[简中]电迁移(EM)与电化学迁移(ECM)有哪些解决方法？如何預防？

Posted by 工作熊

發表日期：2025年09月10日

電子遷移(electromigration)及電子化學遷移(electrochemical migration)有何差異？

尽管电迁移(EM)与电化学迁移(ECM)都叫“迁移”，但兩者形成的根本原因却不太相同，解决方法也截然不同。想要解决电迁移与电化学迁移的问题建议要先去了解它们形成的原因，知己知彼才能百战不殆。建議閱讀《[简中]电子迁移（EM）和电学迁移（ECM）的区别与影响》一文。解决EM的核心思路可以从“热”和“电”入手；而解决ECM则可以从“湿”和“洁”入手。

一、电子迁移（EM）的解决方法

EM形成的本质是电流和热驱动原子移动，因此对策围绕在”降低电流密度”与”控制温度“。

1. 芯片设计层面（这是解决EM的主战场）：

增加导线宽度與厚度： 这是最直接有效的方法。导线越宽与越厚，电流密度越低，原子越不易被推动。就类似河道，河道越宽或越深，河水的流速越慢。
使用更優的金属材料：
- 可以用铜(Cu) 替代传统的铝(Al)。铜的电阻率比铝低，原子更不易迁移，抗EM能力显着更强。纯铜的电阻率1.68 × 10⁻⁸ Ω·m，而铝的电阻率约为 2.82 × 10⁻⁸ Ω·m。
- 在铝导线中掺入少量其他元素（如铜、硅），可以堵塞晶界路径，减缓原子迁移。
使用阻挡层材料： 在金属导线和硅基底之间沉积一层氮化钛(TiN) 或钽(Ta) 等材料的薄膜，能有效阻止金属原子扩散到不应去的地方。
优化电路布局： 避免在关键信号路径和电源路径上出现急弯和尖角，以减少电流拥挤效应。

2. 系统与封装层面：

加强散热： 这是系统工程师的核心工作。
- 使用散热片、热管、风扇甚至水冷系统。
- 选择导热性能更好的封装材料（如金属盖、导热硅脂）。
- 优化PCB布局，让热量更均匀地散发。
降低工作电流/电压： 在满足性能要求的前提下，适当降低工作条件可以极大延长器件寿命。

二、电化学迁移（ECM）的解决方法

ECM形成的本质是湿度、污染物和电压共同导致的电化学腐蚀，因此对策围绕隔绝湿气、保持清洁和改善材料。

1. 制造与工艺层面：

保形涂层/三防漆（Conformal Coating）： 在组装好的PCB表面涂覆一层薄薄的绝缘材料（如丙烯酸、聚氨酯、硅树脂或环氧树脂），这是最常用且最有效的方法之一，可以物理隔绝PCB板面与湿气和污染物接触。
提高清洁度： 在制造过程中（如焊接后），對PCBA进行彻底清洗，去除助焊剂残留、离子污染物和其他杂质。其实就是预防污染物与湿气形成电解质。
使用免清洗助焊剂： 助焊剂之所以可以起到清洁与助焊的效果，是因为其中包含酸剂，酸性越强，清洁助焊效果越好，但腐蚀性越高。免洗助焊剂用有机酸取代无机酸降低了酸性，虽然牺牲了少许的清洁助焊效果，同时也降低了腐蚀的风险，从源头上减少活性污染物的引入。所以使用免洗助焊剂时，必须同时有配套的材料及焊接工艺。

2. 材料选择层面：

使用高性能基板材料：
- 对于高可靠性产品，使用抗CAF（导电阳极丝）型覆铜板。这种材料通过改进玻璃纤维布和树脂体系，增强了玻璃纤维与树脂的结合力，从根本上减少了形成离子迁移通道的缝隙。
表面 finish 选择：
- 在某些对湿度极度敏感的应用中，避免使用银（Ag）等容易迁移的金属作为表面处理。选择浸银（Immersions Silver, ImAg） 时需格外注意工艺质量控制。化镍金（ENIG）、化镍钯金（ENEPIG） 或 OSP（防氧化剂） 是更稳妥的选择。

3. 设计层面：

增加间距（Creepage and Clearance）： 这是最直接的设计改进。适当增加相邻高差分压导体之间的间距（如线到线、孔到线、孔到孔），可以显著提高抗迁移能力。
开槽（Slot）： 在高压导体之间开隔离槽，可以有效延长表面爬电距离。

4. 使用环境控制：

防潮包装： 对于储存和运输，使用防潮真空包装，并配合湿度指示卡。
三防漆： 在恶劣环境（如汽车、户外设备）中使用的电子产品，必须喷涂三防漆。

总结对比表

问题类型	核心思路	主要解决方法
电子迁移 (EM)	降电流、控温度	1. 芯片设计：增加线宽，使用铜导线、阻挡层 2. 系统设计：加强散热，优化功耗
电化学迁移 (ECM)	防潮湿、保清洁	1. 制造工艺：喷涂保形涂层、彻底清洗 2. 材料选择：使用抗CAF基板、慎选表面处理 3. PCB设计：增加导体间距、开槽

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