Experimental Investigation on the Moisture-Driven Time-Dependent Dielectric Breakdown in Galvanic Isolators based on Polymeric Dielectrics

In many complex electronic systems, there exists a distinct "signal" circuitry and "power" circuitry, serving distinct functions, but whose integration is crucial for overall system operation. The former primarily handles information processing (microcontrollers, logic gates, linear amplifiers), while the latter is responsible mainly for power management (drives, power lines). Since these two components operate at vastly different voltages and currents, it is necessary to ensure so-called galvanic isolation (GI), which involves implementing techniques to prevent the existence of a direct current path between the signal and power circuitries, while still enabling the exchange of power and signals. GI systems are widely utilized in various applications, such as drives for electric motors, medical instrumentation, household appliances, and industrial automation. As a result, they represent a significant sector for leading electronics manufacturers in the market. Silicon dioxide (SiO2) has traditionally been the material of choice for this purpose; however, in recent times, leading manufacturers have shifted their focus to Polymeric Insulators (PIs) due to their unique properties. Among those materials, polyimides have proven to be the most suitable for the insulation role as they exhibit excellent compatibility with the CMOS process, better tolerance in terms of electrostatic discharge than SiO2, and high chemical, mechanical, and thermal stability Before being released on the market, GI devices must undergo several certification tests. Time-Dependent Dielectric Breakdown (TDDB) is one of those reliability tests, whose purpose is the assessment of the device lifetime during its on-field operation. Since lifetime is of the order of tens of years, TDDB tests are typically conducted under accelerated conditions (for instance, for voltages or at temperatures higher than those of use), and the real lifespan is then extrapolated with the help of physical laws. From a practical standpoint, the TDDB test entails applying an AC or DC waveform to the sample under test for a duration that causes it to breakdown, which consists in the establishment of a conductive path between the two electrodes, when isolation is no longer assured. It is important to consider the unique aspects of reliability physics for polymeric materials that are not seen in inorganic dielectrics. One of those aspects is the impact of external humidity and temperature on the dielectric properties of polymers. This poses a significant risk that must be carefully considered during both the design and qualification phases, as it can cause material degradation and lead to a drastic reduction in its lifespan. Therefore, to ensure the safety of the GI device throughout its lifetime, it is necessary to characterize it even under non-ideal usage conditions, to prevent failures and risks for the end user. In particular, there seems to be a relationship between the concentration of water molecules within the polymer and the expected lifespan of the sample under stress test conditions. There are some theories and models in the literature that explain this dependency, but there is no unanimous theory. Moreover, these theories do not entirely explain the evidence observed in this work, thus the objective of this work has been the experimental characterization of the breakdown behavior in relation to the internal moisture concentration in the polymer. Experiments were conducted in order to evaluate the lifetime response of GI devices following a variation in moisture content. Results have shown that for low moisture concentrations within the polymer, the device lifetime exhibits an inverse relationship with moisture content, whereas for higher concentrations, this dependence disappears and the lifetime remains substantially constant despite variations in water molecules concentration. The previous behavior has been explained considering that water molecules in the polymer can be present in two different forms: self-associated and bound. Only the latter makes degradation processes stronger, while the former leads to an increase in the material dielectric permittivity but plays a marginal role in TDDB.

In molti complessi sistemi elettronici, esiste una distinta circuitazione "di segnale" e "di potenza", che svolgono funzioni diverse ma la cui integrazione è cruciale per il funzionamento complessivo del sistema. La prima gestisce principalmente l'elaborazione delle informazioni (microcontrollori, porte logiche, amplificatori lineari), mentre la seconda è responsabile principalmente della gestione dell'alimentazione (motori, linee di potenza). Poiché questi due componenti operano a tensioni e correnti molto diverse, è necessario garantire l'isolamento galvanico (IG), che implica l'implementazione di tecniche per prevenire l'esistenza di un percorso diretto di corrente tra le circuitazioni di segnale e di potenza, pur consentendo lo scambio di potenza e segnali. I sistemi IG sono ampiamente utilizzati in varie applicazioni, come i motori elettrici, strumentazione medica, elettrodomestici e automazione industriale. Di conseguenza, rappresentano un settore significativo per i principali produttori di elettronica sul mercato. Il biossido di silicio (SiO2) è tradizionalmente il materiale di scelta per questo scopo; tuttavia, recentemente i principali produttori hanno spostato il loro focus verso gli isolanti polimerici (PIs) a causa delle loro proprietà uniche. Tra questi materiali, i poliimidi si sono dimostrati i più adatti per il ruolo di isolamento poiché mostrano un'eccellente compatibilità con il processo CMOS, una migliore tolleranza in termini di scariche elettrostatiche rispetto al SiO2, e alta stabilità chimica, meccanica e termica. Prima di essere commercializzati, i dispositivi IG devono essere sottoposti a diversi test di certificazione. Il Time-Dependent Dielectric Breakdown (TDDB) è uno di quei test di affidabilità, il cui scopo è valutare la durata del dispositivo durante il suo funzionamento in campo. Poiché il tempo di vita è dell'ordine di decine di anni, i test TDDB vengono tipicamente condotti in condizioni accelerate (ad esempio, per tensioni o temperature più elevate rispetto a quelle d'uso), e la vera durata viene poi estrapolata con l'aiuto delle leggi fisiche. Da un punto di vista pratico, il test TDDB comporta l'applicazione di un'onda AC o DC al campione in esame per una certa durata che porta alla rottura, la quale consiste nell'instaurarsi di un percorso conduttivo tra i due elettrodi, quando l'isolamento non è più assicurato. È importante considerare gli aspetti unici della fisica dell'affidabilità per materiali polimerici che non sono presenti nei dielettrici inorganici. Uno di questi aspetti è l'impatto dell'umidità esterna e della temperatura sulle proprietà dielettriche dei polimeri. Ciò rappresenta un rischio significativo che deve essere attentamente considerato durante le fasi di progettazione e qualificazione, poiché può causare degradazione del materiale e portare a una drastica riduzione della sua durata. Pertanto, per garantire la sicurezza del dispositivo IG durante tutto il suo ciclo di vita, è necessario caratterizzarlo anche sotto condizioni di utilizzo non ideali, per prevenire guasti e rischi per l'utente finale. In particolare, sembra esserci una relazione tra la concentrazione di molecole d'acqua all'interno del polimero e la durata prevista del campione nelle condizioni di test sotto stress. Ci sono alcune teorie e modelli in letteratura che spiegano questa dipendenza, ma non c'è una teoria unanime. Inoltre, queste teorie non spiegano completamente le evidenze osservate in questo lavoro, quindi l'obiettivo di questo lavoro è stato la caratterizzazione sperimentale del comportamento di rottura in relazione alla concentrazione interna di molecole d'acqua nel polimero. Sono stati condotti esperimenti per valutare la risposta della durata dei dispositivi IG a seguito di una variazione del contenuto di molecole d'acqua. I risultati hanno dimostrato che per basse concentrazioni di umidità nel polimero, la durata del dispositivo diminuisce all'aumentare dell'umidità. Tuttavia, per concentrazioni più elevate, questa dipendenza scompare e la durata rimane sostanzialmente costante nonostante le variazioni nella concentrazione di molecole d'acqua. Questo comportamento è stato spiegato considerando che le molecole d'acqua nel polimero possono essere presenti in due forme diverse: auto-associate e legate. Solo quest'ultima rende i processi di degradazione più forti, mentre la prima porta a un aumento della permittività dielettrica del materiale ma ha un ruolo marginale nel TDDB.