基于加速寿命试验的磁耦隔离器耐压寿命评价方法

曹玉翠，李泽田，胡林江，张 峰

（1.中国科学院自动化研究所，北京 100098；2.中央军委装备发展部军事代表局驻北京地区第二军事代表室，北京 100042）

1 引言

数字隔离器是一种在电气隔离状态下实现信号传递的器件，主要用于隔离多种电气设备中潜在的危险，例如电压瞬变、瞬时共态、数据干扰等。磁耦隔离是一种以电磁来隔离和耦合数据的传输方式，因具有高传输速率、高可靠性、低功耗、共模瞬态抗扰度（CMTI）性能优异等特点，成为了数字磁隔离器的主要发展方向。近年来，国内外磁耦隔离器发展迅速，在航空、航天、军工等重要领域得到了广泛的应用。与此同时，对磁耦隔离器在电子系统中使用的性能稳定性和可靠性要求也大大提升。因此，磁耦隔离器的状态评估和稳定运行寿命等相关研究已成为热点。

以往的研究中，在正常应力下需要很长时间才能跟踪到磁耦隔离器使用过程中的寿命数据，耗费大量的人力、物力和时间。且随着微电子技术的迅速发展，产品升级换代较频繁，往往新的替代产品已经投入使用，旧版产品寿命数据还在收集中，使得确定其寿命分布与变化规律难上加难，不仅影响产品的定寿、延寿，而且增加了使用风险。

加速寿命试验[1-2]是解决以上矛盾的有效办法，采用加速寿命试验，在不改变磁耦隔离器失效机理的情况下合理加大试验应力水平，由此缩短试验时间，获得产品寿命数据，依据统计分析等科学方法去评估产品的使用寿命[3]。由于试验效率和经济效益明显提高，因此加速寿命试验已经成为可靠性评价领域不可或缺的试验方法。本文通过研究磁耦隔离器工作寿命的主要影响因素，分析加速寿命试验的可行性，设计并完成了加速寿命试验，通过加速模型反推出正常应力下磁耦隔离器的工作寿命，并进行可靠性评价。

2 磁耦隔离器概述

磁耦隔离器由电路和磁路2部分组成，通过电-磁-电的方式来实现能量的转换。由于信号的传递是通过磁场的变化而不是电信号的变化实现的，因此可以实现良好的前后级隔离。磁耦隔离器的工艺结构由2个彼此绝缘的线圈绕组构成，与电源相接的叫初级线圈，与负载相接的叫次级线圈，中间通过聚酰亚胺（PI）绝缘体隔开[4-5]，磁耦隔离器工艺结构如图1所示。

聚酰亚胺是一种理想的多功能材料，具有良好的电性能、热学性能、力学性能和耐化学腐蚀等优点，通常在磁耦隔离器中做介质层或绝缘保护层。隔离器在实际应用中，经常会在其2端电位不同的条件中使用，相当于隔离器内部的绝缘介质长期处于高压条件下。史广达[6]在研究中发现，隔离器的可靠性重点在于隔离栅，隔离栅寿命的对数值与施加在其2端的电压呈线性关系。罗云钟[7]提出绝缘层的厚度与耐压能力、耐压寿命呈正相关，聚酰亚胺是复合高分子聚合物，在高压条件下会产生空间电荷，高频下电荷迅速注入和抽出会导致聚酰亚胺分子被破坏。高压会影响聚酰亚胺的寿命，甚至直接导致绝缘层击穿，从而使器件丧失功能。由此可见，绝缘层是影响磁耦隔离器使用寿命的薄弱环节，而电应力是影响绝缘层寿命的重要因素。因此本文选用电应力作为影响因素来研究磁耦隔离器的耐压寿命。

图1 磁耦隔离器工艺结构

3 加速寿命试验的基本原理

3.1 试验原理及可行性分析

加速寿命试验的原理是在保证试验样品失效机理不变的情况下，使样品在加严的试验环境中工作，使其在短时间内搜集到更多产品寿命与可靠性的信息，然后再将失效数据利用统计学的方法整合，再反推回正常的工作环境中，以提高试验效率。对样品进行加速寿命试验的必要条件是样品具有可加速性。若要对磁耦隔离器进行加速寿命试验，那么其应具备以下条件：

1)在不同的试验应力水平下，产品的失效机理保持不变；

2)产品寿命特征与应力之间存在明确的、可描述的函数关系；

3)产品在不同应力水平下的失效寿命分布应符合同一分布族。

磁耦隔离器属于高可靠、长寿命类产品，在日常使用中出现故障的概率较小，且在耐压允许的范围内进行加速试验，不会改变失效机理，因此对该类器件实施加速寿命试验具有应用意义。

3.2 加速模型的选取

在加速寿命试验过程中，寿命和应力之间存在一个确定的函数关系，即加速模型。加速试验模型主要反映的是特征量与所施加的应力水平之间的关系。一般描述电应力与寿命之间的关系使用逆幂率模型，其加速模型见式（1）：

ζ＝AV-c（1）式中，ζ表示寿命，A是一个正常数，V表示电压，c是一个与激活能有关的正常数，当样品绝对温度T变化的范围非常小时，c可以近似看作一个常数。

参考按照研究对象建立起来的概率统计模型，对试验数据进行统计分析，这种概率统计模型主要反映了产品的可靠度随时间变化的过程。数字磁耦隔离器属于电子器件，寿命数据服从威布尔分布，参考工程经验中电子器件的特征寿命与加速应力之间服从的逆幂律模型，因此本试验选取逆幂律模型来研究电应力与寿命之间的关系。

4 加速寿命试验

本试验选取ADI公司的ADuM120N型数字磁耦隔离器为样品，该样品是基于电磁隔离的双通道数字隔离器，2通道完全独立，可实现输入输出之间完全的电气隔离，其原理如图2所示。其中，VCC1、VCC2为隔离器2侧的电源，VIA、VOA为A通道的输入与输出，VIB、VOB为B通道的输入与输出。

图2 ADuM120N原理

以电应力为试验应力，设计加速寿命试验，获取磁耦隔离器在不同电应力下的特征寿命，结合加速模型去外推正常应力水平下的样品使用寿命，以此来评估产品的可靠性。

4.1 加速寿命试验方案

考虑到实验室实际试验条件，为确保试验效果，节约试验成本，本试验选取恒定电压应力的加载方式进行加速试验。为了全面评估隔离器的耐压特性，采用直流和交流2种方式进行试验。在设计试验应力等级时参考GB2689.1-81《恒定应力寿命试验和加速寿命试验方法总则》的计算方法，并采取定数截尾的方式停止试验，即各个分组的所有样本均失效时结束试验。在试验开始前对所有样品按照相关技术要求进行测试，确保每个进行加速寿命试验的样品功能正常、性能完好。试验方案如表1所示。

表1 加速寿命试验方案

4.2 试验电路设计

一般而言，研究元器件的使用寿命重点在于研究晶圆。但是为了模拟更真实的使用环境，获得更为精确的产品失效模式，本试验采用了封装后的成品进行试验，试验装置如图3所示。

图3 试验电路

试验方法是在一个使用高压源的2端结构中，将隔离器左右2侧管脚分别短接在一起，并通过高压仪在输入侧-输出侧之间施加电压应力，并同时监测隔离栅2侧的电流。在试验过程中要保证漏电流小于1 mA，且在试验过程中不出现火花、电弧等现象。

4.3 寿命预测

从加速寿命试验数据可以初步得到在不同电压应力下的产品寿命变化趋势。为更加直观地体现寿命与电压之间的关系，将式（1）中左右2侧取自然对数：

式中，a=ln A，b=-c，都是待定的参数。在式（2）中ln ζ与ln V呈简单线性相关。试验中每个分组的电压不同，寿命数据趋势也不相同，因此可以得到4组（ln ζ，ln V）数对，利用最小二乘法将a、b确定出来，得到ln ζ与ln V之间的关系，代入电压值，可反推样品在正常应力下的使用寿命。

4.3.1交流高压寿命预测

ADuM120N在4个不同交流电压应力下的寿命变化如图4所示。ln t为各样本寿命数据的自然对数，F（i，n）为样本容量为n、秩为i的经验分布函数。在统计学上符合威布尔分布的样本，当n和i固定时，F（i，n）为一个常数，纵坐标的意义是弱化各个秩次的样本在顺序上的影响，以研究寿命ζ与电压V 2个变量之间的关系。

图4 交流电压-样品失效时间关系

可以看出，在不同电压应力下的产品寿命变化趋势不同，且随着电压增大，产品失效加快。分别计算产品在4种电压条件下失效率为0.001%时对应的失效时间，结果如表2所示。

表2 4种交流电压应力下产品的失效时间

结合式（2），使用试验数据可将a、b的数值可确定出来。基于最小二乘法拟合分布直线，可得到应力水平与寿命之间的关系，如式（3）所示。

假设器件工作寿命为30年时，ADuM120N对应的最大交流工作电压约为565 V。

4.3.2 直流高压寿命预测

ADuM120N在4个不同直流电压应力下的寿命变化如图5所示。由图5可以看出，直流电压应力下样品寿命的变化趋势略有不同，且电压越大，产品失效越快。参考交流高压寿命的计算方法，分别计算产品在4种电压条件下失效率为0.001%时对应的失效时间，结果如表3所示。

图5 直流电压-样品失效时间关系

表3 4种直流电压应力下产品失效时间

使用试验数据将a、b的值确定出来，拟合分布直线，可得到应力水平与寿命之间的关系，如式（4）所示。

假设器件工作寿命为30年时，ADuM120N对应的最大直流工作电压约为1430 V。

5 结论

本文分析了影响磁耦隔离器耐压寿命的主要因素，确定了磁耦隔离器在长期使用过程中的薄弱环节。针对这一特点，分析了加速寿命试验的可行性。通过设计加速寿命试验，对磁耦隔离器的耐压寿命进行了评估，基于寿命特征分布模型、加速模型、数值分析，得出磁耦隔离器ADuM120N若使用30年时，可承受的直流电压为1430 V，交流电压为565 V。评估结果可为磁耦隔离器的可靠性、维修性和保障性提供数据支撑，有助于隔离类产品的优化、拓展和延伸，对该类器件的耐压寿命和可靠性评价提供参考。