ISO72x系列數(shù)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(xù)運(yùn)行電壓。這種額定電壓意味著，如果其運(yùn)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(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(gè)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(jì)該高阻抗隔離層的目的是用于電子信號(hào)在該隔離層上的傳輸。ISO72x 使用容性耦合以實(shí)現(xiàn)在隔離層上傳輸信號(hào)，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(dǎo)體級(jí)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(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(duì)介電質(zhì)的鈍化增強(qiáng)了這種絕緣特性。

圖 1、ISO72x 系列產(chǎn)品的隔離層

　　4、建模和測(cè)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(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(huì)有多種失效模式或者退化機(jī)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(yù)測(cè)是通過(guò)一系列加速應(yīng)力 TDDB 測(cè)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(yīng)力電壓 (VS) 的比率得出，kb 為波爾茲曼 (Boltzmann) 常數(shù)，而則為場(chǎng)加速參數(shù)。該數(shù)據(jù)是在?150℃ 最壞運(yùn)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(duì)，只有 TF 加速完全應(yīng)用了較高電壓 VS。

　　方程式 2

　　其中，M（電壓加速參數(shù)）為一個(gè)與成比例關(guān)系的常數(shù)。因此，通過(guò)使用方程式 2，E－模型預(yù)測(cè)其為指數(shù)關(guān)系，或者，如果使用對(duì)數(shù)標(biāo)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(guān)系看起來(lái)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(shí)現(xiàn)使用壽命預(yù)測(cè)，而且通常非常可靠。這是通過(guò)運(yùn)用比工作電壓更高的電壓進(jìn)行加速測(cè)試的一個(gè)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(huì)降低這種斜率，從而導(dǎo)致較低的設(shè)計(jì) TF。

　　(1) 請(qǐng)參見(jiàn)參考書(shū)目 1

　　(2) 請(qǐng)參見(jiàn)參考書(shū)目 2

　　(3) 請(qǐng)參見(jiàn)參考書(shū)目 3

　　(4) 請(qǐng)參見(jiàn)參考書(shū)目 4 和 5

　　(5) 請(qǐng)參見(jiàn)參考書(shū)目 6 和 7

　　4、2 測(cè)試方法

　　一般而言，我們通常研究的是晶圓級(jí)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(bào)告中采用了封裝部件進(jìn)行測(cè)試。該測(cè)試設(shè)置中，過(guò)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(diǎn)。小外形集成電路 (SOIC) 和 DIP 器件均被測(cè)試和分析，以確定相同失效模式被激活。圖 2 顯示了測(cè)試器件 (DUT) 的這種測(cè)試設(shè)置。

　　圖 2、高壓使用壽命的測(cè)試設(shè)置

　　在一個(gè)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(gè)應(yīng)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(cè)試的開(kāi)始激活了一個(gè)計(jì)時(shí)器，該計(jì)時(shí)器在電路電流超出 1mA 時(shí)停止，其意味著介電層已經(jīng)失效。TF 因每一個(gè)應(yīng)用測(cè)試電壓而變得明顯。在每一個(gè)測(cè)試電壓上獨(dú)立地完成對(duì) DUT 的測(cè)試（每次測(cè)試一個(gè) DUT），可獲得有效的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

　　5、結(jié)果

　　5、1 TDDB E－模型預(yù)測(cè)

　　使用一個(gè)線性威布爾 (Weibull)（6） 圖對(duì)該原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以測(cè)定最壞情況下的 TF；其在每一個(gè)測(cè)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(cè)試電壓相對(duì)應(yīng)。

　　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(qǐng)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(shù)據(jù)的分析

　　通過(guò)利用圖