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亚德诺新闻
聚酰亚胺薄膜应用于数字隔离器1
发布时间:2022-01-14        浏览次数:122        返回列表
 

摘要

与传统的光耦合器相比,数字隔离器在高速、低功耗、高可靠性、小尺寸、高集成度和易用性方面更具优势。数以十亿计的使用微变压器的数字隔离器已广泛用于许多市场,包括汽车、工业自动化、医疗和能源。这些数字隔离器之所以具有高压性能,主要原因在于:在堆栈式绕组变压器的顶部螺旋绕组和底部螺旋绕组之间使用了聚酰亚胺膜。本文将介绍数字隔离器的结构,其中使用聚酰亚胺膜作为隔离层。为了满足多种安全标准,例如UL和VDE,数字隔离器需要具有承受短时耐受电压、浪涌电压、工作电压等各种高压性能。研究了聚酰亚胺在交流或直流等各种高压波形下的老化行为,并通过聚酰亚胺寿命模型推算出隔离器的工作电压。此外,还将讨论通过改进结构来改善聚酰亚胺的高压使用寿命。

 

简介

电路元件之间的隔离作用一般是保证高压安全或者数据完整。比如,隔离可保护系统端的敏感电路元件和人机接口,防止现场端的危险电压造成损害或伤害,现场端有传感器、执行器等更鲁棒的元件。隔离还可消除会影响数据采集精度的共模噪声或接地环路。虽然几十年来一直由光耦合器提供隔离,但它们存在很大的局限性,包括低速、高功耗、可靠性有限。它们采用低带宽,传输延迟时间长,这让它们难以满足许多隔离式现场总线通信越来越高的速度要求,例如工业自动化系统中的RS-485。

它们的LED具有高功耗,这大大限制了功率有限的工业系统的系统总功率预算,例如4 mA至20 mA的工艺控制系统。随着时间推移,特别是在高温条件下,光耦合器的电流传输比不断降低,使其无法再满足汽车等严苛应用的可靠性要求。

数字隔离器消除了传统隔离方面的缺陷,与光耦合器相比,它们在高速、低功耗、高可靠性、小尺寸、高集成度和易用性方面更具优势。使用微变压器1,2的数字隔离器支持集成多个变压器和其他必要的电路功能。数字隔离器使用的堆栈式螺旋在顶部线圈和底部线圈之间提供紧密的磁耦合,在相邻螺旋之间则提供极低的磁耦合。如此,可以将多个通道集成在一起,而通道彼此之间几乎不产生干扰。顶部螺旋和底部螺旋之间的磁耦合只取决于大小和分隔距离。与光耦合器的电流传输比不同,它不会随着时间的推移而降低,所以这些基于变压器的数字隔离器具有高可靠性。这些变压器的自谐振频率从几百MHz到几GHz,可以为数字隔离器实现150 Mbps至600 Mbps频率。这些变压器的高品质因数远高于10,使得这些数字隔离器的功耗比光耦合器低几个数量级。

图1所示的光耦合器通过在LED裸片和光电二极管裸片之间填充几毫米厚的模制原料来实现隔离。对于图2所示的基于变压器的数字隔离器来说,隔离性能主要由芯片级微变压器顶部和底部线圈之间20 μm至40 μm厚的聚酰亚胺层决定。我们将介绍这些隔离器的详细结构、这些聚酰亚胺膜的沉积方法、聚酰亚胺膜的特征、高压性能,以及数字隔离器的老化行为。

 


1.(a)光耦合器示意图,(b)光耦合器封装截面图

 

2.(a)采用塑料封装的数字隔离器,(b)变压器截面图

 

数字隔离器使用聚酰亚胺膜

聚酰亚胺是由亚胺单体组成的聚合物。聚酰亚胺被许多数字隔离器用作绝缘材料,原因有很多,包括出色的击穿强度、热稳定性和机械稳定性、耐化学性、ESD性能,以及相对较低的介电常数。聚酰亚胺除了具有不错的高压性能外,还具有出色的ESD性能,能够承受超过15 kV的EOS和ESD事件。3在能量有限的ESD事件中,聚酰亚胺聚合物会吸收一些电荷,形成稳定的自由基,从而中断雪崩过程,并排出一些电荷。其他介质材料(例如氧化物)通常不具备这种ESD耐受性,一旦ESD电平超过介电强度,即使ESD能量很低,也可能会发生雪崩。聚酰亚胺还具有很高的热稳定性,失重温度超过500℃,玻璃化转变温度约260℃;以及很高的机械稳定性,抗拉强度超过120 MPa,弹性伸长率超过30%。聚酰亚胺虽然具有较高的伸长率,但是其杨氏模量约为3.3 GPa,因此不易变形。

聚酰亚胺具有出色的耐化学性,这是它被广泛用作高压电缆绝缘涂料的原因之一。聚酰亚胺膜可以涂覆在半导体晶圆衬底上,其出色的耐化学性也有助于促进聚酰亚胺层顶部的IC处理,例如用于制作iCoupler®变压器线圈的Au电镀层。最后,介电常数为3.3的厚聚酰亚胺膜很适合与小直径Au变压器线圈配合使用,以最大限度降低隔离栅的电容。大多数iCoupler产品在输入和输出之间的电容小于2.5 pF。由于上述这些特性,聚酰亚胺被越来越广泛地用于微电子应用中,是非常适合iCoupler高压数字隔离器的绝缘材料。

 

数字隔离器的结构和制造

数字隔离器主要由三个部分组成:隔离栅耦合元件、绝缘材料和信号传输调制解调电路。绝缘材料用于让隔离栅达到一定的隔离等级,而隔离等级主要取决于绝缘强度及其厚度。介电材料主要分为两种:有机材料(例如聚酰亚胺)和无机材料(例如二氧化硅或氮化硅)。氧化物和氮化物均具有700 V/μm至1000 V/μm的出色介电强度。但是,它们本身的高应力也会阻碍在大规模现代IC晶圆上可靠形成15 μm至20 μm的厚膜。有机膜的另一个缺点是:容易受到ESD影响;很小的电压过应力都会导致灾难性的雪崩击穿。聚酰亚胺这类有机膜由很长的C-H链构成,一个能量有限的小型ESD事件可能会破坏一些局部的C-H链路,但不会破坏材料的结构完整性,对ESD表现出更高的耐受度。在介电强度方面,聚酰亚胺不如氧化物或氮化物——大约600 V/µm至800 V/µm。但是,由于膜本身的应力低,无需耗费过多成本,即可形成厚度达到40 µm至60 µm的更厚的聚酰亚胺层。30 µm聚酰亚胺膜的耐压范围为18 kV至24 kV,要优于20 µm氧化物的耐压范围(14 kV至20 kV)。对于具有强大的ESD性能和抗冲击电压(例如在雷击中出现的电压)的高耐压能力的应用,基于聚酰亚胺的隔离器是不错的选择。

商用聚酰亚胺膜以光刻胶的形式提供,它们按照严格管控的厚度沉积在晶圆上,然后采用标准的光刻工艺成型。图3显示了数字隔离器所用的隔离变压器的工艺流程。对顶部金属层形成底部线圈的CMOS晶圆旋转涂覆层光敏聚酰亚胺,然后采用光刻技术形成聚酰亚胺层。然后,对聚酰亚胺进行热固化,以实现高结构质量。对顶部线圈层电镀,然后涂覆第二层聚酰亚胺层,并进行成形和硬化,形成顶部线圈封装。由于沉积而成的聚酰亚胺膜没有空隙(如图4所示),不会发生电晕放电现象,所以变压器设备也具有良好的老化特性,非常适合在连续的交流或直流电压下工作。

 


3.隔离变压器的工业流程图

 

 

4.制造的隔离变压器的截面图

 

适合数字隔离器的高压性能

隔离等级根据UL 1577,由1分钟持续时间内的最大耐受电压决定。在进行出厂测试时,会使用数字隔离器额定电压的120%,对其测试1秒钟。对于2.5 kV rms 1 min额定数字隔离器,对应的出厂测试设置为3 kV rms下1秒钟。在实际应用中,需注意两个重要的高压性能参数。一个是最大工作电压,在该电压下,绝缘层需要在整个连续交流或直流操作下保持完好。例如,根据VDE 0884-11,在额定电压120%的电压下,故障率为1 ppm时,提供增强隔离的隔离器的寿命需要大于37.5年。例如,如果增强型数字隔离器的额定工作电压为1kv rms,在故障率为1 ppm时,其在1.2 kV rms下的寿命需要大于37.5年。同样,在额定电压120%的电压下,在故障率为1000 ppm时,提供基本绝缘的隔离器的寿命需要长于26年。另一个重要的应用参数是器件能承受的最大瞬态隔离电压。瞬态测试波形可能各不相同,图5显示的是根据EN 60747-5-5或IEC 61010-1的示例波形。从10%升高到90%所用的时间为约1.2 μs,从峰值降低到50%所用的时间为50 μs。这是为了模拟雷击条件,所以对隔离器来说,具有能够满足现场要求的强大的浪涌性能是非常重要的。ESD耐受性是半导体器件的一个重要特性,具有很高的浪涌性能,代表着它也具有出色的ESD耐受性。

 

 

5.IEC 61010-1浪涌测试波形

 

6.在晶圆级测量的旋涂聚酰亚胺膜本身具有的主要的电气特性:

(A)直流导电率与电场之间的关系,(b)交流击穿电场分布。

(B) 

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