作者：Baoxing Chen and Sombel Diaham

與傳統光耦合器相比，數字隔離器具有引人注目的優勢 高速、低功耗、高可靠性、小尺寸、高集成度、 和易用性。數十億個使用微變壓器的數字隔離器已經 在許多市場廣泛采用，包括汽車、工業自動化、 醫療和能源。這些的高壓性能至關重要 數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字隔離器結構 將被審查。滿足UL和VDE，數字等各種安全標準 隔離器需要滿足各種高壓性能，例如短路 持續時間耐壓、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聚酰亞胺壽命外推 型。結構改進可提高聚酰亞胺高壓壽命 也要討論。

介紹

為了安全和/或數據，通常需要電路組件之間的隔離 完整性注意事項。例如，隔離可保護系統側的敏感電路元件和人機接口免受危險電壓電平的影響 存在于現場側，其中更堅固的組件，如傳感器和 執行器駐留。隔離還可以消除共模噪聲或接地 影響數據采集精度的循環。雖然光耦合器提供了 隔離了幾十年，它們在低速方面存在重大限制， 功耗高，可靠性有限。它們的帶寬低，時間長 傳播延遲在滿足不斷增長的 許多隔離式現場總線通信（如RS-485）的速度要求 在工業自動化系統中。

由于LED的高功耗對 電力受限行業系統（如過程）中的整體系統功率預算 控制 4 mA 至 20 mA 系統。作為光耦合器的電流傳輸比 隨著時間的推移而退化，特別是在高溫下，它無法滿足可靠性 汽車等要求苛刻的應用需求。

數字隔離器消除了與隔離相關的損失，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勢 消耗大、可靠性高、體積小、集成度高、使用方便。數字 使用微變壓器的隔離器1,2允許集成多個變壓器 以及其他必要的電路功能。數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。這可實現多通道集成 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。與當前不同 光耦合器的傳輸比，它不會隨著時間的推移而降低，這導致 這些基于變壓器的數字隔離器具有高可靠性。這些變壓器 具有從幾百MHz到幾GHz的自諧振頻率，它們可以 用于實現150 Mbps至600 Mbps的數字隔離器。具有高品質因素 這些變壓器的功耗遠遠超過10，這些數字隔離器的功耗 比光耦合器低幾個數量級。

圖1所示的光耦合器依賴于幾毫米厚的模塑料 LED芯片和光電二極管芯片之間實現隔離。對于圖2所示的基于變壓器的數字隔離器，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 芯片級微變壓器的底部線圈。我們將審查詳細的 這些隔離器的構建，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） 塑料封裝的數字隔離器和（b） 變壓器橫截面。

用于數字隔離器的聚酰亞胺薄膜應用

聚酰亞胺是由酰亞胺單體組成的聚合物。聚酰亞胺用作 許多數字隔離器中的絕緣材料有多種原因，包括 優異的擊穿強度、熱穩定性和機械穩定性、耐化學性、ESD 性能和相對較低的介電常數。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 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定的自由基，從而中斷 雪崩過程并排出一些電荷。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水平超過介電強度，即使 ESD能量低。聚酰亞胺還具有高熱穩定性，重量減輕 溫度超過500°C，玻璃化轉變溫度約為260°C。 這 聚酰亞胺還具有高機械穩定性，抗拉強度超過120 MPa 以及超過30%的高彈性伸長率。盡管具有很高的伸長率，但聚酰亞胺 不容易變形，因為楊氏模量約為 3.3 GPa。

聚酰亞胺具有出色的耐化學性，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 涂覆在半導體晶圓基板上，還具有高耐化學性 有助于促進聚酰亞胺層頂部的 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i耦合器產品 輸入和輸出之間的電容小于2.5 pF。因為這些 特點，聚酰亞胺越來越多地用于微電子應用， 它是i耦合器高壓絕緣材料的絕佳選擇 數字隔離器。?

數字隔離器結構和制造

數字隔離器有三個主要組件：隔離柵耦合元件、絕緣材料和通過隔離的信號方案 障礙。絕緣材料用于隔離柵達到一定的 隔離等級，隔離等級主要取決于介電強度 及其厚度。介電材料主要有兩種類型：有機的，例如 如聚酰亞胺和無機物，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 的出色介電強度。然而 它們具有固有的高應力，可防止薄膜厚度超過15μm至20μm。 在大規模現代IC晶圓上可靠地成型。有機物的另一個限制 電影是它們容易受到ESD的影響;少量的電壓過應力將 導致災難性的雪崩故障。聚酰亞胺等有機薄膜組成 長 C-H 鏈和能量有限的小 ESD 事件可能會破壞一些局部 C-H 連接不會影響材料結構完整性，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 在介電強度方面 - 大約 600 V/μm 至 800 V/μm。但是，隨著 固有的低薄膜應力，更厚的聚酰亞胺層，高達 40 μm 至 60 μm 可以經濟地形成。30 μm 聚酰亞胺薄膜提供耐受電壓 18 kV 至 24 kV 范圍，優于 20 μm 氧化物，具有耐壓 在 14 kV 至 20 kV 范圍內。適用于具有強大 ESD 性能和高 對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，然后用標準圖案化 光刻工藝。這是圖 3 中所示的流程 用于數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光刻進行圖案化。這 然后對聚酰亞胺進行熱固化，以實現高結構質量。頂部線圈 層被電鍍，然后對第二個聚酰亞胺層進行涂層、圖案化和 固化以形成頂部線圈的封裝。因為沉積聚酰亞胺 薄膜沒有空隙，如圖4所示，并且不會受到電暈的影響 放電時，變壓器裝置也表現出良好的老化行為和工作 在連續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。

數字隔離器的高壓性能

隔離額定值由 1 分鐘內的最大耐受電壓定義 持續時間符合 UL 1577 標準。在生產測試中，對數字隔離器進行了測試 在額定電壓的 120% 下持續 1 秒。對于 2.5 kV rms 1 分鐘額定數字 隔離器，等效生產測試為3 kV rms，持續1秒。為了實用 在應用中，有兩個重要的高壓性能參數。 一個是絕緣需要完好無損的最大工作電壓 在連續運行的整個生命周期內，交流或直流。例如，根據 VDE 0884-11， 在額定電壓的 120% 下具有增強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 增強型數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% 需要優于 26 年，故障為 1000 ppm。另一個重要的 應用規格是其中器件的最大瞬態隔離電壓 需要生存。瞬態測試波形可能會有所不同，示例波形 符合 EN 60747-5-5 或 IEC 61010-1 標準，如圖 5 所示。它的上升時間從10% 到90%約為1.2 μs，而從峰值到50%的下降時間為50 μs。這 打算模擬雷電條件，因此對隔離器很重要 具有強大的浪涌性能，以便在現場保持穩健。ESD 容差是 半導體器件的重要屬性，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 在晶圓級測量的薄膜。一方面，聚酰亞胺的直流體電導率 在 10 左右顯示非常低的值-16在外加電場范圍內的 S/m 高達 40 V/μm，但至少保持在 150 V/μm 的相當低的水平。另一方面 同時，聚酰亞胺薄膜的交流擊穿場的最小值為 60 Hz 時為 450 V rms/μm。所有這些使旋涂聚酰亞胺薄膜非常好 用于可靠數字隔離器應用的絕緣材料。

圖6.在晶圓級測量的旋涂聚酰亞胺薄膜的主要固有電性能：（a）直流電導率與電場的關系和（b）交流擊穿場分布。

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。這些隔離器將通過高達 18 kV 的浪涌測試，并且第一次故障 負脈沖的電壓為 19 kV，對于負脈沖，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

聚酰亞胺壽命通過高壓耐久性測試進行研究。任何絕緣體， 給予足夠的時間和電壓，會發生故障。中顯示了示例設置 圖8.多個部件并聯電連接，多組 的零件在高壓電源的不同高壓下受力， 以及開關/測量單元（如安捷倫 34980）和 PC 可以 用于監視單元數分解的時間。這可能是一個時間 消耗過程，單元可能需要幾天到幾個月的時間才能發生故障。

圖8.高壓耐久測試的實驗裝置。

失效時間的分布可以通過威布爾圖進行分析， 如圖 9 所示。每組 16 個部件在 6 個不同的電壓下受力， 其中每個組形成一個相當不錯的威布爾分布。通過威布爾 繪圖、平均故障時間 （MTTF） 或特定故障率下的故障時間，例如 因為可以估計 1 ppm。顯然，在高電壓下失效需要很長時間 與低電壓相比，時間更短。符合 VDE 0884-11 標準，最小至 最大的MTTF需要跨越至少兩個數量級，最低 測試電壓，63%的失效時間需要長于1E7秒或 大約116天。圖9顯示了在這六個電壓下生成的數據集 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，將失效時間與應力電壓作圖。 對于基本絕緣，工作電壓由20%的電壓確定 當故障時間或 1000 ppm 的使用壽命大于 24 年時降額。 同樣，對于增強絕緣，工作電壓由降額20%的電壓確定，其中1 ppm時的壽命大于30年

主要的擊穿機制是通過電荷注入，由于 從電極到聚酰亞胺表面區域的直接電子沖擊。 當電荷注入聚酰亞胺表面時，分解過程開始 在高壓下交流條件。電荷可能會被困在一些局部陷阱中 地表的站點。一旦被困，能量就會被釋放出來，這將導致局部 由于儲存的靜電能而產生的機械張力。通過量子 激活過程中，這種張力最終會導致局部自由體積（空隙 或微裂縫），充當更多的局部誘捕地點。如果高壓交流仍然很長 足夠了，這個過程將導致絕緣的持續退化和 最終電穿孔。

通過熱力學分析，壽命L，4可以表示為如圖所示 在公式1中：

其中 Et是不會發生電荷注入的閾值場，m 和 n 是縮放常量。

高壓交流根據 ANSI/IEEE std 930-1987規定的程序，“IEEE統計指南” 電絕緣電壓耐久性數據分析“，并觀察到以下情況。

如公式2所示，這種現象學擬合用于求出最壞情況 壽命，因為它假設沒有熱力學指定的閾值場 型。如果我們嘗試 HV 測試的持續時間會變得非常長 測量閾值字段。公式2用于模擬 圖 10.如您所見，該模型很好地擬合了數據。

圖 10.具有20 μm厚聚酰亞胺的隔離器的失效時間圖。

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得多;它至少是兩個訂單 幅度更高。對于單極性波形，捕獲電荷傾向于形成 電極周圍的內部場屏障區域，可防止進一步注入 的電荷進入聚酰亞胺，如圖11所示。對于雙極流波形， 場的反轉將阻止這種穩場勢壘的形成，并且 被困區域將繼續進入聚酰亞胺，最終導致 電氣故障。二氧化硅2另一方面，往往會給更差的壽命 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的場勢壘區域。

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。所描述的模型 本文中涉及聚酰亞胺絕緣，與隔離器無關 使用SiO的2絕緣體是隔離的主要手段。同樣，模型 預測SiO的高壓壽命2基于數字隔離器與 基于聚酰亞胺的隔離系統。

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。可以看出，單極性的峰值應力電壓約為 交流雙極性峰值應力電壓的兩倍，同時失效。 從本質上講，壽命取決于峰峰值而不是峰值 聚酰亞胺薄膜的應力電壓。

圖 12.交流雙極與單極的故障時間比較。

聚酰亞胺薄膜結構改進

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優選地，電荷注入屏障將 使用具有大帶隙和高介電常數的氧化物或氮化物。高 介電常數將有助于減少靠近電極的電場，而 較大的帶隙提高了電荷注入的能量勢壘。

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的電荷注入，帶狀圖可以 繪制，如圖 14 所示。隔離系統的四種關鍵材料 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間變化的充電電流 SiN 注入屏障在 1000 V 下測量。穩態電流 引入SiN勢壘時，比減少5倍以上 僅到聚酰亞胺。這突出了費用的顯著降低 眾所周知導致電老化的注射工藝 具有高電場。

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顯示了失效時間（HVE測試）與交流施加電壓的關系 1 kV rms，60 Hz 時高達 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% 時的壽命和外推 以 1 ppm 的數據集呈現。此外，對于這兩種情況，外推 報告了 30 年使用壽命的工作電壓。數字隔離器器件 聚酰亞胺絕緣具有 400 V rms 的工作電壓，而改進的 涉及 SiN 注入屏障的設計在 1 ppm 時顯示 >900 V rms 工作電壓 （電壓降額 20% 后為 750 V rms）。基于晶圓級分析比較， 將使用壽命和工作電壓的改進歸因于 聚酰亞胺和金屬線圈之間的SiN注入屏障。這些SiN薄層， 通過減輕空間電荷形成開始時的雙極電荷注入， 減少電流，減少相關的熱效應，而且很可能， 延長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間比較。

結論

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 通過電荷注入屏障可以進一步增強老化行為 介電常數大，帶隙大。聚酰亞胺薄膜在數字中的應用 引入了隔離器，這些聚酰亞胺薄膜非常適合用于 數字隔離器的隔離柵。

審核編輯：郭婷