移在ICs:打开和短裤

在集成电路互联,主导力量不是两个导体之间的领域和随后的电离。相反,固态电迁移运动的金属导电路径(在这种情况下,金属互连本身)由于电子动量转移(散射)在高电流密度(通常> 10000 / cm2)。电迁移是一个Ahrrenius过程,所以迁移率的增加随着互连温度的增加。

参与铜的电迁移的力量所示。风力是指金属离子上的力由于散射电子从金属原子在晶格。这个重复的电离和动量转移自由金属离子使他们向阳极扩散。有一个这个迁移过程活化能;当能量转移到一个金属原子超过Ahrrenius激活过程,直接开始扩散,这是由浓度梯度(菲克定律)。

示意图显示力量参与电迁移。(源]

随着金属导体的表面了,它开始建立能桥两个导体结构,创建一个短路。它还可以消耗的金属阳极的互连,导致一个开放的电路。下面的SEM图像显示扩展的两个导体之间的电迁移的结果。作为金属表面迁移,它可以留下空洞(开放电路)或创建胡须,连接到相邻的导线(短路)。在极端的情况下,通过电迁移甚至可以耗尽覆盖层下的导体。

SEM照片显示极端电迁移IC互联。(源]

多氯联苯的电迁移:树突增长

类似的效果出现在多氯联苯,导致两种形式的电迁移:

沿着表面电迁移,如上所述
半导体盐的形成,导致电化学树状树突结构的增长

这些影响都是由不同的物理过程。两个导体之间的电流密度可能相当低,因为金属痕迹的维度是相当大的横截面积相比,集成电路互联。在第一种情况下,可能发生迁移高电流密度导致相同类型的存根增长随着时间的推移。表层,后续可能发生氧化的导体是暴露在空气中。

在第二种情况下,电迁移是一个电解过程;领域驱动的电化学反应的存在水分和溶解盐。表面电解电迁移需要水分和高直流电动两个导体之间,使电化学反应和增长的树突结构。迁移金属离子溶解在水溶液中,弥漫在绝缘衬底。这就是IPC 2221进场,增加相邻导体之间的距离减少它们之间的电场,这抑制了反应,电解电迁移的驱动力。