概要

本應(yīng)用報告對 ISO72x 系列數(shù)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(jìn)行了考究。其為用戶提供了關(guān)于該系列產(chǎn)品長期、耐高壓能力的有關(guān)信息。

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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(shè)備提供商最為關(guān)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(yīng)對長期高壓應(yīng)用條件下隔離特性的行為。?

本應(yīng)用報告提供了在 150℃ 結(jié)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(yù)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(jìn)行了定義，然后對 ISO72x 隔離層進(jìn)行了描述。并顯示了經(jīng)時擊穿 (TDDB) 模型和 ISO72x 測試結(jié)果。?

2、絕緣特性與額定電壓?

物理及化學(xué)構(gòu)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(zhì)和非完整性物質(zhì)（內(nèi)含物）。人們非常清楚，這些內(nèi)含物會導(dǎo)致該種絕緣特性會隨時間而改變，并導(dǎo)致介電層的最終失效?？赏ㄟ^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(yīng)用而言，大多數(shù)常見（包括 ISO72x 系列）隔離耦合器是指 4000-V (V_IOTM) 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(yù)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。?

表 1、絕緣特性的典型產(chǎn)品說明書規(guī)范

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人們所關(guān)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(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(dǎo)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(dǎo)體器件組成，而設(shè)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(guān)的輸出端隔離。該電容器介電層為半導(dǎo)體級二氧化硅，并且為隔離層。如圖 1 所示，該電容器構(gòu)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(zhì)的鈍化增強(qiáng)了這種絕緣特性。

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圖 1、ISO72x 系列產(chǎn)品的隔離層

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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" 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(xiàn)象 ⁽³⁾，而且還具有物理退化機(jī)制 ⁽⁴⁾理論基礎(chǔ)。E－模型被視為所有文獻(xiàn) ⁽⁵⁾ 中所有模型中最為可靠的一種。更為復(fù)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(jī)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(xué)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(yù)測是通過一系列加速應(yīng)力 TDDB 測試來完成的。依照 E－模型，失效時間 (TF) 與電場相關(guān)，如方程式 1 所示。?

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

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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(yīng)力電壓 (V_S) 的比率得出，k_b 為波爾茲曼 (Boltzmann) 常數(shù)，而 g 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(jìn)行溫度修正。由于 V_S 與 E_ox 成比例關(guān)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(yīng)用了較高電壓 V_S。

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

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其中，M（電壓加速參數(shù)）為一個與 g ?成比例關(guān)系的常數(shù)。因此，通過使用方程式 2，E－模型預(yù)測其為指數(shù)關(guān)系，或者，如果使用對數(shù)標(biāo)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(guān)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(xiàn)使用壽命預(yù)測，而且通常非?？煽?。這是通過運用比工作電壓更高的電壓進(jìn)行加速測試的一個結(jié)果。該較高電壓將激活其他導(dǎo)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(dǎo)致較低的設(shè)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(dǎo)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(yīng)用報告中采用了封裝部件進(jìn)行測試。該測試設(shè)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(shè)置。

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圖 2、高壓使用壽命的測試設(shè)置

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在一個使用高壓源的二端結(jié)構(gòu)中，基本方法是從輸入到 DUT 輸出施加一個應(yīng)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(yīng)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(jié)果。?

5、結(jié)果?

5、1 TDDB E－模型預(yù)測?

使用一個線性威布爾 (Weibull)^（6） 圖對該原始數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)。

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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

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(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 3 中所繪制的 TDDB E－模式，表 2 總結(jié)了不同 V_IORM (Vpeak) 值情況下的使用壽命預(yù)測。

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表 2、基于 TDDB E－模型的高壓使用壽命預(yù)測

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5、2 模型比較?

與 E－模式的使用不同，其它同類競爭產(chǎn)品通常使用一個與其數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(chǎn)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(fā)布的電感耦合器件的同類競爭產(chǎn)品數(shù)據(jù)（也是在 10-ppm 水平時的數(shù)據(jù)）包括在內(nèi)，以進(jìn)行對比。通過使用以年為單位的時間刻度來發(fā)布競爭產(chǎn)品數(shù)據(jù)；因此，圖 4 中，將這些單位從年轉(zhuǎn)換到秒，以進(jìn)行比較。TI 優(yōu)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(shù)據(jù)擬合方法相比較，其可以帶來高可信度的預(yù)測。

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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

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6、結(jié)論?

在 560V 的工作電壓下，ISO72x 系列產(chǎn)品可以安全工作超過 25 年。結(jié)果還表明，隔離層是穩(wěn)健的，并且可以經(jīng)受高達(dá) 4000 Vpeak 或 2828 Vrms 的多種高壓擊穿情況（如 V_IOTM 額定電壓規(guī)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(xué)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(yīng)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(yīng)用物理期刊》，作者：Joe McPherson and H.C. Mogul，1513（1984 年版）?

6、《統(tǒng)一的柵極氧化層可靠性模型》，作者：加利福尼亞大學(xué)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(jīng)時擊穿的統(tǒng)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(chǎn)品說明書》，安華高科技?

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

10、《ADuM1100 產(chǎn)品說明書（修訂版 E）》，美國模擬器件公司?

11、《ISO72x 產(chǎn)品說明書》，TI (SLLS629) ?

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