什么是电迁移 PCB中的IC电迁移分析

"我们都希望电路能够完美地导电和稳定，但实际情况并非如此。现实世界并不由被真空包围的完美导体和绝缘体组成，并且电场将与真实系统中的导体和基底相互作用。无论是设计IC还是PCB，都需要考虑在不完善的电子产品中产生的重要影响：电迁移。

什么是电迁移，为什么会发生？更重要的是，如何预防呢？一轮简单的PCB和IC电迁移分析。目的是防止这些设备在不同条件下发生短路和开路。为此已经开发了一些行业标准。您需要了解这些标准以及电迁移如何导致新设备出现故障的知识

电子中的电迁移

随着更多的组件堆积在更小的空间中，具有指定电位差的两个导体之间的电场会变大。这导致高压电子设备中的一些安全问题，特别是静电放电（ESD）。被空气隔开的两个导体之间的高电场会使空气经历电介质击穿，从而在周围的电路中产生电弧和电流脉冲。要在PCB或其他设备中防止这些放电，需要以一定的最小间距分隔导体，该间距取决于导体之间的电势差。

上述间隙距离对于安全性和防止设备故障很重要，但是跨衬底的距离也很重要。要考虑的另一点是跨电介质的导体之间的距离。在PCB中，这称为爬电距离，其要求（以及电气间隙）在IPC 2221标准中定义。当导体之间的间距较小时，电场可能会很大，从而导致电迁移。

当导体中的电流密度较大时（在IC中），或者当两个导体之间的电场较大时（在PCB中），驱动电迁移的机制可以描述为指数增长。为了防止电迁移，您可以使用三个杠杆来拉入您的设计：

增加导体之间的间距（在PCB中）

降低导体之间的电压（在PCB中）

以更低的电流运行设备（在IC中）

IC中的电迁移：开路和短路

在IC互连中，主要作用力不是两个导体之间以及随后电离之间的电场。相反，固态电迁移是由于在高电流密度（通常》 10，000 A / cm2）下的电子动量传递（散射）导致金属沿着导电路径（在这种情况下，金属互连本身）运动。电迁移遵循Ahrrenius过程，因此迁移速度随着互连温度的升高而增加。

铜电迁移所涉及的力如下所示。风力是指由于电子从晶格中的金属原子的散射而施加在金属离子上的力。这种反复的电离和动量传递到自由金属离子，使它们向阳极扩散。这种迁移过程具有活化能。当传递给金属原子的能量超过Ahrrenius活化过程时，定向扩散就开始了，这是在浓度梯度的指导下进行的（菲克定律）。

当金属被拉到导体表面时，它开始建立可以桥接两个导体的结构，从而造成短路。它还会耗尽互连线阳极侧的金属，导致开路。下面的SEM图像显示了两个导体之间扩展电迁移的结果。当金属沿着表面迁移时，它会留下空隙（开路）或产生连接到相邻导体的晶须（短路）。在带有通孔的极端情况下，电迁移甚至会耗尽覆盖层下方的导体。

PCB中的电迁移：树突状生长

PCB中会发生类似的影响，从而导致两种可能的电迁移形式：

如上所述，沿着表面的电迁移

半导体盐的形成，导致树状树状结构的电化学生长

这些影响由不同的物理过程控制。两个导体之间的电流密度可能会很低，因为与IC互连的横截面相比，金属走线的尺寸非常大。在第一种情况下，迁移会在高电流密度下发生，从而导致相同类型的短截线随时间增长。在表面层上，随着导体暴露于空气中，随后可能发生氧化。

在第二种情况下，电迁移是电解过程。该领域在存在水分和盐分的情况下驱动电化学反应。电解电迁移需要表面上的水分和两个导体之间的高直流电，这会驱动电化学反应和树枝状结构的生长。迁移的金属离子溶解在水溶液中并扩散到整个绝缘基板上。IPC 2221在这里发挥了作用，因为增加相邻导体之间的距离会减小它们之间的电场，从而抑制了驱动电解电迁移的反应。

新布局中的电迁移分析需要检查设计，以确保迹线间隙不违反设计规则或行业标准。如果您可以使用一些基本的PCB或IC布局工具，则可以对照这些规则检查布局并找出任何违规之处。随着IC和PCB的不断缩小，电迁移分析对于确保可靠性仅会变得越来越重要。
编辑：hfy