ISO72x系列數(shù)字隔離器的高壓使用壽命
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1、引言
工業(yè)控制系統(tǒng)通常使用數(shù)字隔離器，該系統(tǒng)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(chǎn)品說明書規(guī)范涵蓋了該隔離器的全面功能和參數(shù)性能，包括單事件、高壓瞬態(tài)隔離層的最大電壓能力。但是，這些規(guī)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(shù)字隔離器與一個 560V 連續(xù)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進行了定義，然后對 ISO72x 隔離層進行了描述。并顯示了經(jīng)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(chǎn)過程中引入的雜質和非完整性物質（內(nèi)含物）。人們非常清楚，這些內(nèi)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(fā)生。
大多數(shù)數(shù)字耦合器的產(chǎn)品說明書規(guī)范均只包括初始額定電壓。對于基本絕緣應用而言，大多數(shù)常見（包括 ISO72x 系列）隔離耦合器是指 4000-V (VIOTM) 額定電壓。表 1 為廠商提供的典型的產(chǎn)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(chǎn)品可以無限期地或者在任意高溫條件下經(jīng)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(chǎn)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(huán)境不斷的高壓擊打 (strike) 的影響。
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人們所關心的另一個絕緣額定電壓為工作電壓 (VIORM)，或連續(xù)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(chǎn)品在整個使用壽命中均保留了其絕緣特性。通常，半導體產(chǎn)品的最短使用壽命為 10 年。
3、ISO72x 器件的描述
ISO72x 系列產(chǎn)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(xiàn)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(huán)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(chǎn)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(jīng)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。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(xiàn)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(tǒng)（例如本文中討論的系統(tǒng)）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(chǎn)品的不同而不同。在 ISO72x 系列產(chǎn)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，?Ho 為氧化物擊穿的熱函（被稱為活化能），Eox 為隔離層的電場，其由隔離層厚度外加應力電壓 (VS) 的比率得出，kb 為波爾茲曼 (Boltzmann) 常數(shù)，而
則為場加速參數(shù)。該數(shù)據(jù)是在?150℃ 最壞運行條件下得出的，以避免進行溫度修正。由于 VS 與 Eox 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 VS。
方程式 2
其中，M（電壓加速參數(shù)）為一個與成比例關系的常數(shù)。因此，通過使用方程式 2，E－模型預測其為指數(shù)關系，或者，如果使用對數(shù)標尺將 TF 繪制在 Y 軸上，并使用線性刻度將 VS 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 (VIORM)，以實現(xiàn)使用壽命預測，而且通常非?？煽俊＿@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(tài)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(chǎn)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(shù)據(jù)；因此，DIP 部件生成了大多數(shù)數(shù)據(jù)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(tài)空氣溫度和環(huán)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(jīng)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(tǒng)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(shù)據(jù)進行統(tǒng)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 VIORM="560V"
峰值或400Vrms 輸入至輸出電壓 – Vrms
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(shù)據(jù)的分析
通過利用圖
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