ISO72x系列數字隔離器的高壓使用壽命

　　人們所關(guān)心的另一個(gè)絕緣額定電壓為工作電壓 (VIORM)，或連續運行電壓。這種額定電壓意味著(zhù)，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(gè)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(gè)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(shí)現在隔離層上傳輸信號，同時(shí)保持與輸入相關(guān)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(gè)由鍍銅組成的頂板 (top plate)，以及一個(gè)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(shí)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(huì )有多種失效模式或者退化機制；每一種模式均可以通過(guò)其各自的 E－模型被建模。所有這些介電層退化率之和將會(huì )決定失效的總時(shí)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(lèi)型會(huì )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。

　　使用壽命預測是通過(guò)一系列加速應力 TDDB 測試來(lái)完成的。依照 E－模型，失效時(shí)間 (TF) 與電場(chǎng)相關(guān)，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(chēng)為活化能），Eox 為隔離層的電場(chǎng)，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，而則為場(chǎng)加速參數。該數據是在?150℃ 最壞運行條件下得出的，以避免進(jìn)行溫度修正。由于 VS 與 Eox 成比例關(guān)系，且不必解決溫度加速問(wèn)題，因此可以使用一個(gè)簡(jiǎn)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）為一個(gè)與成比例關(guān)系的常數。因此，通過(guò)使用方程式 2，E－模型預測其為指數關(guān)系，或者，如果使用對數標尺將 TF 繪制在 Y 軸上，并使用線(xiàn)性刻度將 VS 繪制在 X 軸上，那么該關(guān)系看起來(lái)為線(xiàn)性圖。既然這樣，M 就為該條線(xiàn)的斜率。

　　將該條線(xiàn)外推至工作電壓 (VIORM)，以實(shí)現使用壽命預測，而且通常非?？煽?。這是通過(guò)運用比工作電壓更高的電壓進(jìn)行加速測試的一個(gè)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(huì )降低這種斜率，從而導致較低的設計 TF。

　　(1) 請參見(jiàn)參考書(shū)目 1

　　(2) 請參見(jiàn)參考書(shū)目 2

　　(3) 請參見(jiàn)參考書(shū)目 3

　　(4) 請參見(jiàn)參考書(shū)目 4 和 5

　　(5) 請參見(jiàn)參考書(shū)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(jìn)行測試。該測試設置中，過(guò)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(diǎn)。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(gè)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(gè)應力電壓，同時(shí)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(kāi)始激活了一個(gè)計時(shí)器，該計時(shí)器在電路電流超出 1mA 時(shí)停止，其意味著(zhù)介電層已經(jīng)失效。TF 因每一個(gè)應用測試電壓而變得明顯。在每一個(gè)測試電壓上獨立地完成對 DUT 的測試（每次測試一個(gè) 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(gè)線(xiàn)性威布爾 (Weibull)（6） 圖對該原始數據進(jìn)行統計分析，以測定最壞情況下的 TF；其在每一個(gè)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(lái)，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?zhuān)?E+0.8秒=10 年

　　圖 3、使用 TDDB E-模型的高壓使用壽命

　　(6) 請參見(jiàn)參考書(shū)目 12，威布爾圖更適用于諸如電容擊穿等數據的分析

　　通過(guò)利用圖