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PCB和IC設計的電遷移分析
我們都希望電路能夠完美地導電和穩定，但實際情況并非如此。現實世界并不由被真空包圍的完美導體和絕緣體組成，并且電場將與真實系統中的導體和基底相互作用。無論是設計IC還是PCB，都需要考慮在不完善的電子產品中產生的重要影響：電遷移。
什么是電遷移，為什么會發生？更重要的是，如何預防呢？一輪簡單的PCB和IC電遷移分析。目的是防止這些設備在不同條件下發生短路和開路。為此已經開發了一些行業標準。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體之間的電場會變大。這導致高壓電子設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體之間的高電場會使空氣經歷電介質擊穿，從而在周圍的電路中產生電弧和電流脈沖。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。要考慮的另一點是跨電介質的導體之間的距離。在PCB中，這稱為爬電距離，其要求（以及電氣間隙）在IPC 2221標準中定義。當導體之間的間距較小時，電場可能會很大，從而導致電遷移。
當導體中的電流密度較大時（在IC中），或者當兩個導體之間的電場較大時（在PCB中），驅動電遷移的機制可以描述為指數增長。為了防止電遷移，您可以使用三個杠桿來拉入您的設計：
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：開路和短路
在IC互連中，主要作用力不是兩個導體之間以及隨后電離之間的電場。相反，固態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）導致金屬沿著導電路徑（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量傳遞到自由金屬離子，使它們向陽極擴散。這種遷移過程具有活化能。當傳遞給金屬原子的能量超過Ahrrenius活化過程時，定向擴散就開始了，這是在濃度梯度的指導下進行的（菲克定律）。
當金屬被拉到導體表面時，它開始建立可以橋接兩個導體的結構，從而造成短路。它還會耗盡互連線陽極側的金屬，導致開路。下面的SEM圖像顯示了兩個導體之間擴展電遷移的結果。當金屬沿著表面遷移時，它會留下空隙（開路）或產生連接到相鄰導體的晶須（短路）。在帶有通孔的極端情況下，電遷移甚至會耗盡覆蓋層下方的導體。
PCB中的電遷移：樹突狀生長
PCB中會發生類似的影響，從而導致兩種可能的電遷移形式：
如上所述，沿著表面的電遷移
半導體鹽的形成，導致樹狀樹狀結構的電化學生長
這些影響由不同的物理過程控制。兩個導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生，從而導致相同類型的短截線隨時間增長。在表面層上，隨著導體暴露于空氣中，隨后可能發生氧化。
在第二種情況下，電遷移是電解過程。該領域在存在水分和鹽分的情況下驅動電化學反應。電解電遷移需要表面上的水分和兩個導體之間的高直流電，這會驅動電化學反應和樹枝狀結構的生長。遷移的金屬離子溶解在水溶液中并擴散到整個絕緣基板上。IPC 2221在這里發揮了作用，因為增加相鄰導體之間的距離會減小它們之間的電場，從而抑制了驅動電解電遷移的反應。
新布局中的電遷移分析需要檢查設計，以確保跡線間隙不違反設計規則或行業標準。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。