作者：Baoxing Chen and Sombel Diaham

與傳統(tǒng)光耦合器相比，數(shù)字隔離器具有引人注目的優(yōu)勢(shì) 高速、低功耗、高可靠性、小尺寸、高集成度、 和易用性。數(shù)十億個(gè)使用微變壓器的數(shù)字隔離器已經(jīng) 在許多市場(chǎng)廣泛采用，包括汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化、 醫(yī)療和能源。這些的高壓性能至關(guān)重要 數(shù)字隔離器是沉積在頂部螺旋之間的聚酰亞胺薄膜 用于堆疊式繞組變壓器的繞組和底部螺旋繞組。在此 文章， 使用聚酰亞胺薄膜作為隔離層的數(shù)字隔離器結(jié)構(gòu) 將被審查。滿足UL和VDE，數(shù)字等各種安全標(biāo)準(zhǔn) 隔離器需要滿足各種高壓性能，例如短路 持續(xù)時(shí)間耐壓、浪涌電壓和工作電壓。聚酰亞胺老化 研究了交流或直流等各種高壓波形下的行為， 隔離器工作電壓通過(guò)聚酰亞胺壽命外推 型。結(jié)構(gòu)改進(jìn)可提高聚酰亞胺高壓壽命 也要討論。

介紹

為了安全和/或數(shù)據(jù)，通常需要電路組件之間的隔離 完整性注意事項(xiàng)。例如，隔離可保護(hù)系統(tǒng)側(cè)的敏感電路元件和人機(jī)接口免受危險(xiǎn)電壓電平的影響 存在于現(xiàn)場(chǎng)側(cè)，其中更堅(jiān)固的組件，如傳感器和 執(zhí)行器駐留。隔離還可以消除共模噪聲或接地 影響數(shù)據(jù)采集精度的循環(huán)。雖然光耦合器提供了 隔離了幾十年，它們?cè)诘退俜矫娲嬖谥卮笙拗疲?功耗高，可靠性有限。它們的帶寬低，時(shí)間長(zhǎng) 傳播延遲在滿足不斷增長(zhǎng)的 許多隔離式現(xiàn)場(chǎng)總線通信（如RS-485）的速度要求 在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中。

由于LED的高功耗對(duì) 電力受限行業(yè)系統(tǒng)（如過(guò)程）中的整體系統(tǒng)功率預(yù)算 控制 4 mA 至 20 mA 系統(tǒng)。作為光耦合器的電流傳輸比 隨著時(shí)間的推移而退化，特別是在高溫下，它無(wú)法滿足可靠性 汽車(chē)等要求苛刻的應(yīng)用需求。

數(shù)字隔離器消除了與隔離相關(guān)的損失，它們提供 與光耦合器相比，在高速、低功耗方面具有引人注目的優(yōu)勢(shì) 消耗大、可靠性高、體積小、集成度高、使用方便。數(shù)字 使用微變壓器的隔離器1,2允許集成多個(gè)變壓器 以及其他必要的電路功能。數(shù)字隔離器中使用的堆疊螺旋 在頂部線圈和底部線圈之間提供緊密的磁耦合，并且非常 螺旋并排之間的耦合很小。這可實(shí)現(xiàn)多通道集成 通道之間干擾很小。頂部之間的磁耦合 螺旋和底部螺旋僅取決于尺寸和間距。與當(dāng)前不同 光耦合器的傳輸比，它不會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，這導(dǎo)致 這些基于變壓器的數(shù)字隔離器具有高可靠性。這些變壓器 具有從幾百M(fèi)Hz到幾GHz的自諧振頻率，它們可以 用于實(shí)現(xiàn)150 Mbps至600 Mbps的數(shù)字隔離器。具有高品質(zhì)因素 這些變壓器的功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)10，這些數(shù)字隔離器的功耗 比光耦合器低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖1所示的光耦合器依賴(lài)于幾毫米厚的模塑料 LED芯片和光電二極管芯片之間實(shí)現(xiàn)隔離。對(duì)于圖2所示的基于變壓器的數(shù)字隔離器，隔離性能主要受到限制 將 20 μm 至 40 μm 厚的聚酰亞胺層夾在頂部和 芯片級(jí)微變壓器的底部線圈。我們將審查詳細(xì)的 這些隔離器的構(gòu)建，這些聚酰亞胺薄膜的沉積方法， 聚酰亞胺薄膜的表征、高壓性能和老化 數(shù)字隔離器的行為。

圖1.（a） 光耦合器原理圖和 （b） 光耦合器封裝橫截面。

圖2.（a） 塑料封裝的數(shù)字隔離器和（b） 變壓器橫截面。

用于數(shù)字隔離器的聚酰亞胺薄膜應(yīng)用

聚酰亞胺是由酰亞胺單體組成的聚合物。聚酰亞胺用作 許多數(shù)字隔離器中的絕緣材料有多種原因，包括 優(yōu)異的擊穿強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性、耐化學(xué)性、ESD 性能和相對(duì)較低的介電常數(shù)。除了良好的高壓 性能，聚酰亞胺具有出色的ESD性能，能夠處理 超過(guò) 15 kV 的 EOS 和 ESD 事件。3在能量受限的ESD事件中，聚酰亞胺 聚合物吸收一些電荷以形成穩(wěn)定的自由基，從而中斷 雪崩過(guò)程并排出一些電荷。其他介電材料 如氧化物通常不具有這種ESD耐受特性，并且可能 一旦ESD水平超過(guò)介電強(qiáng)度，即使 ESD能量低。聚酰亞胺還具有高熱穩(wěn)定性，重量減輕 溫度超過(guò)500°C，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為260°C。 這 聚酰亞胺還具有高機(jī)械穩(wěn)定性，抗拉強(qiáng)度超過(guò)120 MPa 以及超過(guò)30%的高彈性伸長(zhǎng)率。盡管具有很高的伸長(zhǎng)率，但聚酰亞胺 不容易變形，因?yàn)闂钍夏Ａ考s為 3.3 GPa。

聚酰亞胺具有出色的耐化學(xué)性，這也是它一直存在的原因之一 廣泛用于高壓電纜的絕緣涂層。聚酰亞胺薄膜可以是 涂覆在半導(dǎo)體晶圓基板上，還具有高耐化學(xué)性 有助于促進(jìn)聚酰亞胺層頂部的 IC 加工，例如鍍金 用于制造i耦合變壓器線圈。最后，厚聚酰亞胺薄膜，具有 介電常數(shù)為3.3，與小直徑Au變壓器配合良好 線圈，以最小化隔離柵兩端的電容。大多數(shù)i耦合器產(chǎn)品 輸入和輸出之間的電容小于2.5 pF。因?yàn)檫@些 特點(diǎn)，聚酰亞胺越來(lái)越多地用于微電子應(yīng)用， 它是i耦合器高壓絕緣材料的絕佳選擇 數(shù)字隔離器。?

數(shù)字隔離器結(jié)構(gòu)和制造

數(shù)字隔離器有三個(gè)主要組件：隔離柵耦合元件、絕緣材料和通過(guò)隔離的信號(hào)方案 障礙。絕緣材料用于隔離柵達(dá)到一定的 隔離等級(jí)，隔離等級(jí)主要取決于介電強(qiáng)度 及其厚度。介電材料主要有兩種類(lèi)型：有機(jī)的，例如 如聚酰亞胺和無(wú)機(jī)物，如二氧化硅或氮化硅。氧化物和 氮化物具有 700 V/μm 至 1000 V/μm 的出色介電強(qiáng)度。然而 它們具有固有的高應(yīng)力，可防止薄膜厚度超過(guò)15μm至20μm。 在大規(guī)模現(xiàn)代IC晶圓上可靠地成型。有機(jī)物的另一個(gè)限制 電影是它們?nèi)菀资艿紼SD的影響;少量的電壓過(guò)應(yīng)力將 導(dǎo)致災(zāi)難性的雪崩故障。聚酰亞胺等有機(jī)薄膜組成 長(zhǎng) C-H 鏈和能量有限的小 ESD 事件可能會(huì)破壞一些局部 C-H 連接不會(huì)影響材料結(jié)構(gòu)完整性，并且它們往往是 更能耐受靜電放電。聚酰亞胺與氧化物或氮化物相比不受歡迎 在介電強(qiáng)度方面 - 大約 600 V/μm 至 800 V/μm。但是，隨著 固有的低薄膜應(yīng)力，更厚的聚酰亞胺層，高達(dá) 40 μm 至 60 μm 可以經(jīng)濟(jì)地形成。30 μm 聚酰亞胺薄膜提供耐受電壓 18 kV 至 24 kV 范圍，優(yōu)于 20 μm 氧化物，具有耐壓 在 14 kV 至 20 kV 范圍內(nèi)。適用于具有強(qiáng)大 ESD 性能和高 對(duì)脈沖電壓的耐壓能力，例如在 雷擊、聚酰亞胺基隔離器提供最可靠的選擇。

商用聚酰亞胺薄膜以光刻膠形式沉積 在厚度控制良好的晶圓上，然后用標(biāo)準(zhǔn)圖案化 光刻工藝。這是圖 3 中所示的流程 用于數(shù)字隔離器的隔離變壓器。帶有頂部的CMOS晶圓 形成底部線圈的金屬層旋涂有第一感光劑 聚酰亞胺和聚酰亞胺層通過(guò)光刻進(jìn)行圖案化。這 然后對(duì)聚酰亞胺進(jìn)行熱固化，以實(shí)現(xiàn)高結(jié)構(gòu)質(zhì)量。頂部線圈 層被電鍍，然后對(duì)第二個(gè)聚酰亞胺層進(jìn)行涂層、圖案化和 固化以形成頂部線圈的封裝。因?yàn)槌练e聚酰亞胺 薄膜沒(méi)有空隙，如圖4所示，并且不會(huì)受到電暈的影響 放電時(shí)，變壓器裝置也表現(xiàn)出良好的老化行為和工作 在連續(xù)交流電壓和直流電壓下很好。

圖3.隔離變壓器工藝流程。

圖4.裝配式隔離變壓器的橫截面。

數(shù)字隔離器的高壓性能

隔離額定值由 1 分鐘內(nèi)的最大耐受電壓定義 持續(xù)時(shí)間符合 UL 1577 標(biāo)準(zhǔn)。在生產(chǎn)測(cè)試中，對(duì)數(shù)字隔離器進(jìn)行了測(cè)試 在額定電壓的 120% 下持續(xù) 1 秒。對(duì)于 2.5 kV rms 1 分鐘額定數(shù)字 隔離器，等效生產(chǎn)測(cè)試為3 kV rms，持續(xù)1秒。為了實(shí)用 在應(yīng)用中，有兩個(gè)重要的高壓性能參數(shù)。 一個(gè)是絕緣需要完好無(wú)損的最大工作電壓 在連續(xù)運(yùn)行的整個(gè)生命周期內(nèi)，交流或直流。例如，根據(jù) VDE 0884-11， 在額定電壓的 120% 下具有增強(qiáng)隔離的隔離器的使用壽命 需要大于 37.5 年，故障率為 1 ppm。例如，如果 增強(qiáng)型數(shù)字隔離器的額定工作電壓為1 kV rms，其使用壽命為 1.2 kV rms 需要大于 37.5 年，故障率為 1 ppm。同樣地 基本絕緣隔離器的使用壽命為額定電壓的 120% 需要優(yōu)于 26 年，故障為 1000 ppm。另一個(gè)重要的 應(yīng)用規(guī)格是其中器件的最大瞬態(tài)隔離電壓 需要生存。瞬態(tài)測(cè)試波形可能會(huì)有所不同，示例波形 符合 EN 60747-5-5 或 IEC 61010-1 標(biāo)準(zhǔn)，如圖 5 所示。它的上升時(shí)間從10% 到90%約為1.2 μs，而從峰值到50%的下降時(shí)間為50 μs。這 打算模擬雷電條件，因此對(duì)隔離器很重要 具有強(qiáng)大的浪涌性能，以便在現(xiàn)場(chǎng)保持穩(wěn)健。ESD 容差是 半導(dǎo)體器件的重要屬性，以及高浪涌性能 意味著出色的 ESD 性能。

圖5.IEC 61010-1浪涌測(cè)試波形。

聚酰亞胺薄膜表征

圖6顯示了旋涂聚酰亞胺的主要固有電性能 在晶圓級(jí)測(cè)量的薄膜。一方面，聚酰亞胺的直流體電導(dǎo)率 在 10 左右顯示非常低的值-16在外加電場(chǎng)范圍內(nèi)的 S/m 高達(dá) 40 V/μm，但至少保持在 150 V/μm 的相當(dāng)?shù)偷乃?。另一方?同時(shí)，聚酰亞胺薄膜的交流擊穿場(chǎng)的最小值為 60 Hz 時(shí)為 450 V rms/μm。所有這些使旋涂聚酰亞胺薄膜非常好 用于可靠數(shù)字隔離器應(yīng)用的絕緣材料。

圖6.在晶圓級(jí)測(cè)量的旋涂聚酰亞胺薄膜的主要固有電性能：（a）直流電導(dǎo)率與電場(chǎng)的關(guān)系和（b）交流擊穿場(chǎng)分布。

圖7顯示了采用30 μm厚聚酰亞胺的隔離器的浪涌性能 電影。這些隔離器將通過(guò)高達(dá) 18 kV 的浪涌測(cè)試，并且第一次故障 負(fù)脈沖的電壓為 19 kV，對(duì)于負(fù)脈沖，首次故障電壓為 20 kV 正脈搏。

圖7.聚酰亞胺薄膜厚度為 30 μm 的隔離器的浪涌性能。

聚酰亞胺薄膜老化

聚酰亞胺壽命通過(guò)高壓耐久性測(cè)試進(jìn)行研究。任何絕緣體， 給予足夠的時(shí)間和電壓，會(huì)發(fā)生故障。中顯示了示例設(shè)置 圖8.多個(gè)部件并聯(lián)電連接，多組 的零件在高壓電源的不同高壓下受力， 以及開(kāi)關(guān)/測(cè)量單元（如安捷倫 34980）和 PC 可以 用于監(jiān)視單元數(shù)分解的時(shí)間。這可能是一個(gè)時(shí)間 消耗過(guò)程，單元可能需要幾天到幾個(gè)月的時(shí)間才能發(fā)生故障。

圖8.高壓耐久測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置。

失效時(shí)間的分布可以通過(guò)威布爾圖進(jìn)行分析， 如圖 9 所示。每組 16 個(gè)部件在 6 個(gè)不同的電壓下受力， 其中每個(gè)組形成一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的威布爾分布。通過(guò)威布爾 繪圖、平均故障時(shí)間 （MTTF） 或特定故障率下的故障時(shí)間，例如 因?yàn)榭梢怨烙?jì) 1 ppm。顯然，在高電壓下失效需要很長(zhǎng)時(shí)間 與低電壓相比，時(shí)間更短。符合 VDE 0884-11 標(biāo)準(zhǔn)，最小至 最大的MTTF需要跨越至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)，最低 測(cè)試電壓，63%的失效時(shí)間需要長(zhǎng)于1E7秒或 大約116天。圖9顯示了在這六個(gè)電壓下生成的數(shù)據(jù)集 滿足這些要求。

圖9.具有 20 μm 厚聚酰亞胺的隔離器的威布爾分布。

為了推斷工作電壓，將失效時(shí)間與應(yīng)力電壓作圖。 對(duì)于基本絕緣，工作電壓由20%的電壓確定 當(dāng)故障時(shí)間或 1000 ppm 的使用壽命大于 24 年時(shí)降額。 同樣，對(duì)于增強(qiáng)絕緣，工作電壓由降額20%的電壓確定，其中1 ppm時(shí)的壽命大于30年

主要的擊穿機(jī)制是通過(guò)電荷注入，由于 從電極到聚酰亞胺表面區(qū)域的直接電子沖擊。 當(dāng)電荷注入聚酰亞胺表面時(shí)，分解過(guò)程開(kāi)始 在高壓下交流條件。電荷可能會(huì)被困在一些局部陷阱中 地表的站點(diǎn)。一旦被困，能量就會(huì)被釋放出來(lái)，這將導(dǎo)致局部 由于儲(chǔ)存的靜電能而產(chǎn)生的機(jī)械張力。通過(guò)量子 激活過(guò)程中，這種張力最終會(huì)導(dǎo)致局部自由體積（空隙 或微裂縫），充當(dāng)更多的局部誘捕地點(diǎn)。如果高壓交流仍然很長(zhǎng) 足夠了，這個(gè)過(guò)程將導(dǎo)致絕緣的持續(xù)退化和 最終電穿孔。

通過(guò)熱力學(xué)分析，壽命L，4可以表示為如圖所示 在公式1中：

其中 Et是不會(huì)發(fā)生電荷注入的閾值場(chǎng)，m 和 n 是縮放常量。

高壓交流根據(jù) ANSI/IEEE std 930-1987規(guī)定的程序，“IEEE統(tǒng)計(jì)指南” 電絕緣電壓耐久性數(shù)據(jù)分析“，并觀察到以下情況。

如公式2所示，這種現(xiàn)象學(xué)擬合用于求出最壞情況 壽命，因?yàn)樗僭O(shè)沒(méi)有熱力學(xué)指定的閾值場(chǎng) 型。如果我們嘗試 HV 測(cè)試的持續(xù)時(shí)間會(huì)變得非常長(zhǎng) 測(cè)量閾值字段。公式2用于模擬 圖 10.如您所見(jiàn)，該模型很好地?cái)M合了數(shù)據(jù)。

圖 10.具有20 μm厚聚酰亞胺的隔離器的失效時(shí)間圖。

我們還觀察到，i耦合器器件在直流或單極交流下的壽命 與雙極交流電相比要長(zhǎng)得多;它至少是兩個(gè)訂單 幅度更高。對(duì)于單極性波形，捕獲電荷傾向于形成 電極周?chē)膬?nèi)部場(chǎng)屏障區(qū)域，可防止進(jìn)一步注入 的電荷進(jìn)入聚酰亞胺，如圖11所示。對(duì)于雙極流波形， 場(chǎng)的反轉(zhuǎn)將阻止這種穩(wěn)場(chǎng)勢(shì)壘的形成，并且 被困區(qū)域?qū)⒗^續(xù)進(jìn)入聚酰亞胺，最終導(dǎo)致 電氣故障。二氧化硅2另一方面，往往會(huì)給更差的壽命 適用于直流或單極交流電。

圖 11.由被困電荷形成的具有零凈電場(chǎng)的場(chǎng)勢(shì)壘區(qū)域。

圖10所示的壽命基于最差情況下的雙極流波形。高壓 單極流或直流波形的使用壽命甚至更長(zhǎng)。所描述的模型 本文中涉及聚酰亞胺絕緣，與隔離器無(wú)關(guān) 使用SiO的2絕緣體是隔離的主要手段。同樣，模型 預(yù)測(cè)SiO的高壓壽命2基于數(shù)字隔離器與 基于聚酰亞胺的隔離系統(tǒng)。

圖12顯示了單極的壽命與雙極的壽命的比較 聚酰亞胺薄膜?？梢钥闯?，單極性的峰值應(yīng)力電壓約為 交流雙極性峰值應(yīng)力電壓的兩倍，同時(shí)失效。 從本質(zhì)上講，壽命取決于峰峰值而不是峰值 聚酰亞胺薄膜的應(yīng)力電壓。

圖 12.交流雙極與單極的故障時(shí)間比較。

聚酰亞胺薄膜結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了提高聚酰亞胺的耐高壓性，電荷注入屏障 可以使用，如圖 13 所示。5,6優(yōu)選地，電荷注入屏障將 使用具有大帶隙和高介電常數(shù)的氧化物或氮化物。高 介電常數(shù)將有助于減少靠近電極的電場(chǎng)，而 較大的帶隙提高了電荷注入的能量勢(shì)壘。

圖 13.不帶氮化物電荷注入屏障的隔離變壓器（a）和帶氮化物電荷注入屏障的隔離變壓器（b）。

為了分析給定隔離系統(tǒng)的電荷注入，帶狀圖可以 繪制，如圖 14 所示。隔離系統(tǒng)的四種關(guān)鍵材料 圖13所示為Au，頂部線圈材料;聚酰亞胺，隔離材料 在頂部線圈和底部線圈之間;氧化物，電荷注入屏障;和 TiW，金下的種子層。從Au或TiW注入聚酰亞胺或氧化物中的電子或空穴可以從帶圖計(jì)算

圖 14.電荷注入的能帶圖。

圖15顯示了聚酰亞胺和聚酰亞胺隨時(shí)間變化的充電電流 SiN 注入屏障在 1000 V 下測(cè)量。穩(wěn)態(tài)電流 引入SiN勢(shì)壘時(shí)，比減少5倍以上 僅到聚酰亞胺。這突出了費(fèi)用的顯著降低 眾所周知導(dǎo)致電老化的注射工藝 具有高電場(chǎng)。

圖 15.聚酰亞胺和具有SiN注入屏障的聚酰亞胺在1 kV下的充電電流比較。

圖16顯示了失效時(shí)間（HVE測(cè)試）與交流施加電壓的關(guān)系 1 kV rms，60 Hz 時(shí)高達(dá) 3.5 kV rms，適用于采用聚酰亞胺和聚酰亞胺/SiN 屏障單芯片配置的隔離器。50% 時(shí)的壽命和外推 以 1 ppm 的數(shù)據(jù)集呈現(xiàn)。此外，對(duì)于這兩種情況，外推 報(bào)告了 30 年使用壽命的工作電壓。數(shù)字隔離器器件 聚酰亞胺絕緣具有 400 V rms 的工作電壓，而改進(jìn)的 涉及 SiN 注入屏障的設(shè)計(jì)在 1 ppm 時(shí)顯示 >900 V rms 工作電壓 （電壓降額 20% 后為 750 V rms）?；诰A級(jí)分析比較， 將使用壽命和工作電壓的改進(jìn)歸因于 聚酰亞胺和金屬線圈之間的SiN注入屏障。這些SiN薄層， 通過(guò)減輕空間電荷形成開(kāi)始時(shí)的雙極電荷注入， 減少電流，減少相關(guān)的熱效應(yīng)，而且很可能， 延長(zhǎng)給定電壓的使用壽命。

圖 16.帶和不帶SiN電荷注入屏障的聚酰亞胺隔離器的失效時(shí)間比較。

結(jié)論

聚酰亞胺薄膜在浪涌電壓下具有出色的高壓性能 到他們的高壓耐久性。這些電影已被表征和 通過(guò)電荷注入屏障可以進(jìn)一步增強(qiáng)老化行為 介電常數(shù)大，帶隙大。聚酰亞胺薄膜在數(shù)字中的應(yīng)用 引入了隔離器，這些聚酰亞胺薄膜非常適合用于 數(shù)字隔離器的隔離柵。

審核編輯：郭婷