聚酰亚胺薄膜用于数字隔离器

作者：Baoxing Chen and Sombel Diaham

与传统光耦合器相比，数字隔离器具有引人注目的优势 高速、低功耗、高可靠性、小尺寸、高集成度、 和易用性。数十亿个使用微变压器的数字隔离器已经 在许多市场广泛采用，包括汽车、工业自动化、 医疗和能源。这些的高压性能至关重要 数字隔离器是沉积在顶部螺旋之间的聚酰亚胺薄膜 用于堆叠式绕组变压器的绕组和底部螺旋绕组。在此 文章， 使用聚酰亚胺薄膜作为隔离层的数字隔离器结构 将被审查。满足UL和VDE，数字等各种安全标准 隔离器需要满足各种高压性能，例如短路 持续时间耐压、浪涌电压和工作电压。聚酰亚胺老化 研究了交流或直流等各种高压波形下的行为， 隔离器工作电压通过聚酰亚胺寿命外推 型。结构改进可提高聚酰亚胺高压寿命 也要讨论。

介绍

为了安全和/或数据，通常需要电路组件之间的隔离 完整性注意事项。例如，隔离可保护系统侧的敏感电路元件和人机接口免受危险电压电平的影响 存在于现场侧，其中更坚固的组件，如传感器和 执行器驻留。隔离还可以消除共模噪声或接地 影响数据采集精度的循环。虽然光耦合器提供了 隔离了几十年，它们在低速方面存在重大限制， 功耗高，可靠性有限。它们的带宽低，时间长 传播延迟在满足不断增长的 许多隔离式现场总线通信（如RS-485）的速度要求 在工业自动化系统中。

由于LED的高功耗对 电力受限行业系统（如过程）中的整体系统功率预算 控制 4 mA 至 20 mA 系统。作为光耦合器的电流传输比 随着时间的推移而退化，特别是在高温下，它无法满足可靠性 汽车等要求苛刻的应用需求。

数字隔离器消除了与隔离相关的损失，它们提供 与光耦合器相比，在高速、低功耗方面具有引人注目的优势 消耗大、可靠性高、体积小、集成度高、使用方便。数字 使用微变压器的隔离器1,2允许集成多个变压器 以及其他必要的电路功能。数字隔离器中使用的堆叠螺旋 在顶部线圈和底部线圈之间提供紧密的磁耦合，并且非常 螺旋并排之间的耦合很小。这可实现多通道集成 通道之间干扰很小。顶部之间的磁耦合 螺旋和底部螺旋仅取决于尺寸和间距。与当前不同 光耦合器的传输比，它不会随着时间的推移而降低，这导致 这些基于变压器的数字隔离器具有高可靠性。这些变压器 具有从几百MHz到几GHz的自谐振频率，它们可以 用于实现150 Mbps至600 Mbps的数字隔离器。具有高品质因素 这些变压器的功耗远远超过10，这些数字隔离器的功耗 比光耦合器低几个数量级。

图1所示的光耦合器依赖于几毫米厚的模塑料 LED芯片和光电二极管芯片之间实现隔离。对于图2所示的基于变压器的数字隔离器，隔离性能主要受到限制 将 20 μm 至 40 μm 厚的聚酰亚胺层夹在顶部和 芯片级微变压器的底部线圈。我们将审查详细的 这些隔离器的构建，这些聚酰亚胺薄膜的沉积方法， 聚酰亚胺薄膜的表征、高压性能和老化 数字隔离器的行为。

图1.（a） 光耦合器原理图和 （b） 光耦合器封装横截面。

图2.（a） 塑料封装的数字隔离器和（b） 变压器横截面。

用于数字隔离器的聚酰亚胺薄膜应用

聚酰亚胺是由酰亚胺单体组成的聚合物。聚酰亚胺用作 许多数字隔离器中的绝缘材料有多种原因，包括 优异的击穿强度、热稳定性和机械稳定性、耐化学性、ESD 性能和相对较低的介电常数。除了良好的高压 性能，聚酰亚胺具有出色的ESD性能，能够处理 超过 15 kV 的 EOS 和 ESD 事件。3在能量受限的ESD事件中，聚酰亚胺 聚合物吸收一些电荷以形成稳定的自由基，从而中断 雪崩过程并排出一些电荷。其他介电材料 如氧化物通常不具有这种ESD耐受特性，并且可能 一旦ESD水平超过介电强度，即使 ESD能量低。聚酰亚胺还具有高热稳定性，重量减轻 温度超过500°C，玻璃化转变温度约为260°C。 这 聚酰亚胺还具有高机械稳定性，抗拉强度超过120 MPa 以及超过30%的高弹性伸长率。尽管具有很高的伸长率，但聚酰亚胺 不容易变形，因为杨氏模量约为 3.3 GPa。

聚酰亚胺具有出色的耐化学性，这也是它一直存在的原因之一 广泛用于高压电缆的绝缘涂层。聚酰亚胺薄膜可以是 涂覆在半导体晶圆基板上，还具有高耐化学性 有助于促进聚酰亚胺层顶部的 IC 加工，例如镀金 用于制造i耦合变压器线圈。最后，厚聚酰亚胺薄膜，具有 介电常数为3.3，与小直径Au变压器配合良好 线圈，以最小化隔离栅两端的电容。大多数i耦合器产品 输入和输出之间的电容小于2.5 pF。因为这些 特点，聚酰亚胺越来越多地用于微电子应用， 它是i耦合器高压绝缘材料的绝佳选择 数字隔离器。®

数字隔离器结构和制造

数字隔离器有三个主要组件：隔离栅耦合元件、绝缘材料和通过隔离的信号方案 障碍。绝缘材料用于隔离栅达到一定的 隔离等级，隔离等级主要取决于介电强度 及其厚度。介电材料主要有两种类型：有机的，例如 如聚酰亚胺和无机物，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 的出色介电强度。然而 它们具有固有的高应力，可防止薄膜厚度超过15μm至20μm。 在大规模现代IC晶圆上可靠地成型。有机物的另一个限制 电影是它们容易受到ESD的影响;少量的电压过应力将 导致灾难性的雪崩故障。聚酰亚胺等有机薄膜组成 长 C-H 链和能量有限的小 ESD 事件可能会破坏一些局部 C-H 连接不会影响材料结构完整性，并且它们往往是 更能耐受静电放电。聚酰亚胺与氧化物或氮化物相比不受欢迎 在介电强度方面 - 大约 600 V/μm 至 800 V/μm。但是，随着 固有的低薄膜应力，更厚的聚酰亚胺层，高达 40 μm 至 60 μm 可以经济地形成。30 μm 聚酰亚胺薄膜提供耐受电压 18 kV 至 24 kV 范围，优于 20 μm 氧化物，具有耐压 在 14 kV 至 20 kV 范围内。适用于具有强大 ESD 性能和高 对脉冲电压的耐压能力，例如在 雷击、聚酰亚胺基隔离器提供最可靠的选择。

商用聚酰亚胺薄膜以光刻胶形式沉积 在厚度控制良好的晶圆上，然后用标准图案化 光刻工艺。这是图 3 中所示的流程 用于数字隔离器的隔离变压器。带有顶部的CMOS晶圆 形成底部线圈的金属层旋涂有第一感光剂 聚酰亚胺和聚酰亚胺层通过光刻进行图案化。这 然后对聚酰亚胺进行热固化，以实现高结构质量。顶部线圈 层被电镀，然后对第二个聚酰亚胺层进行涂层、图案化和 固化以形成顶部线圈的封装。因为沉积聚酰亚胺 薄膜没有空隙，如图4所示，并且不会受到电晕的影响 放电时，变压器装置也表现出良好的老化行为和工作 在连续交流电压和直流电压下很好。

图3.隔离变压器工艺流程。

图4.装配式隔离变压器的横截面。

数字隔离器的高压性能

隔离额定值由 1 分钟内的最大耐受电压定义 持续时间符合 UL 1577 标准。在生产测试中，对数字隔离器进行了测试 在额定电压的 120% 下持续 1 秒。对于 2.5 kV rms 1 分钟额定数字 隔离器，等效生产测试为3 kV rms，持续1秒。为了实用 在应用中，有两个重要的高压性能参数。 一个是绝缘需要完好无损的最大工作电压 在连续运行的整个生命周期内，交流或直流。例如，根据 VDE 0884-11， 在额定电压的 120% 下具有增强隔离的隔离器的使用寿命 需要大于 37.5 年，故障率为 1 ppm。例如，如果 增强型数字隔离器的额定工作电压为1 kV rms，其使用寿命为 1.2 kV rms 需要大于 37.5 年，故障率为 1 ppm。同样地 基本绝缘隔离器的使用寿命为额定电压的 120% 需要优于 26 年，故障为 1000 ppm。另一个重要的 应用规格是其中器件的最大瞬态隔离电压 需要生存。瞬态测试波形可能会有所不同，示例波形 符合 EN 60747-5-5 或 IEC 61010-1 标准，如图 5 所示。它的上升时间从10% 到90%约为1.2 μs，而从峰值到50%的下降时间为50 μs。这 打算模拟雷电条件，因此对隔离器很重要 具有强大的浪涌性能，以便在现场保持稳健。ESD 容差是 半导体器件的重要属性，以及高浪涌性能 意味着出色的 ESD 性能。

图5.IEC 61010-1浪涌测试波形。

聚酰亚胺薄膜表征

图6显示了旋涂聚酰亚胺的主要固有电性能 在晶圆级测量的薄膜。一方面，聚酰亚胺的直流体电导率 在 10 左右显示非常低的值-16在外加电场范围内的 S/m 高达 40 V/μm，但至少保持在 150 V/μm 的相当低的水平。另一方面 同时，聚酰亚胺薄膜的交流击穿场的最小值为 60 Hz 时为 450 V rms/μm。所有这些使旋涂聚酰亚胺薄膜非常好 用于可靠数字隔离器应用的绝缘材料。

图6.在晶圆级测量的旋涂聚酰亚胺薄膜的主要固有电性能：（a）直流电导率与电场的关系和（b）交流击穿场分布。

图7显示了采用30 μm厚聚酰亚胺的隔离器的浪涌性能 电影。这些隔离器将通过高达 18 kV 的浪涌测试，并且第一次故障 负脉冲的电压为 19 kV，对于负脉冲，首次故障电压为 20 kV 正脉搏。

图7.聚酰亚胺薄膜厚度为 30 μm 的隔离器的浪涌性能。

聚酰亚胺薄膜老化

聚酰亚胺寿命通过高压耐久性测试进行研究。任何绝缘体， 给予足够的时间和电压，会发生故障。中显示了示例设置 图8.多个部件并联电连接，多组 的零件在高压电源的不同高压下受力， 以及开关/测量单元（如安捷伦 34980）和 PC 可以 用于监视单元数分解的时间。这可能是一个时间 消耗过程，单元可能需要几天到几个月的时间才能发生故障。

图8.高压耐久测试的实验装置。

失效时间的分布可以通过威布尔图进行分析， 如图 9 所示。每组 16 个部件在 6 个不同的电压下受力， 其中每个组形成一个相当不错的威布尔分布。通过威布尔 绘图、平均故障时间 （MTTF） 或特定故障率下的故障时间，例如 因为可以估计 1 ppm。显然，在高电压下失效需要很长时间 与低电压相比，时间更短。符合 VDE 0884-11 标准，最小至 最大的MTTF需要跨越至少两个数量级，最低 测试电压，63%的失效时间需要长于1E7秒或 大约116天。图9显示了在这六个电压下生成的数据集 满足这些要求。

图9.具有 20 μm 厚聚酰亚胺的隔离器的威布尔分布。

为了推断工作电压，将失效时间与应力电压作图。 对于基本绝缘，工作电压由20%的电压确定 当故障时间或 1000 ppm 的使用寿命大于 24 年时降额。 同样，对于增强绝缘，工作电压由降额20%的电压确定，其中1 ppm时的寿命大于30年

主要的击穿机制是通过电荷注入，由于 从电极到聚酰亚胺表面区域的直接电子冲击。 当电荷注入聚酰亚胺表面时，分解过程开始 在高压下交流条件。电荷可能会被困在一些局部陷阱中 地表的站点。一旦被困，能量就会被释放出来，这将导致局部 由于储存的静电能而产生的机械张力。通过量子 激活过程中，这种张力最终会导致局部自由体积（空隙 或微裂缝），充当更多的局部诱捕地点。如果高压交流仍然很长 足够了，这个过程将导致绝缘的持续退化和 最终电穿孔。

通过热力学分析，寿命L，4可以表示为如图所示 在公式1中：

其中 Et是不会发生电荷注入的阈值场，m 和 n 是缩放常量。

高压交流根据 ANSI/IEEE std 930-1987规定的程序，“IEEE统计指南” 电绝缘电压耐久性数据分析“，并观察到以下情况。

如公式2所示，这种现象学拟合用于求出最坏情况 寿命，因为它假设没有热力学指定的阈值场 型。如果我们尝试 HV 测试的持续时间会变得非常长 测量阈值字段。公式2用于模拟 图 10.如您所见，该模型很好地拟合了数据。

图 10.具有20 μm厚聚酰亚胺的隔离器的失效时间图。

我们还观察到，i耦合器器件在直流或单极交流下的寿命 与双极交流电相比要长得多;它至少是两个订单 幅度更高。对于单极性波形，捕获电荷倾向于形成 电极周围的内部场屏障区域，可防止进一步注入 的电荷进入聚酰亚胺，如图11所示。对于双极流波形， 场的反转将阻止这种稳场势垒的形成，并且 被困区域将继续进入聚酰亚胺，最终导致 电气故障。二氧化硅2另一方面，往往会给更差的寿命 适用于直流或单极交流电。

图 11.由被困电荷形成的具有零净电场的场势垒区域。

图10所示的寿命基于最差情况下的双极流波形。高压 单极流或直流波形的使用寿命甚至更长。所描述的模型 本文中涉及聚酰亚胺绝缘，与隔离器无关 使用SiO的2绝缘体是隔离的主要手段。同样，模型 预测SiO的高压寿命2基于数字隔离器与 基于聚酰亚胺的隔离系统。

图12显示了单极的寿命与双极的寿命的比较 聚酰亚胺薄膜。可以看出，单极性的峰值应力电压约为 交流双极性峰值应力电压的两倍，同时失效。 从本质上讲，寿命取决于峰峰值而不是峰值 聚酰亚胺薄膜的应力电压。

图 12.交流双极与单极的故障时间比较。

聚酰亚胺薄膜结构改进

为了提高聚酰亚胺的耐高压性，电荷注入屏障 可以使用，如图 13 所示。5,6优选地，电荷注入屏障将 使用具有大带隙和高介电常数的氧化物或氮化物。高 介电常数将有助于减少靠近电极的电场，而 较大的带隙提高了电荷注入的能量势垒。

图 13.不带氮化物电荷注入屏障的隔离变压器（a）和带氮化物电荷注入屏障的隔离变压器（b）。

为了分析给定隔离系统的电荷注入，带状图可以 绘制，如图 14 所示。隔离系统的四种关键材料 图13所示为Au，顶部线圈材料;聚酰亚胺，隔离材料 在顶部线圈和底部线圈之间;氧化物，电荷注入屏障;和 TiW，金下的种子层。从Au或TiW注入聚酰亚胺或氧化物中的电子或空穴可以从带图计算

图 14.电荷注入的能带图。

图15显示了聚酰亚胺和聚酰亚胺随时间变化的充电电流 SiN 注入屏障在 1000 V 下测量。稳态电流 引入SiN势垒时，比减少5倍以上 仅到聚酰亚胺。这突出了费用的显着降低 众所周知导致电老化的注射工艺 具有高电场。

图 15.聚酰亚胺和具有SiN注入屏障的聚酰亚胺在1 kV下的充电电流比较。

图16显示了失效时间（HVE测试）与交流施加电压的关系 1 kV rms，60 Hz 时高达 3.5 kV rms，适用于采用聚酰亚胺和聚酰亚胺/SiN 屏障单芯片配置的隔离器。50% 时的寿命和外推 以 1 ppm 的数据集呈现。此外，对于这两种情况，外推 报告了 30 年使用寿命的工作电压。数字隔离器器件 聚酰亚胺绝缘具有 400 V rms 的工作电压，而改进的 涉及 SiN 注入屏障的设计在 1 ppm 时显示 >900 V rms 工作电压 （电压降额 20% 后为 750 V rms）。基于晶圆级分析比较， 将使用寿命和工作电压的改进归因于 聚酰亚胺和金属线圈之间的SiN注入屏障。这些SiN薄层， 通过减轻空间电荷形成开始时的双极电荷注入， 减少电流，减少相关的热效应，而且很可能， 延长给定电压的使用寿命。

图 16.带和不带SiN电荷注入屏障的聚酰亚胺隔离器的失效时间比较。

结论

聚酰亚胺薄膜在浪涌电压下具有出色的高压性能 到他们的高压耐久性。这些电影已被表征和 通过电荷注入屏障可以进一步增强老化行为 介电常数大，带隙大。聚酰亚胺薄膜在数字中的应用 引入了隔离器，这些聚酰亚胺薄膜非常适合用于 数字隔离器的隔离栅。

审核编辑：郭婷