【導讀】與傳統的光耦合器相比，數字隔離器在高速
、低功耗、高可靠性、小尺寸、高集成度和易用性方麵更具優勢。數以十億計的使用微變壓器的數字隔離器已廣泛用於許多市場，包括汽車、工業自動化
、醫療和能源。這些數字隔離器之所以具有高壓性能
，主要原因在於：在堆棧式繞組變壓器的頂部螺旋繞組和底部螺旋繞組之間使用了聚酰亞胺膜。

本文將介紹數字隔離器的結構，其中使用聚酰亞胺膜作為隔離層。為了滿足多種安全標準，例如UL和VDE，數字隔離器需要具有承受短時耐受電壓、浪湧電壓、gongzuodianyadenggezhonggaoyaxingneng。yanjiulejuxianyaanzaijiaoliuhuozhiliudenggezhonggaoyaboxingxiadelaohuaxingwei
，bingtongguojuxianyaanshoumingmoxingtuisuanchugeliqidegongzuodianya。ciwai，haijiangtaoluntongguogaijinjiegoulaigaishanjuxianyaandegaoyashiyongshouming。

電(dian)路(lu)元(yuan)件(jian)之(zhi)間(jian)的(de)隔(ge)離(li)作(zuo)用(yong)一(yi)般(ban)是(shi)保(bao)證(zheng)高(gao)壓(ya)安(an)全(quan)或(huo)者(zhe)數(shu)據(ju)完(wan)整(zheng)。比(bi)如(ru)，隔(ge)離(li)可(ke)保(bao)護(hu)係(xi)統(tong)端(duan)的(de)敏(min)感(gan)電(dian)路(lu)元(yuan)件(jian)和(he)人(ren)機(ji)接(jie)口(kou)，防(fang)止(zhi)現(xian)場(chang)端(duan)的(de)危(wei)險(xian)電(dian)壓(ya)造(zao)成(cheng)損(sun)害(hai)或(huo)傷(shang)害(hai)
，現(xian)場(chang)端(duan)有(you)傳(chuan)感(gan)器(qi)、執(zhi)行(xing)器(qi)等(deng)更(geng)魯(lu)棒(bang)的(de)元(yuan)件(jian)。隔(ge)離(li)還(hai)可(ke)消(xiao)除(chu)會(hui)影(ying)響(xiang)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)精(jing)度(du)的(de)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)或(huo)接(jie)地(di)環(huan)路(lu)。雖(sui)然(ran)幾(ji)十(shi)年(nian)來(lai)一(yi)直(zhi)由(you)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)提(ti)供(gong)隔(ge)離(li)，但(dan)它(ta)們(men)存(cun)在(zai)很(hen)大(da)的(de)局(ju)限(xian)性(xing)，包(bao)括(kuo)低(di)速(su)、高功耗、可ke靠kao性xing有you限xian。它ta們men采cai用yong低di帶dai寬kuan，傳chuan輸shu延yan遲chi時shi間jian長chang，這zhe讓rang它ta們men難nan以yi滿man足zu許xu多duo隔ge離li式shi現xian場chang總zong線xian通tong信xin越yue來lai越yue高gao的de速su度du要yao求qiu，例li如ru工gong業ye自zi動dong化hua係xi統tong中zhong的deRS-485。

它們的LED具有高功耗
，這大大限製了功率有限的工業係統的係統總功率預算，例如4 mA至20 mA的de工gong藝yi控kong製zhi係xi統tong。隨sui著zhe時shi間jian推tui移yi，特te別bie是shi在zai高gao溫wen條tiao件jian下xia，光guang耦ou合he器qi的de電dian流liu傳chuan輸shu比bi不bu斷duan降jiang低di，使shi其qi無wu法fa再zai滿man足zu汽qi車che等deng嚴yan苛ke應ying用yong的de可ke靠kao性xing要yao求qiu。

數字隔離器消除了傳統隔離方麵的缺陷，與光耦合器相比


，它們在高速、低功耗
、高可靠性
、小尺寸、gaojichengduheyiyongxingfangmiangengjuyoushi。shiyongweibianyaqideshuzigeliqizhichijichengduogebianyaqiheqitabiyaodedianlugongneng。shuzigeliqishiyongdeduizhanshiluoxuanzaidingbuxianquanhedibuxianquanzhijiantigongjinmideciouhe，zaixianglinluoxuanzhijianzetigongjidideciouhe。ruci
，keyijiangduogetongdaojichengzaiyiqi
，ertongdaobicizhijianjihubuchanshengganrao。dingbuluoxuanhedibuluoxuanzhijiandeciouhezhiqujueyudaxiaohefengejuli。yuguangouheqidedianliuchuanshubibutong，tabuhuisuizheshijiandetuiyierjiangdi，suoyizhexiejiyubianyaqideshuzigeliqijuyougaokekaoxing。zhexiebianyaqidezixiezhenpinlvcongjibaiMHz到幾GHz，可以為數字隔離器實現150 Mbps至600 Mbps頻率。這些變壓器的高品質因數遠高於10
，使得這些數字隔離器的功耗比光耦合器低幾個數量級。

圖1所示的光耦合器通過在LED裸片和光電二極管裸片之間填充幾毫米厚的模製原料來實現隔離。對於圖2所示的基於變壓器的數字隔離器來說
，隔離性能主要由芯片級微變壓器頂部和底部線圈之間20 μm至40 μm厚的聚酰亞胺層決定。我們將介紹這些隔離器的詳細結構
、這些聚酰亞胺膜的沉積方法、聚酰亞胺膜的特征
、高壓性能
，以及數字隔離器的老化行為。

圖1. (a)光耦合器示意圖，(b)光耦合器封裝截麵圖。

圖2. (a)采用塑料封裝的數字隔離器


，(b)變壓器截麵圖。

數字隔離器使用聚酰亞胺膜

聚酰亞胺是由亞胺單體組成的聚合物。聚酰亞胺被許多數字隔離器用作絕緣材料，原因有很多
，包括出色的擊穿強度、熱穩定性和機械穩定性、耐化學性
、ESD性能，以及相對較低的介電常數。聚酰亞胺除了具有不錯的高壓性能外，還具有出色的ESD性能，能夠承受超過15 kV的EOS和ESD事件。在能量有限的ESD事件中

，聚酰亞胺聚合物會吸收一些電荷，形成穩定的自由基
，從而中斷雪崩過程

，並排出一些電荷。其他介質材料（例如氧化物）通常不具備這種ESD耐受性，一旦ESD電平超過介電強度，即使ESD能量很低，也可能會發生雪崩。聚酰亞胺還具有很高的熱穩定性

，失重溫度超過500°C
，玻璃化轉變溫度約260°C；以及很高的機械穩定性，抗拉強度超過120 MPa

，彈性伸長率超過30%。聚酰亞胺雖然具有較高的伸長率，但是其楊氏模量約為3.3 GPa，因此不易變形。

聚(ju)酰(xian)亞(ya)胺(an)具(ju)有(you)出(chu)色(se)的(de)耐(nai)化(hua)學(xue)性(xing)，這(zhe)是(shi)它(ta)被(bei)廣(guang)泛(fan)用(yong)作(zuo)高(gao)壓(ya)電(dian)纜(lan)絕(jue)緣(yuan)塗(tu)料(liao)的(de)原(yuan)因(yin)之(zhi)一(yi)。聚(ju)酰(xian)亞(ya)胺(an)膜(mo)可(ke)以(yi)塗(tu)覆(fu)在(zai)半(ban)導(dao)體(ti)晶(jing)圓(yuan)襯(chen)底(di)上(shang)，其(qi)出(chu)色(se)的(de)耐(nai)化(hua)學(xue)性(xing)也(ye)有(you)助(zhu)於(yu)促(cu)進(jin)聚(ju)酰(xian)亞(ya)胺(an)層(ceng)頂(ding)部(bu)的(de)IC處理
，例如用於製作iCoupler®變壓器線圈的Au電鍍層。最後，介電常數為3.3的厚聚酰亞胺膜很適合與小直徑Au變壓器線圈配合使用
，以最大限度降低隔離柵的電容。大多數iCoupler產品在輸入和輸出之間的電容小於2.5 pF。由於上述這些特性，聚酰亞胺被越來越廣泛地用於微電子應用中，是非常適合iCoupler高壓數字隔離器的絕緣材料。

數字隔離器的結構和製造

數字隔離器主要由三個部分組成：隔離柵耦合元件、絕(jue)緣(yuan)材(cai)料(liao)和(he)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)調(tiao)製(zhi)解(jie)調(tiao)電(dian)路(lu)。絕(jue)緣(yuan)材(cai)料(liao)用(yong)於(yu)讓(rang)隔(ge)離(li)柵(zha)達(da)到(dao)一(yi)定(ding)的(de)隔(ge)離(li)等(deng)級(ji)，而(er)隔(ge)離(li)等(deng)級(ji)主(zhu)要(yao)取(qu)決(jue)於(yu)絕(jue)緣(yuan)強(qiang)度(du)及(ji)其(qi)厚(hou)度(du)。介(jie)電(dian)材(cai)料(liao)主(zhu)要(yao)分(fen)為(wei)兩(liang)種(zhong)：有機材料（例如聚酰亞胺）和無機材料（例如二氧化矽或氮化矽）。氧化物和氮化物均具有700 V/μm至1000 V/μm的出色介電強度。但是，它們本身的高應力也會阻礙在大規模現代IC晶圓上可靠形成15 μm至20 μm的厚膜。有機膜的另一個缺點是：容易受到ESD影響；很小的電壓過應力都會導致災難性的雪崩擊穿。聚酰亞胺這類有機膜由很長的C-H鏈構成
，一個能量有限的小型ESD事件可能會破壞一些局部的C-H鏈路，但不會破壞材料的結構完整性，對ESD表現出更高的耐受度。在介電強度方麵，聚酰亞胺不如氧化物或氮化物——大約600 V/µm至800 V/µm。但是，由於膜本身的應力低，無需耗費過多成本
，即可形成厚度達到40 µm至60 µm的更厚的聚酰亞胺層。30 µm聚酰亞胺膜的耐壓範圍為18 kV至24 kV
，要優於20 µm氧化物的耐壓範圍（14 kV至20 kV）。對於具有強大的ESD性能和抗衝擊電壓（例如在雷擊中出現的電壓）的高耐壓能力的應用，基於聚酰亞胺的隔離器是不錯的選擇。

商用聚酰亞胺膜以光刻膠的形式提供，它們按照嚴格管控的厚度沉積在晶圓上，然後采用標準的光刻工藝成型。圖3顯示了數字隔離器所用的隔離變壓器的工藝流程。對頂部金屬層形成底部線圈的CMOSjingyuanxuanzhuantufudiyicengguangminjuxianyaan

，ranhoucaiyongguangkejishuxingchengjuxianyaanceng。ranhou
，duijuxianyaanjinxingreguhua，yishixiangaojiegouzhiliang。duidingbuxianquancengdiandu，ranhoutufudiercengjuxianyaanceng，bingjinxingchengxingheyinghua，xingchengdingbuxianquanfengzhuang。youyuchenjierchengdejuxianyaanmomeiyoukongxi（如圖4所示），不會發生電暈放電現象
，所以變壓器設備也具有良好的老化特性，非常適合在連續的交流或直流電壓下工作。

圖3. 隔離變壓器的工業流程圖。

圖4. 製造的隔離變壓器的截麵圖。

適合數字隔離器的高壓性能

隔離等級根據UL 1577，由1分鍾持續時間內的最大耐受電壓決定。在進行出廠測試時，會使用數字隔離器額定電壓的120%
，對其測試1秒鍾。對於2.5 kV rms 1 min額定數字隔離器
，對應的出廠測試設置為3 kV rms下1秒miao鍾zhong。在zai實shi際ji應ying用yong中zhong
，需xu注zhu意yi兩liang個ge重zhong要yao的de高gao壓ya性xing能neng參can數shu。一yi個ge是shi最zui大da工gong作zuo電dian壓ya，在zai該gai電dian壓ya下xia，絕jue緣yuan層ceng需xu要yao在zai整zheng個ge連lian續xu交jiao流liu或huo直zhi流liu操cao作zuo下xia保bao持chi完wan好hao。例li如ru，根gen據juVDE 0884-11，在額定電壓120%的電壓下，故障率為1 ppm時，提供增強隔離的隔離器的壽命需要大於37.5年。例如，如果增強型數字隔離器的額定工作電壓為1kv rms，在故障率為1 ppm時
，其在1.2 kV rms下的壽命需要大於37.5年。同樣
，在額定電壓120%的電壓下
，在故障率為1000 ppm時
，提供基本絕緣的隔離器的壽命需要長於26年。另一個重要的應用參數是器件能承受的最大瞬態隔離電壓。瞬態測試波形可能各不相同
，圖5顯示的是根據EN 60747-5-5或IEC 61010-1的示例波形。從10%升高到90%所用的時間為約1.2 μs，從峰值降低到50%所用的時間為50 μs。這是為了模擬雷擊條件
，所以對隔離器來說，具有能夠滿足現場要求的強大的浪湧性能是非常重要的。ESD耐受性是半導體器件的一個重要特性
，具有很高的浪湧性能
，代表著它也具有出色的ESD耐受性。

圖5. IEC 61010-1浪湧測試波形

聚酰亞胺膜的特性

圖6顯示在晶圓級測量的旋塗聚酰亞胺膜本身具有的主要的電氣特性：一方麵，聚酰亞胺的直流體積電導率在40 V/µm的電場範圍內很低，約10-16，在至少高達150 V/µm的範圍內，一直保持在很低的水平。另一方麵，在60 Hz時，聚酰亞胺膜的交流擊穿電場值達到最小，為450 V rms/µm。所有這些因素使得旋塗聚酰亞胺膜成為非常適合可靠的數字隔離器應用使用的絕緣材料。

圖6. 在晶圓級測量的旋塗聚酰亞胺膜本身具有的主要的電氣特性：(A)直流導電率與電場之間的關係，(b)交流擊穿電場分布。

圖7顯示了采用30 μm厚的聚酰亞胺膜的隔離器的浪湧性能。這些隔離器將通過高達18 kV的浪湧測試，對於負脈衝，第一次失敗的電壓為19 kV，對於正脈衝，第一次失敗的電壓為20 kV。

圖7. 采用30 μm厚的聚酰亞胺膜的隔離器的浪湧性能。

聚酰亞胺膜的老化

我們通過高壓耐久試驗研究聚酰亞胺的使用壽命。隻要時間和電壓足夠，任何絕緣體都是可以擊穿的。圖8顯示了一個示例設置。將多個器件並聯在一起
，由高壓電源對多組器件施加不同的高壓，使用開關/測量裝置（例如Agilent 34980和計算機）來監測這些器件被擊穿的時間。這個過程可能耗時長久，擊穿這些器件可能需要幾天到幾個月的時間。

圖8. 高壓耐久測試的實驗性設置。

可以通過威伯爾圖表分析器件故障的時間分布，如圖9所示。對由16個器件組成的組施加6種不同的電壓
，每組都會形成不錯的威伯爾分布圖。通過威伯爾圖
，可以估算平均無故障時間(MTTF)，或者在某些故障率（例如1 ppm）下發生故障的時間。很明顯，在高壓下發生故障的時間比在低壓下發生故障的時間短得多。根據VDE 0884-11，從最小到最大的MTTF需要跨越至少兩個數量級，在最低測試電壓下
，63%的故障時間會超過1E7秒或約116天。圖9顯示在這6種電壓下生成的數據集滿足這些要求。

圖9. 采用20 μm厚的聚酰亞胺層的隔離器的威伯爾分布圖。

為了推斷工作電壓，會基於應力電壓繪製失敗時間圖。對於基本絕緣
，通過20%的降額電壓來決定工作電壓，此時
，故障時間或1000 ppm下的使用壽命大於24年。同樣，對於增強絕緣
，通過20%的降額電壓來決定工作電壓，此時
，1 ppm下的使用壽命大於30年。

主要的擊穿機製是通過電荷注入，這是由於電子直接從電極衝擊到聚酰亞胺表麵區域所造成的。在HVac條(tiao)件(jian)下(xia)
，當(dang)電(dian)荷(he)被(bei)注(zhu)入(ru)到(dao)聚(ju)酰(xian)亞(ya)胺(an)表(biao)麵(mian)時(shi)，擊(ji)穿(chuan)過(guo)程(cheng)開(kai)始(shi)。電(dian)荷(he)可(ke)以(yi)積(ji)留(liu)在(zai)表(biao)麵(mian)的(de)某(mou)些(xie)積(ji)留(liu)點(dian)。積(ji)留(liu)之(zhi)後(hou)，電(dian)能(neng)釋(shi)放(fang)出(chu)來(lai)，儲(chu)存(cun)的(de)靜(jing)電(dian)電(dian)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)局(ju)部(bu)機(ji)製(zhi)緊(jin)張(zhang)。通(tong)過(guo)量(liang)子(zi)激(ji)活(huo)過(guo)程(cheng)，這(zhe)種(zhong)緊(jin)張(zhang)最(zui)終(zhong)會(hui)引(yin)起(qi)局(ju)部(bu)自(zi)由(you)體(ti)積(ji)（空隙或微裂隙），它們會形成更多局部積留點。如果HVac持續足夠長的時間，這個過程將導致絕緣能力持續降低，最終被電擊擊穿。

通過熱力學分析，使用壽命L可以如公式1所示：

其中，Et是無電荷注入發生的閾值場，m和n是比例常數。

我們按照在ANSI/IEEE標準930-1987（"電絕緣電壓耐久性數據的統計分析IEEE指南"）中指定的程序，分析iCoupler器件的HVac耐受性數據，由此得出：

如公式2所示
，這種唯象擬合被用於計算最短的使用壽命，因為它假定熱力學模型沒有指定閾值場。如果我們嚐試測量閾值場，HV測試的持續時間會變得非常長。我們使用公式2來模擬圖10中的故障時間。大家可以看到，模型和數據非常匹配。

圖10. 采用20 μm厚的聚酰亞胺層的隔離器的故障時間圖。

我們還發現，iCoupler器件在直流或單極交流電壓下的使用壽命比在雙極交流電壓下要長得多；至少高出兩個數量級。對於單極波形，積留電荷會在電極周圍形成一個內部場屏障區域，進一步阻止電荷注入聚酰亞胺層，如圖11所(suo)示(shi)。在(zai)雙(shuang)極(ji)交(jiao)流(liu)波(bo)形(xing)中(zhong)
，電(dian)場(chang)反(fan)向(xiang)會(hui)阻(zu)止(zhi)形(xing)成(cheng)這(zhe)種(zhong)穩(wen)定(ding)的(de)場(chang)屏(ping)障(zhang)
，積(ji)留(liu)區(qu)域(yu)會(hui)繼(ji)續(xu)侵(qin)入(ru)聚(ju)酰(xian)亞(ya)胺(an)層(ceng)，最(zui)終(zhong)導(dao)致(zhi)電(dian)擊(ji)擊(ji)穿(chuan)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)
，在(zai)直(zhi)流(liu)或(huo)單(dan)極(ji)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)下(xia)，SiO2的使用壽命更短。

圖11. 場屏障區域，積留電荷形成零淨電場。

圖10所示的使用壽命是基於最壞情況下的雙極交流波形。對於單極交流或直流波形，HV使用壽命甚至更長。本文采用的模型與聚酰亞胺絕緣相關，與使用SiO2絕緣體作為主要的隔離手段的絕緣體無關。同樣，用於預測基於SiO2的數字隔離器HV使用壽命的模型與基於聚酰亞胺的隔離係統無關。

圖12xianshilejuxianyaanbomozaidanjidianyaheshuangjidianyaxiadeshiyongshoumingduibi。keyikanchu，zaitongyangdeguzhangshijianxia，danjidianyadefengzhiyinglidianyashijiaoliushuangjidianyade2倍。從根本來說，使用壽命由聚酰亞胺薄膜的峰峰電壓決定，而不是由其峰值應力電壓決定。

圖12. 交流雙極電壓與單極電壓之間的故障時間比較。

聚酰亞胺薄膜的結構改善

為了提高聚酰亞胺的高壓耐壓性，可以使用圖13所suo示shi的de電dian荷he注zhu入ru屏ping障zhang。電dian荷he注zhu入ru屏ping障zhang最zui好hao使shi用yong具ju有you大da帶dai隙xi和he高gao介jie電dian常chang數shu的de氧yang化hua物wu或huo氮dan化hua物wu。高gao介jie電dian常chang數shu有you助zhu於yu降jiang低di電dian極ji附fu近jin的de電dian場chang
，而er大da帶dai隙xi可ke以yi增zeng大da對dui電dian荷he注zhu入ru的de電dian能neng屏ping障zhang。

圖13. (a)不帶和(b)帶氮化物電荷注入屏障的變壓器隔離。

為了分析給定隔離係統的電荷注入
，可以繪製能帶圖
，如圖14所示。圖13顯示了隔離係統使用的4種重要材料
，分別是：頂部線圈材料Au

、頂部線圈與底部線圈之間的隔離材料聚酰亞胺、作為電荷注入屏障的氧化物，以及Au下麵的種晶層TiW。根據能帶圖，可以計算出Au或TiW向聚酰亞胺
、氧化物（電子）或孔中注入的電荷量。

圖14. 電荷注入的能帶圖。

圖15顯示了在1000 V下，測量得出的聚酰亞胺和采用SiN注入屏障的聚酰亞胺的充電電流隨時間的變化。與隻使用聚酰亞胺相比，使用采用SiN屏障的聚酰亞胺時，穩態電流降低了超過5倍以上。這突出顯示電荷注入過程顯著減少，眾所周知，在高電場下，電荷注入過程是造成電老化的主要原因。

圖15. 聚酰亞胺和采用SiN注入屏障的聚酰亞胺的充電電流比較（1 kV時）。

圖16顯示了采用聚酰亞胺和采用聚酰亞胺/SiN屏障的單裸片配置在60 Hz
、1 kV rms至高達3.5 kV rms下的故障時間（HVE測試）與施加的交流電壓。圖中顯示了50%時的使用壽命，以及1 ppm時對數據集的推斷值。此外
，對於這兩種情況，還報告了在使用壽命為30年時的工作電壓（推測）。采用聚酰亞胺絕緣的數字隔離器的工作電壓為400 V rms，而改進後采用SiN注入屏障的數字隔離器的工作電壓>900 V rms（1 ppm時，電壓降額20%後為750 V）。根據晶圓級分析比較結果
，可以得出
，是聚酰亞胺和金屬線圈之間的SiN注入屏障使用壽命和工作電壓得到了改善。這些SiN薄層會在空間電荷形成開始時減少雙極電荷注入，從而降低電流
，降低相關的熱效應
，並且（很可能）延長在給定電壓下的使用壽命。

圖16. 帶和不帶SiN電荷注入屏障的聚酰亞胺隔離器的故障時間比較。

結論

conglangyongdianyadaogaoyanaishouxing，juxianyaanbomodoujuyouchusedegaoyaxingneng。womenyijingquedingzhexiemodetexing
，keyitongguoshiyongjuyoudajiedianchangshuhedadaixidedianhezhurupingzhanglaijinyibuzengqiangqikanglaohuaxingwei。benwenjieshaolejuxianyaanbomozaishuzigeliqizhongdeyingyong
，tamenshishuzigeliqigoujiangelizhadechusexuanze。

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