ISO72x 系列数字隔离器的高压使用寿命
2008-03-07
作者：Ashish Gokhale 与
概要
本应用报告对 ISO72x 系列数字隔离器隔离层的使用寿命" title="使用寿命">使用寿命" title="高压使用寿命" title="高压使用寿命">高压使用寿命">高压使用寿命特性进行了考究。其为用户提供了关于该系列产品长期、耐高压能力的有关信息。
1、引言
工业控制系统通常使用数字隔离器，该系统停工期成本较高，且可靠性也是该市场设备提供商最为关注的问题。产品说明书规范涵盖了该隔离器的全面功能和参数性能，包括单事件、高压瞬态隔离层的最大电压能力。但是，这些规范均不足以应对长期高压应用条件下隔离特性的行为。
本应用报告提供了在 150℃ 结温下，ISO72x 系列数字隔离器与一个 560V 连续输入至输出一起运行时的隔离特性的长期预测。
本报告首先对绝缘特性和额定电压" title="额定电压">额定电压进行了定义，然后对 ISO72x 隔离层进行了描述。并显示了经时击穿 (TDDB) 模型和 ISO72x 测试结果。
2、绝缘特性与额定电压
物理及化学构成决定了介电层具有固有绝缘特性，其包括可能在生产过程中引入的杂质和非完整性物质（内含物）。人们非常清楚，这些内含物会导致该种绝缘特性会随时间而改变，并导致介电层的最终失效。可通过对介电层施加一个电场和/或通过提高其温度来加速这些变化的发生。
大多数数字耦合器的产品说明书规范均只包括初始额定电压。对于基本绝缘应用而言，大多数常见（包括 ISO72x 系列）隔离耦合器是指 4000-V (VIOTM) 额定电压。表 1 为厂商提供的典型的产品说明书额定电压。单独从这一方面来讲，该额定电压并不意味着这种产品可以无限期地或者在任意高温条件下经受 4000V 的电压。实际上，只有在该额定电压下才有可能预测这种产品随时间而变化的耐压特性，其耐压特性可能会受到如工厂地面环境不断的高压击打 (strike) 的影响。
表 1、绝缘特性的典型产品说明书规范
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参数 |
符号 |
最大值 |
单位 |
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最高工作绝缘电压 |
VIORM |
560 |
V peak |
|
瞬态过压 |
VIOTM |
4000 |
V peak |
|
输入至输出峰值测试电压 |
VRP，方法 b |
1.875×VIORM |
V peak |
|
VRP，方法 a |
1.2×VIORM |
V peak | |
|
绝缘电阻 |
RIO |
＞1E9 |
Ω |
人们所关心的另一个绝缘额定电压为工作电压" title="工作电压">工作电压 (VIORM)，或连续运行电压。这种额定电压意味着，如果其运行在施加于输入端和输出端之间的电压下，那么该产品在整个使用寿命中均保留了其绝缘特性。通常，半导体产品的最短使用寿命为 10 年。
3、ISO72x 器件的描述
ISO72x 系列产品由一个被高阻抗隔离层分离的输入和输出半导体器件组成，而设计该高阻抗隔离层的目的是用于电子信号在该隔离层上的传输。ISO72x 使用容性耦合以实现在隔离层上传输信号，同时保持与输入相关的输出端隔离。该电容器介电层为半导体级二氧化硅，并且为隔离层。如图 1 所示，该电容器构建在一个由镀铜组成的顶板 (top plate)，以及一个由掺杂硅基板制造而成的底板之上。顶板 BCB（苯并环丁烯）自旋对介电质的钝化增强了这种绝缘特性。
4、建模和测试方法
4、1 介电层击穿的 TDDB E－模型
经时击穿 (TDDB) 是介电材料（如二氧化硅 (SiO2)）的一种重要的失效模式" title="失效模式">失效模式。E－模型 (1) 是一种人们最为广泛接受和使用的电容器击穿模型，并且可以被用于所有介电层厚度 (2)。这种 E－模型不仅仅是一种现象 (3)，而且还具有物理退化机制 (4)理论基础。E－模型被视为所有文献 (5) 中所有模型中最为可靠的一种。更为复杂的系统（例如本文中讨论的系统）可能会有多种失效模式或者退化机制；每一种模式均可以通过其各自的 E－模型被建模。所有这些介电层退化率之和将会决定失效的总时间。
电容器将为所有的隔离器件的输入至输出建模。电容器介电层厚度和材料类型会因产品的不同而不同。在 ISO72x 系列产品中，这种电容器是有源电路的组成部分，而并非是光学耦合器或电感/磁耦合器件情况中寄生电路的一部分。
使用寿命预测是通过一系列加速应力 TDDB 测试来完成的。依照 E－模型，失效时间 (TF) 与电场相关，如方程式 1 所示。
方程式 1
其中，?Ho 为氧化物击穿的热函（被称为活化能），Eox 为隔离层的电场，其由隔离层厚度外加应力电压 (VS) 的比率得出，kb 为波尔兹曼 (Boltzmann) 常数，而 g 则为场加速参数。该数据是在?150℃ 最坏运行条件下得出的，以避免进行温度修正。由于 VS 与 Eox 成比例关系，且不必解决温度加速问题，因此可以使用一个简化模型（如方程式 2 所示），与此相对，只有 TF 加速完全应用了较高电压 VS。
方程式 2
其中，M（电压加速参数）为一个与 g ?成比例关系的常数。因此，通过使用方程式 2，E－模型预测其为指数关系，或者，如果使用对数标尺将 TF 绘制在 Y 轴上，并使用线性刻度将 VS 绘制在 X 轴上，那么该关系看起来为线性图。既然这样，M 就为该条线的斜率。
将该条线外推至工作电压 (VIORM)，以实现使用寿命预测，而且通常非常可靠。这是通过运用比工作电压更高的电压进行加速测试的一个结果。该较高电压将激活其他导致明显背离于 E－模型的介电层退化模式。低压条件下可能为非激活状态的其他模式往往会降低这种斜率，从而导致较低的设计 TF。
(1) 请参见参考书目 1
(2) 请参见参考书目 2
(3) 请参见参考书目 3
(4) 请参见参考书目 4 和 5
(5) 请参见参考书目 6 和 7
4、2 测试方法
一般而言，我们通常研究的是晶圆级半导体的使用寿命。但是，由于涉及电压，并且为了获得更为精确的产品失效模式分析，本应用报告中采用了封装部件进行测试。该测试设置中，过孔、双列直插封装 (DIP) 生成了非人为数据；因此，DIP 部件生成了大多数数据点。小外形集成电路 (SOIC) 和 DIP 器件均被测试和分析，以确定相同失效模式被激活。图 2 显示了测试器件 (DUT) 的这种测试设置。
在一个使用高压源的二端结构中，基本方法是从输入到 DUT 输出施加一个应力电压，同时将静态空气温度和环境空气温度均保持在 150℃。测试的开始激活了一个计时器，该计时器在电路电流超出 1mA 时停止，其意味着介电层已经失效。TF 因每一个应用测试电压而变得明显。在每一个测试电压上独立地完成对 DUT 的测试（每次测试一个 DUT），可获得有效的统计结果。
5、结果
5、1 TDDB E－模型预测
使用一个线性威布尔 (Weibull)（6） 图对该原始数据进行统计分析，以测定最坏情况下的 TF；其在每一个测试电压上被向下外推至 10-ppm 水平。外推 TF (10 ppm) 被绘制了出来，与图 3 中的测试电压相对应。
额定 VIORM=560V
峰值或400Vrms 输入至输出电压 – Vrms
注释：3E+0.8秒=10 年
(6) 请参见参考书目 12，威布尔图更适用于诸如电容击穿等数据的分析
通过利用图 3 中所绘制的 TDDB E－模式，表 2 总结了不同 VIORM (Vpeak) 值情况下的使用寿命预测。
|
VIORM，Vpeak |
根据 TDDB E－模型预测得出的使用寿命（单位：年） |
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200 |
85 |
|
400 |
46 |
|
560 |
28 |
|
700 |
18 |
|
800 |
13 |
5、2 模型比较
与 E－模式的使用不同，其它同类竞争产品通常使用一个与其数据相匹配的任意拟合 (fit)，其并非基于任何物理介电层退化模型。如图 4 中所示的功率拟合就是其中的一个实例。图 3 中使用的相同数据在此处被绘制出来，通过使用一条如图 4 所示的功率曲线产生出一条最佳拟合趋势线。正如我们能看到的那样，通过使用这种方法有望获得更长的使用寿命。将已发布的电感耦合器件的同类竞争产品数据（也是在 10-ppm 水平时的数据）包括在内，以进行对比。通过使用以年为单位的时间刻度来发布竞争产品数据；因此，图 4 中，将这些单位从年转换到秒，以进行比较。TI 优先选择 TDDB E－模式是因为这种模式较为可靠，而且与其他模式或者最佳数据拟合方法相比较，其可以带来高可信度的预测。
输入至输出电压-Vrms
注释：3E+0.8秒=10 年
6、结论
在 560V 的工作电压下，ISO72x 系列产品可以安全工作超过 25 年。结果还表明，隔离层是稳健的，并且可以经受高达 4000 Vpeak 或 2828 Vrms 的多种高压击穿情况（如 VIOTM 额定电压规定的那样）。
7、参考书目
1、《在长期/低场测试条件下，SiO2 的 E 模型与 1/E TDDB 模型的比较》，作者： TI 和加州大学伯克莱分校 (University of California at Berkeley) 的 McPherson、Vijay Reddy、Kaustav Banerjee 以及 Huy Le，IEDM 98-171-174。
2、《集成电路中低 K 互连介电层击穿的可靠性分析方法》，作者： G.S. Haase、E.T. Ogawa 以及 Joe McPherson，98 应用物理期刊， 34503-34514（2005 年版）
3、《国际可靠性物理座谈会》，作者：A. Berman，IEEE 1981 年版，第 204 页
4、《国际可靠性物理座谈会》，作者：Joe McPherson 和 D. Baglee，IEEE 1985 年版，第 1 页
5、《84 应用物理期刊》，作者：Joe McPherson and H.C. Mogul，1513（1984 年版）
6、《统一的栅极氧化层可靠性模型》，作者：加利福尼亚大学伯克莱分校 (University of California at Berkeley) 的 Chenming Hu 与 Qiang Lu，IEDM 99-445-448
7、《超薄二氧化硅中经时击穿的统一模型》，作者：松下电子公司 (Matsushita Electronics Corporation) 的 Kenji Okada 与 Kenji Yoneda；IEEE 99CH36296，1999 年加利福尼亚州圣地亚哥第 37 届国际可靠性物理座谈会
8、《HCPL-0721 产品说明书》，安华高科技
9、《iCoupler 隔离技术：去除那些令人头痛的光学耦合器》，美国模拟器件公司
10、《ADuM1100 产品说明书（修订版 E）》，美国模拟器件公司
11、《ISO72x 产品说明书》，TI (SLLS629)
12、《针对工程人员的概率统计（第三版）》，作者：Irwin Miller、John E. Freund， Prentice Hall ISBN，0-13-711938-0