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聚酰亚胺薄膜应用于数字隔离器2
发布时间:2022-01-14        浏览次数:367        返回列表
 

聚酰亚胺膜的特性

图6显示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:一方面,聚酰亚胺的直流体积电导率在40 V/µm的电场范围内很低,约10-16,在至少高达150 V/µm的范围内,一直保持在很低的水平。另一方面,在60 Hz时,聚酰亚胺膜的交流击穿电场值达到最小,为450 V rms/µm。所有这些因素使得旋涂聚酰亚胺膜成为非常适合可靠的数字隔离器应用使用的绝缘材料。

图7显示了采用30 μm厚的聚酰亚胺膜的隔离器的浪涌性能。这些隔离器将通过高达18 kV的浪涌测试,对于负脉冲,次失败的电压为19 kV,对于正脉冲,次失败的电压为20 kV。

 


7.采用30 μm厚的聚酰亚胺膜的隔离器的浪涌性能

 

8.高压耐久测试的实验性设置

 

聚酰亚胺膜的老化

我们通过高压耐久试验研究聚酰亚胺的使用寿命。只要时间和电压足够,任何绝缘体都是可以击穿的。图8显示了一个示例设置。将多个器件并联在一起,由高压电源对多组器件施加不同的高压,使用开关/测量装置(例如Agilent 34980和计算机)来监测这些器件被击穿的时间。这个过程可能耗时长久,击穿这些器件可能需要几天到几个月的时间。

可以通过威伯尔图表分析器件故障的时间分布,如图9所示。对由16个器件组成的组施加6种不同的电压,每组都会形成不错的威伯尔分布图。通过威伯尔图,可以估算平均无故障时间(MTTF),或者在某些故障率(例如1 ppm)下发生故障的时间。很明显,在高压下发生故障的时间比在低压下发生故障的时间短得多。根据VDE 0884-11,从最小到最大的MTTF需要跨越至少两个数量级,在测试电压下,63%的故障时间会超过1E7秒或约116天。图9显示在这6种电压下生成的数据集满足这些要求。

 


9.采用20 μm厚的聚酰亚胺层的隔离器的威伯尔分布图

为了推断工作电压,会基于应力电压绘制失败时间图。对于基本绝缘,通过20%的降额电压来决定工作电压,此时,故障时间或1000 ppm下的使用寿命大于24年。同样,对于增强绝缘,通过20%的降额电压来决定工作电压,此时,1 ppm下的使用寿命大于30年。

 


10.采用20 μm厚的聚酰亚胺层的隔离器的故障时间图

主要的击穿机制是通过电荷注入,这是由于电子直接从电极冲击到聚酰亚胺表面区域所造成的。在HVac条件下,当电荷被注入到聚酰亚胺表面时,击穿过程开始。电荷可以积留在表面的某些积留点。积留之后,电能释放出来,储存的静电电能会导致局部机制紧张。通过量子激活过程,这种紧张最终会引起局部自由体积(空隙或微裂隙),它们会形成更多局部积留点。如果HVac持续足够长的时间,这个过程将导致绝缘能力持续降低,最终被电击击穿。

通过热力学分析,使用寿命L4可以如公式1所示:

 

其中,Et是无电荷注入发生的阈值场,m和n是比例常数。

我们按照在ANSI/IEEE标准930-1987(“电绝缘电压耐久性数据的统计分析IEEE指南”)中指定的程序,分析iCoupler器件的HVac耐受性数据,由此得出:

 

如公式2所示,这种唯象拟合被用于计算最短的使用寿命,因为它假定热力学模型没有指定阈值场。如果我们尝试测量阈值场,HV测试的持续时间会变得非常长。我们使用公式2来模拟图10中的故障时间。大家可以看到,模型和数据非常匹配。

我们还发现,iCoupler器件在直流或单极交流电压下的使用寿命比在双极交流电压下要长得多;至少高出两个数量级。对于单极波形,积留电荷会在电极周围形成一个内部场屏障区域,进一步阻止电荷注入聚酰亚胺层,如图11所示。在双极交流波形中,电场反向会阻止形成这种稳定的场屏障,积留区域会继续侵入聚酰亚胺层,最终导致电击击穿。另一方面,在直流或单极交流电压下,SiO2的使用寿命更短。

 


11.场屏障区域,积留电荷形成零净电场

图10所示的使用寿命是基于最坏情况下的双极交流波形。对于单极交流或直流波形,HV使用寿命甚至更长。本文采用的模型与聚酰亚胺绝缘相关,与使用SiO2绝缘体作为主要的隔离手段的绝缘体无关。同样,用于预测基于SiO2的数字隔离器HV使用寿命的模型与基于聚酰亚胺的隔离系统无关。

图12显示了聚酰亚胺薄膜在单极电压和双极电压下的使用寿命对比。可以看出,在同样的故障时间下,单极电压的峰值应力电压是交流双极电压的2倍。从根本来说,使用寿命由聚酰亚胺薄膜的峰峰电压决定,而不是由其峰值应力电压决定。

 


12.交流双极电压与单极电压之间的故障时间比较

 

聚酰亚胺薄膜的结构改善

为了提高聚酰亚胺的高压耐压性,可以使用图13所示的电荷注入屏障5,6。电荷注入屏障最好使用具有大带隙和高介电常数的氧化物或氮化物。高介电常数有助于降低电极附近的电场,而大带隙可以增大对电荷注入的电能屏障。

 


13.(a)不带和(b)带氮化物电荷注入屏障的变压器隔离

为了分析给定隔离系统的电荷注入,可以绘制能带图,如图14所示。图13显示了隔离系统使用的4种重要材料,分别是:顶部线圈材料Au、顶部线圈与底部线圈之间的隔离材料聚酰亚胺、作为电荷注入屏障的氧化物,以及Au下面的种晶层TiW。根据能带图,可以计算出Au或TiW向聚酰亚胺、氧化物(电子)或孔中注入的电荷量。

 


14.电荷注入的能带图

图15显示了在1000 V下,测量得出的聚酰亚胺和采用SiN注入屏障的聚酰亚胺的充电电流随时间的变化。与只使用聚酰亚胺相比,使用采用SiN屏障的聚酰亚胺时,稳态电流降低了超过5倍以上。这突出显示电荷注入过程显著减少,众所周知,在高电场下,电荷注入过程是造成电老化的主要原因。

 


15.聚酰亚胺和采用SiN注入屏障的聚酰亚胺的充电电流比较

1 kV时)。

图16显示了采用聚酰亚胺和采用聚酰亚胺/SiN屏障的单裸片配置在60 Hz、1 kV rms至高达3.5 kV rms下的故障时间(HVE测试)与施加的交流电压。图中显示了50%时的使用寿命,以及1 ppm时对数据集的推断值。此外,对于这两种情况,还报告了在使用寿命为30年时的工作电压(推测)。采用聚酰亚胺绝缘的数字隔离器的工作电压为400 V rms,而改进后采用SiN注入屏障的数字隔离器的工作电压>900 V rms(1 ppm时,电压降额20%后为750 V)。根据晶圆级分析比较结果,可以得出,是聚酰亚胺和金属线圈之间的SiN注入屏障使用寿命和工作电压得到了改善。这些SiN薄层会在空间电荷形成开始时减少双极电荷注入,从而降低电流,降低相关的热效应,并且(很可能)延长在给定电压下的使用寿命。

 


16.带和不带SiN电荷注入屏障的聚酰亚胺隔离器的故障时间比较

 

结论

从浪涌电压到高压耐受性,聚酰亚胺薄膜都具有出色的高压性能。我们已经确定这些膜的特性,可以通过使用具有大介电常数和大带隙的电荷注入屏障来进一步增强其抗老化行为。本文介绍了聚酰亚胺薄膜在数字隔离器中的应用,它们是数字隔离器构建隔离栅的出色选择。

 

参考资料

1 陈宝兴。“采用isoPower™技术的iCoupler产品:利用微变压器跨隔离栅传输信号和功率。”ADI公司,2006年4月。

2 陈宝兴、John Wynne、Ronn Kliger。“采用微型片内变压器的高速数字隔离器。”Elektronik Magazine,2003年7月。

3横跨隔离栅的浪涌:数字隔离器为加强绝缘确立标准”。ADI公司,2012年6月。

4 Len A. Dissado、Giovanni Mazzanti、Gian Carlo Montanari。“在电绝缘材料的使用寿命模型中集成空间电荷退化”。IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,第2卷,第6期,1995年12月。

5 Conor McLoughlin等。“隔离器,以及构成隔离器的方法。”美国专利第9,941,565号。

6 S. Diaham、L. O’Sullivan、E. Ceccarelli、P. Lambkin、J. O’Malley、J. Fitzgibbon、B. Stenson、P.J.Murphy、Y. Zhao、J. Cornett、A. Sow、B. Chen、S. Geary。“通过为数字隔离器应用定制氮化层接口,提高聚酰亚胺的隔离性能”。IEEE第三届国际电介质会议(ICD),2020年7月。

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