基于加速壽命試驗(yàn)的磁耦隔離器耐壓壽命評(píng)價(jià)方法

曹玉翠，李澤田，胡林江，張 峰

（1.中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所，北京 100098；2.中央軍委裝備發(fā)展部軍事代表局駐北京地區(qū)第二軍事代表室，北京 100042）

1 引言

數(shù)字隔離器是一種在電氣隔離狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞的器件，主要用于隔離多種電氣設(shè)備中潛在的危險(xiǎn)，例如電壓瞬變、瞬時(shí)共態(tài)、數(shù)據(jù)干擾等。磁耦隔離是一種以電磁來(lái)隔離和耦合數(shù)據(jù)的傳輸方式，因具有高傳輸速率、高可靠性、低功耗、共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）性能優(yōu)異等特點(diǎn)，成為了數(shù)字磁隔離器的主要發(fā)展方向。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外磁耦隔離器發(fā)展迅速，在航空、航天、軍工等重要領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，對(duì)磁耦隔離器在電子系統(tǒng)中使用的性能穩(wěn)定性和可靠性要求也大大提升。因此，磁耦隔離器的狀態(tài)評(píng)估和穩(wěn)定運(yùn)行壽命等相關(guān)研究已成為熱點(diǎn)。

以往的研究中，在正常應(yīng)力下需要很長(zhǎng)時(shí)間才能跟蹤到磁耦隔離器使用過(guò)程中的壽命數(shù)據(jù)，耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間。且隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，產(chǎn)品升級(jí)換代較頻繁，往往新的替代產(chǎn)品已經(jīng)投入使用，舊版產(chǎn)品壽命數(shù)據(jù)還在收集中，使得確定其壽命分布與變化規(guī)律難上加難，不僅影響產(chǎn)品的定壽、延壽，而且增加了使用風(fēng)險(xiǎn)。

加速壽命試驗(yàn)[1-2]是解決以上矛盾的有效辦法，采用加速壽命試驗(yàn)，在不改變磁耦隔離器失效機(jī)理的情況下合理加大試驗(yàn)應(yīng)力水平，由此縮短試驗(yàn)時(shí)間，獲得產(chǎn)品壽命數(shù)據(jù)，依據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等科學(xué)方法去評(píng)估產(chǎn)品的使用壽命[3]。由于試驗(yàn)效率和經(jīng)濟(jì)效益明顯提高，因此加速壽命試驗(yàn)已經(jīng)成為可靠性評(píng)價(jià)領(lǐng)域不可或缺的試驗(yàn)方法。本文通過(guò)研究磁耦隔離器工作壽命的主要影響因素，分析加速壽命試驗(yàn)的可行性，設(shè)計(jì)并完成了加速壽命試驗(yàn)，通過(guò)加速模型反推出正常應(yīng)力下磁耦隔離器的工作壽命，并進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。

2 磁耦隔離器概述

磁耦隔離器由電路和磁路2部分組成，通過(guò)電-磁-電的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。由于信號(hào)的傳遞是通過(guò)磁場(chǎng)的變化而不是電信號(hào)的變化實(shí)現(xiàn)的，因此可以實(shí)現(xiàn)良好的前后級(jí)隔離。磁耦隔離器的工藝結(jié)構(gòu)由2個(gè)彼此絕緣的線圈繞組構(gòu)成，與電源相接的叫初級(jí)線圈，與負(fù)載相接的叫次級(jí)線圈，中間通過(guò)聚酰亞胺（PI）絕緣體隔開(kāi)[4-5]，磁耦隔離器工藝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

聚酰亞胺是一種理想的多功能材料，具有良好的電性能、熱學(xué)性能、力學(xué)性能和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，通常在磁耦隔離器中做介質(zhì)層或絕緣保護(hù)層。隔離器在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)在其2端電位不同的條件中使用，相當(dāng)于隔離器內(nèi)部的絕緣介質(zhì)長(zhǎng)期處于高壓條件下。史廣達(dá)[6]在研究中發(fā)現(xiàn)，隔離器的可靠性重點(diǎn)在于隔離柵，隔離柵壽命的對(duì)數(shù)值與施加在其2端的電壓呈線性關(guān)系。羅云鐘[7]提出絕緣層的厚度與耐壓能力、耐壓壽命呈正相關(guān)，聚酰亞胺是復(fù)合高分子聚合物，在高壓條件下會(huì)產(chǎn)生空間電荷，高頻下電荷迅速注入和抽出會(huì)導(dǎo)致聚酰亞胺分子被破壞。高壓會(huì)影響聚酰亞胺的壽命，甚至直接導(dǎo)致絕緣層擊穿，從而使器件喪失功能。由此可見(jiàn)，絕緣層是影響磁耦隔離器使用壽命的薄弱環(huán)節(jié)，而電應(yīng)力是影響絕緣層壽命的重要因素。因此本文選用電應(yīng)力作為影響因素來(lái)研究磁耦隔離器的耐壓壽命。

圖1 磁耦隔離器工藝結(jié)構(gòu)

3 加速壽命試驗(yàn)的基本原理

3.1 試驗(yàn)原理及可行性分析

加速壽命試驗(yàn)的原理是在保證試驗(yàn)樣品失效機(jī)理不變的情況下，使樣品在加嚴(yán)的試驗(yàn)環(huán)境中工作，使其在短時(shí)間內(nèi)搜集到更多產(chǎn)品壽命與可靠性的信息，然后再將失效數(shù)據(jù)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法整合，再反推回正常的工作環(huán)境中，以提高試驗(yàn)效率。對(duì)樣品進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)的必要條件是樣品具有可加速性。若要對(duì)磁耦隔離器進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，那么其應(yīng)具備以下條件：

1)在不同的試驗(yàn)應(yīng)力水平下，產(chǎn)品的失效機(jī)理保持不變；

2)產(chǎn)品壽命特征與應(yīng)力之間存在明確的、可描述的函數(shù)關(guān)系；

3)產(chǎn)品在不同應(yīng)力水平下的失效壽命分布應(yīng)符合同一分布族。

磁耦隔離器屬于高可靠、長(zhǎng)壽命類(lèi)產(chǎn)品，在日常使用中出現(xiàn)故障的概率較小，且在耐壓允許的范圍內(nèi)進(jìn)行加速試驗(yàn)，不會(huì)改變失效機(jī)理，因此對(duì)該類(lèi)器件實(shí)施加速壽命試驗(yàn)具有應(yīng)用意義。

3.2 加速模型的選取

在加速壽命試驗(yàn)過(guò)程中，壽命和應(yīng)力之間存在一個(gè)確定的函數(shù)關(guān)系，即加速模型。加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕从车氖翘卣髁颗c所施加的應(yīng)力水平之間的關(guān)系。一般描述電應(yīng)力與壽命之間的關(guān)系使用逆冪率模型，其加速模型見(jiàn)式（1）：

ζ＝AV-c（1）式中，ζ表示壽命，A是一個(gè)正常數(shù)，V表示電壓，c是一個(gè)與激活能有關(guān)的正常數(shù)，當(dāng)樣品絕對(duì)溫度T變化的范圍非常小時(shí)，c可以近似看作一個(gè)常數(shù)。

參考按照研究對(duì)象建立起來(lái)的概率統(tǒng)計(jì)模型，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，這種概率統(tǒng)計(jì)模型主要反映了產(chǎn)品的可靠度隨時(shí)間變化的過(guò)程。數(shù)字磁耦隔離器屬于電子器件，壽命數(shù)據(jù)服從威布爾分布，參考工程經(jīng)驗(yàn)中電子器件的特征壽命與加速應(yīng)力之間服從的逆冪律模型，因此本試驗(yàn)選取逆冪律模型來(lái)研究電應(yīng)力與壽命之間的關(guān)系。

4 加速壽命試驗(yàn)

本試驗(yàn)選取ADI公司的ADuM120N型數(shù)字磁耦隔離器為樣品，該樣品是基于電磁隔離的雙通道數(shù)字隔離器，2通道完全獨(dú)立，可實(shí)現(xiàn)輸入輸出之間完全的電氣隔離，其原理如圖2所示。其中，VCC1、VCC2為隔離器2側(cè)的電源，VIA、VOA為A通道的輸入與輸出，VIB、VOB為B通道的輸入與輸出。

圖2 ADuM120N原理

以電應(yīng)力為試驗(yàn)應(yīng)力，設(shè)計(jì)加速壽命試驗(yàn)，獲取磁耦隔離器在不同電應(yīng)力下的特征壽命，結(jié)合加速模型去外推正常應(yīng)力水平下的樣品使用壽命，以此來(lái)評(píng)估產(chǎn)品的可靠性。

4.1 加速壽命試驗(yàn)方案

考慮到實(shí)驗(yàn)室實(shí)際試驗(yàn)條件，為確保試驗(yàn)效果，節(jié)約試驗(yàn)成本，本試驗(yàn)選取恒定電壓應(yīng)力的加載方式進(jìn)行加速試驗(yàn)。為了全面評(píng)估隔離器的耐壓特性，采用直流和交流2種方式進(jìn)行試驗(yàn)。在設(shè)計(jì)試驗(yàn)應(yīng)力等級(jí)時(shí)參考GB2689.1-81《恒定應(yīng)力壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)方法總則》的計(jì)算方法，并采取定數(shù)截尾的方式停止試驗(yàn)，即各個(gè)分組的所有樣本均失效時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。在試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)所有樣品按照相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行測(cè)試，確保每個(gè)進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)的樣品功能正常、性能完好。試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 加速壽命試驗(yàn)方案

4.2 試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

一般而言，研究元器件的使用壽命重點(diǎn)在于研究晶圓。但是為了模擬更真實(shí)的使用環(huán)境，獲得更為精確的產(chǎn)品失效模式，本試驗(yàn)采用了封裝后的成品進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)電路

試驗(yàn)方法是在一個(gè)使用高壓源的2端結(jié)構(gòu)中，將隔離器左右2側(cè)管腳分別短接在一起，并通過(guò)高壓儀在輸入側(cè)-輸出側(cè)之間施加電壓應(yīng)力，并同時(shí)監(jiān)測(cè)隔離柵2側(cè)的電流。在試驗(yàn)過(guò)程中要保證漏電流小于1 mA，且在試驗(yàn)過(guò)程中不出現(xiàn)火花、電弧等現(xiàn)象。

4.3 壽命預(yù)測(cè)

從加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以初步得到在不同電壓應(yīng)力下的產(chǎn)品壽命變化趨勢(shì)。為更加直觀地體現(xiàn)壽命與電壓之間的關(guān)系，將式（1）中左右2側(cè)取自然對(duì)數(shù)：

式中，a=ln A，b=-c，都是待定的參數(shù)。在式（2）中l(wèi)n ζ與ln V呈簡(jiǎn)單線性相關(guān)。試驗(yàn)中每個(gè)分組的電壓不同，壽命數(shù)據(jù)趨勢(shì)也不相同，因此可以得到4組（ln ζ，ln V）數(shù)對(duì)，利用最小二乘法將a、b確定出來(lái)，得到ln ζ與ln V之間的關(guān)系，代入電壓值，可反推樣品在正常應(yīng)力下的使用壽命。

4.3.1交流高壓壽命預(yù)測(cè)

ADuM120N在4個(gè)不同交流電壓應(yīng)力下的壽命變化如圖4所示。ln t為各樣本壽命數(shù)據(jù)的自然對(duì)數(shù)，F(xiàn)（i，n）為樣本容量為n、秩為i的經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)。在統(tǒng)計(jì)學(xué)上符合威布爾分布的樣本，當(dāng)n和i固定時(shí)，F(xiàn)（i，n）為一個(gè)常數(shù)，縱坐標(biāo)的意義是弱化各個(gè)秩次的樣本在順序上的影響，以研究壽命ζ與電壓V 2個(gè)變量之間的關(guān)系。

圖4 交流電壓-樣品失效時(shí)間關(guān)系

可以看出，在不同電壓應(yīng)力下的產(chǎn)品壽命變化趨勢(shì)不同，且隨著電壓增大，產(chǎn)品失效加快。分別計(jì)算產(chǎn)品在4種電壓條件下失效率為0.001%時(shí)對(duì)應(yīng)的失效時(shí)間，結(jié)果如表2所示。

表2 4種交流電壓應(yīng)力下產(chǎn)品的失效時(shí)間

結(jié)合式（2），使用試驗(yàn)數(shù)據(jù)可將a、b的數(shù)值可確定出來(lái)?；谧钚《朔〝M合分布直線，可得到應(yīng)力水平與壽命之間的關(guān)系，如式（3）所示。

假設(shè)器件工作壽命為30年時(shí)，ADuM120N對(duì)應(yīng)的最大交流工作電壓約為565 V。

4.3.2 直流高壓壽命預(yù)測(cè)

ADuM120N在4個(gè)不同直流電壓應(yīng)力下的壽命變化如圖5所示。由圖5可以看出，直流電壓應(yīng)力下樣品壽命的變化趨勢(shì)略有不同，且電壓越大，產(chǎn)品失效越快。參考交流高壓壽命的計(jì)算方法，分別計(jì)算產(chǎn)品在4種電壓條件下失效率為0.001%時(shí)對(duì)應(yīng)的失效時(shí)間，結(jié)果如表3所示。

圖5 直流電壓-樣品失效時(shí)間關(guān)系

表3 4種直流電壓應(yīng)力下產(chǎn)品失效時(shí)間

使用試驗(yàn)數(shù)據(jù)將a、b的值確定出來(lái)，擬合分布直線，可得到應(yīng)力水平與壽命之間的關(guān)系，如式（4）所示。

假設(shè)器件工作壽命為30年時(shí)，ADuM120N對(duì)應(yīng)的最大直流工作電壓約為1430 V。

5 結(jié)論

本文分析了影響磁耦隔離器耐壓壽命的主要因素，確定了磁耦隔離器在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)。針對(duì)這一特點(diǎn)，分析了加速壽命試驗(yàn)的可行性。通過(guò)設(shè)計(jì)加速壽命試驗(yàn)，對(duì)磁耦隔離器的耐壓壽命進(jìn)行了評(píng)估，基于壽命特征分布模型、加速模型、數(shù)值分析，得出磁耦隔離器ADuM120N若使用30年時(shí)，可承受的直流電壓為1430 V，交流電壓為565 V。評(píng)估結(jié)果可為磁耦隔離器的可靠性、維修性和保障性提供數(shù)據(jù)支撐，有助于隔離類(lèi)產(chǎn)品的優(yōu)化、拓展和延伸，對(duì)該類(lèi)器件的耐壓壽命和可靠性評(píng)價(jià)提供參考。