ISO72x 系列數字隔離器的高壓使用壽命

日期： 2008-03-07

作者：Ashish Gokhale 與

關鍵詞： 額定電壓高壓使用壽命使用壽命工作電壓失效模式

概要

本應用報告對 ISO72x 系列數字隔離器隔離層的使用壽命" title="使用壽命">使用壽命" title="高壓使用壽命" title="高壓使用壽命">高壓使用壽命">高壓使用壽命特性進行了考究。其為用戶提供了關于該系列產品長期、耐高壓能力的有關信息。

1、引言?

工業控制系統通常使用數字隔離器，該系統停工期成本較高，且可靠性也是該市場設備提供商最為關注的問題。產品說明書規范涵蓋了該隔離器的全面功能和參數性能，包括單事件、高壓瞬態隔離層的最大電壓能力。但是，這些規范均不足以應對長期高壓應用條件下隔離特性的行為。?

本應用報告提供了在 150℃ 結溫下，ISO72x 系列數字隔離器與一個 560V 連續輸入至輸出一起運行時的隔離特性的長期預測。?

本報告首先對絕緣特性和額定電壓" title="額定電壓">額定電壓進行了定義，然后對 ISO72x 隔離層進行了描述。并顯示了經時擊穿 (TDDB) 模型和 ISO72x 測試結果。?

2、絕緣特性與額定電壓?

物理及化學構成決定了介電層具有固有絕緣特性，其包括可能在生產過程中引入的雜質和非完整性物質（內含物）。人們非常清楚，這些內含物會導致該種絕緣特性會隨時間而改變，并導致介電層的最終失效。可通過對介電層施加一個電場和/或通過提高其溫度來加速這些變化的發生。?

大多數數字耦合器的產品說明書規范均只包括初始額定電壓。對于基本絕緣應用而言，大多數常見（包括 ISO72x 系列）隔離耦合器是指 4000-V (V_IOT_M) 額定電壓。表 1 為廠商提供的典型的產品說明書額定電壓。單獨從這一方面來講，該額定電壓并不意味著這種產品可以無限期地或者在任意高溫條件下經受 4000V 的電壓。實際上，只有在該額定電壓下才有可能預測這種產品隨時間而變化的耐壓特性，其耐壓特性可能會受到如工廠地面環境不斷的高壓擊打 (strike) 的影響。?

表 1、絕緣特性的典型產品說明書規范

參數	符號	最大值	單位
最高工作絕緣電壓?	V_IORM?	560?	V peak?
瞬態過壓?	V_IOTM?	4000?	V peak?
輸入至輸出峰值測試電壓?	V_RP，方法 b?	1.875×V_IORM?	V peak?
輸入至輸出峰值測試電壓?	V_RP，方法 a?	1.2×V_IORM?	V peak?
絕緣電阻	R_IO?	＞1E9?	Ω?

人們所關心的另一個絕緣額定電壓為工作電壓" title="工作電壓">工作電壓 (V_IORM)，或連續運行電壓。這種額定電壓意味著，如果其運行在施加于輸入端和輸出端之間的電壓下，那么該產品在整個使用壽命中均保留了其絕緣特性。通常，半導體產品的最短使用壽命為 10 年。?

3、ISO72x 器件的描述?

ISO72x 系列產品由一個被高阻抗隔離層分離的輸入和輸出半導體器件組成，而設計該高阻抗隔離層的目的是用于電子信號在該隔離層上的傳輸。ISO72x 使用容性耦合以實現在隔離層上傳輸信號，同時保持與輸入相關的輸出端隔離。該電容器介電層為半導體級二氧化硅，并且為隔離層。如圖 1 所示，該電容器構建在一個由鍍銅組成的頂板 (top plate)，以及一個由摻雜硅基板制造而成的底板之上。頂板 BCB（苯并環丁烯）自旋對介電質的鈍化增強了這種絕緣特性。

圖 1、ISO72x 系列產品的隔離層

4、建模和測試方法?

4、1 介電層擊穿的 TDDB E－模型?

經時擊穿 (TDDB) 是介電材料（如二氧化硅 (SiO₂)）的一種重要的失效模式" title="失效模式">失效模式。E－模型⁽¹⁾是一種人們最為廣泛接受和使用的電容器擊穿模型，并且可以被用于所有介電層厚度 ⁽²⁾。這種 E－模型不僅僅是一種現象 ⁽³⁾，而且還具有物理退化機制 ⁽⁴⁾理論基礎。E－模型被視為所有文獻⁽⁵⁾ 中所有模型中最為可靠的一種。更為復雜的系統（例如本文中討論的系統）可能會有多種失效模式或者退化機制；每一種模式均可以通過其各自的 E－模型被建模。所有這些介電層退化率之和將會決定失效的總時間。?

電容器將為所有的隔離器件的輸入至輸出建模。電容器介電層厚度和材料類型會因產品的不同而不同。在 ISO72x 系列產品中，這種電容器是有源電路的組成部分，而并非是光學耦合器或電感/磁耦合器件情況中寄生電路的一部分。?

使用壽命預測是通過一系列加速應力 TDDB 測試來完成的。依照 E－模型，失效時間 (TF) 與電場相關，如方程式 1 所示。?

??????????????????????????????????????方程式 1

其中，?H_o 為氧化物擊穿的熱函（被稱為活化能），E_ox 為隔離層的電場，其由隔離層厚度外加應力電壓 (V_S) 的比率得出，k_b 為波爾茲曼 (Boltzmann) 常數，而 g 則為場加速參數。該數據是在?150℃ 最壞運行條件下得出的，以避免進行溫度修正。由于 V_S 與 E_ox 成比例關系，且不必解決溫度加速問題，因此可以使用一個簡化模型（如方程式 2 所示），與此相對，只有 TF 加速完全應用了較高電壓 V_S。

?????????????????????????????????????????????????? 方程式 2

其中，M（電壓加速參數）為一個與 g ?成比例關系的常數。因此，通過使用方程式 2，E－模型預測其為指數關系，或者，如果使用對數標尺將 TF 繪制在 Y 軸上，并使用線性刻度將 V_S 繪制在 X 軸上，那么該關系看起來為線性圖。既然這樣，M 就為該條線的斜率。?

將該條線外推至工作電壓 (V_IORM)，以實現使用壽命預測，而且通常非常可靠。這是通過運用比工作電壓更高的電壓進行加速測試的一個結果。該較高電壓將激活其他導致明顯背離于 E－模型的介電層退化模式。低壓條件下可能為非激活狀態的其他模式往往會降低這種斜率，從而導致較低的設計 TF。?

(1) 請參見參考書目 1?

(2) 請參見參考書目 2?

(3) 請參見參考書目 3?

(4) 請參見參考書目 4 和 5 ?

(5) 請參見參考書目 6 和 7?

4、2 測試方法?

一般而言，我們通常研究的是晶圓級半導體的使用壽命。但是，由于涉及電壓，并且為了獲得更為精確的產品失效模式分析，本應用報告中采用了封裝部件進行測試。該測試設置中，過孔、雙列直插封裝 (DIP) 生成了非人為數據；因此，DIP 部件生成了大多數數據點。小外形集成電路 (SOIC) 和 DIP 器件均被測試和分析，以確定相同失效模式被激活。圖 2 顯示了測試器件 (DUT) 的這種測試設置。

圖 2、高壓使用壽命的測試設置

在一個使用高壓源的二端結構中，基本方法是從輸入到 DUT 輸出施加一個應力電壓，同時將靜態空氣溫度和環境空氣溫度均保持在 150℃。測試的開始激活了一個計時器，該計時器在電路電流超出 1mA 時停止，其意味著介電層已經失效。TF 因每一個應用測試電壓而變得明顯。在每一個測試電壓上獨立地完成對 DUT 的測試（每次測試一個 DUT），可獲得有效的統計結果。?

5、結果?

5、1 TDDB E－模型預測?

使用一個線性威布爾 (Weibull)^（6）圖對該原始數據進行統計分析，以測定最壞情況下的 TF；其在每一個測試電壓上被向下外推至 10-ppm 水平。外推 TF (10 ppm) 被繪制了出來，與圖 3 中的測試電壓相對應。

額定 V_IORM=560V?

峰值或400V_rms??? 輸入至輸出電壓 – V_rms?

注釋：3E+0.8秒=10 年?

圖 3、使用 TDDB E-模型的高壓使用壽命

(6) 請參見參考書目 12，威布爾圖更適用于諸如電容擊穿等數據的分析?

通過利用圖 3 中所繪制的 TDDB E－模式，表 2 總結了不同 V_IORM (Vpeak) 值情況下的使用壽命預測。

表 2、基于 TDDB E－模型的高壓使用壽命預測

V_IORM_，Vpeak?	根據 TDDB E－模型預測得出的使用壽命（單位：年）?
200?	85?
400?	46?
560?	28?
700?	18?
800?	13?

5、2 模型比較?

與 E－模式的使用不同，其它同類競爭產品通常使用一個與其數據相匹配的任意擬合 (fit)，其并非基于任何物理介電層退化模型。如圖 4 中所示的功率擬合就是其中的一個實例。圖 3 中使用的相同數據在此處被繪制出來，通過使用一條如圖 4 所示的功率曲線產生出一條最佳擬合趨勢線。正如我們能看到的那樣，通過使用這種方法有望獲得更長的使用壽命。將已發布的電感耦合器件的同類競爭產品數據（也是在 10-ppm 水平時的數據）包括在內，以進行對比。通過使用以年為單位的時間刻度來發布競爭產品數據；因此，圖 4 中，將這些單位從年轉換到秒，以進行比較。TI 優先選擇 TDDB E－模式是因為這種模式較為可靠，而且與其他模式或者最佳數據擬合方法相比較，其可以帶來高可信度的預測。

輸入至輸出電壓-V_rms?

???????????????????????????????????? 注釋：3E+0.8秒=10 年?

圖 4、基于最佳曲線擬合的高壓使用壽命

6、結論?

在 560V 的工作電壓下，ISO72x 系列產品可以安全工作超過 25 年。結果還表明，隔離層是穩健的，并且可以經受高達 4000 Vpeak 或 2828 Vrms 的多種高壓擊穿情況（如 V_IOTM 額定電壓規定的那樣）。?

7、參考書目?

1、《在長期/低場測試條件下，SiO₂ 的 E 模型與 1/E TDDB 模型的比較》，作者： TI 和加州大學伯克萊分校 (University of California at Berkeley) 的 McPherson、Vijay Reddy、Kaustav Banerjee 以及 Huy Le，IEDM 98-171-174。?

2、《集成電路中低 K 互連介電層擊穿的可靠性分析方法》，作者：?????????? G.S. Haase、E.T. Ogawa 以及 Joe McPherson，98 應用物理期刊， 34503-34514（2005 年版）?

3、《國際可靠性物理座談會》，作者：A. Berman，IEEE 1981 年版，第 204 頁?

4、《國際可靠性物理座談會》，作者：Joe McPherson 和 D. Baglee，IEEE 1985 年版，第 1 頁?

5、《84 應用物理期刊》，作者：Joe McPherson and H.C. Mogul，1513（1984 年版）?

6、《統一的柵極氧化層可靠性模型》，作者：加利福尼亞大學伯克萊分校 (University of California at Berkeley) 的 Chenming Hu 與 Qiang Lu，IEDM 99-445-448?

7、《超薄二氧化硅中經時擊穿的統一模型》，作者：松下電子公司 (Matsushita Electronics Corporation) 的 Kenji Okada 與 Kenji Yoneda；IEEE 99CH36296，1999 年加利福尼亞州圣地亞哥第 37 屆國際可靠性物理座談會?

8、《HCPL-0721 產品說明書》，安華高科技?

9、《iCoupler 隔離技術：去除那些令人頭痛的光學耦合器》，美國模擬器件公司?

10、《ADuM1100 產品說明書（修訂版 E）》，美國模擬器件公司?

11、《ISO72x 產品說明書》，TI (SLLS629) ?

12、《針對工程人員的概率統計（第三版）》，作者：Irwin Miller、John E. Freund， Prentice Hall ISBN，0-13-711938-0?

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