5.1 最大额定规格

半导体设备的最大额定规格即使没有“绝对”字样，也表示绝对最大额定规格。
绝对最大额定规格表示单个项目的极限值，只要有一瞬间超过该值，半导体设备就会损坏，如果规格值有 2 项以上，则为任意 2 项均不可同时达到的瞬时极限值。
半导体设备的特性会在长达几个月的时间跨度内波动。在设计装置时，请勿将代表品的实际值作为判断标准，而应在最大额定规格内进行设计。

5.2 降额

最大额定规格是确保半导体设备不损坏的瞬时值，并不能保证其可靠性。因此，需要根据装置的用途和预期的使用条件，在设计装置时进行降额。
所谓降额是指，为改善可靠性，在低于各额定值的条件下使用，可以提高装置的可靠性、延长使用寿命。降额比例根据装置的用途、使用条件、使用环境、设定寿命的不同而不同，无法统一确定，由客户自行设定标准，并写入公司内部规定。
这些公司内部额定规格包含客户的技术知识，不对外公开，一般情况下，在额定值的基础上进行如下降额即可。

1) 双极型晶体管的二次击穿现象

如下图所示，二次击穿现象是指在一次击穿后继续提高电压，在某一时间点突然进入低阻抗区域，电流迅速增大的现象。
二次击穿又称为 Secondary Breakdown，有时记作 S/B。

二次击穿现象曾被认为是双极型元件特有的现象，在 MOSFET 等单极型元件中未予考虑，但近年伴随着以降低 MOSFET 导通电阻为目的的微型化趋势，二次击穿点下降，接近 A.S.O. 保证曲线，因此在 MOSFET 中也要考虑二次击穿，这已经成为常识。

二次击穿现象的原因是电流或电场集中于半导体设备（元件）的一部分，局部电流密度增大并发热。局部发热会形成热区，该部分阻抗的下降会进一步加剧电流的增大和集中。这一循环过程被称为热逸溃，会导致半导体设备老化和损坏。
进入低阻抗 区域的过渡时间在数 [μS] 以下，因此半导体设备会在一瞬间损坏。

2) 安全工作区 A.S.O.

即使电流、电压、温度等都在最大额定规格内，但在装置实际工作中，绝大多数情况是两项以上同时施加。如果以热阻和导通电阻的温度依赖性以及出现热点的点为基准规定最大额定，会导致使用范围变窄，且不合理。因此，在最大额定规格之外，施加低电压时最好根据最大功率规定极限点，施加高电压时最好根据受热点等限制的区域规定，这样更合理。
在这一思路下引入了安全工作区（Area of Safe Operation，缩写为 A.S.O.）的概念。
作为双极型晶体管和 MOSFET 的功率破坏耐量之一，是一项重要的特性，设计时需保证无论装置工作的状态多差，都在 A.S.O. 保证曲线的范围之内。

A.S.O. 曲线是权衡以下极限曲线后的综合曲线。
ａ）高电压下不发生二次击穿的单脉冲施加功率极限
ｂ）单脉冲的施加功率极限，保证接合部温度不超过最大额定规格
ｃ）施加功率极限，保证导通电阻引起的发热不超过最大额定接合部温度（MOSFET 的情况）
ｄ）最大额定规格中规定的单独施加电压和单独施加电流的限制

此外，允许区域随半导体设备上施加的功率脉宽不同而不同，敬请注意。
下述典型示例中记载了功率脉宽 P_t＝1［ms］ 以及 P_t=0.1［ms］ 的曲线。

通常，半导体设备的 A.S.O. 曲线以使用无限大散热器为前提，在环境温度：T_a=25［℃］ 的条件下规定。接近于具有足够能力且理想的强制空气冷却、强制水冷，请在设计装置时注意。
在实际的装置设计中，请先求出半导体设备的实际使用温度，并以各半导体设备规格规定的 A.S.O. 曲线的允许电流为 100%，根据 A.S.O. 温度降额系数从中减去。
A.S.O. 温度降额系数曲线中记载的工作温度，根据半导体设备的不同，分为封装表面温度、引脚端子温度、框架温度、内部框架温度、结温等，敬请注意。

3) 雪崩耐量

半导体设备超过最大额定电压时可能在一瞬间损坏，本公司的部分 MOSFET 产品可保证超过最大额定电压后达到一定雪崩耐量前不损坏。半导体设备不损坏的能量称为雪崩能量（Avalanche Energy）。
单脉冲的雪崩能量称为 Ｅ_ＡＳ，重复脉冲的雪崩能量称为 Ｅ_ＡＲ，一般统称为雪崩耐量。本公司的部分 MOSFET 产品可保证的是 Ｅ_ＡＳ。
Ｅ_ＡＳ 由只能流过 1 次的雪崩电流：Ｉ_ＡＳ与时间的乘积规定，计算公式如下。单位为 ｍＪ。

在实际的装置设计中，与 A.S.O. 曲线一样，请先求出半导体设备的实际使用温度，并以最大额定 Ｅ_ＡＳ 值为 100%，根据 Ｅ_ＡＳ 温度降额系数曲线从中减去。Ｅ_ＡＳ 温度降额系数曲线的横轴为 MOSFET 的结温（通道温度），敬请注意。

5.3 寿命和故障率

1) 装置的设计寿命

装置和电子元件的故障率的变化用浴盆曲线表示。
通常，半导体设备的偶发故障期比普通电子元件长，其寿命曾被认为是半永久性的。半导体设备的寿命与使用温度成反比，在某些温度设定下，偶发故障期会变短，较早地进入耗损故障期。
如果在装置的预期寿命期内，使用的半导体设备进入耗损故障期，则在投入使用后一定时间内，可能突然出现装置故障多发的情况。
在设计过程中对半导体设备进行适当的降额（特别是温度），使半导体设备的耗损故障期不会在装置的预期寿命期内到来，就可以预防此类事件的发生。

特别是功率半导体设备，元件自身的发热量大，结温对寿命的影响大，不仅要考虑过电压浪涌和外来噪声，在权衡寿命的基础上进行温度降额也是重要的方面。
关于降额与寿命的详细说明，请参阅 3-4 项“加速模型与降额”。
此外，LED 和集成电路等半导体设备中，还需要考虑因使用条件和环境条件引起的电气特性变动，防止此类变动导致装置工作异常。

普通民用设备的装置设计寿命根据用途和售价千差万别，手机类的主流电路方式会以短周期变化，而电脑则需要内部 CPU 的更新换代，或为了兼容最新软件、追求功能而进行升级。对于功能寿命短于物理寿命的装置，会优先考虑成本，采用短寿命的设计，也有一部分工业设备不计成本，以长寿命为前提条件。
请客户根据装置的设计寿命，采取合适的降额措施，以延长装置寿命。住宅设备、楼房设备等与建筑物一体的装置要求的功能寿命较长，有的设计寿命也长达十几年以上。如果要用于此类长寿命用途，请事先联系本公司，并需要在设计时考虑一些特别的注意事项，以延长寿命。

民用半导体设备的寿命设计多数以每天 3 到 6 小时的间歇使用为前提，使用 8 到 10 年，长时间使用或高温工作的情况下需要特别注意。
除特殊产品外，本公司功率半导体设备的开发条件是：每天 8 小时间歇使用，预期寿命约 10 年。

2) 装置的目标故障率

本公司会进行严格的检查以排除初期异常品，遗憾的是半导体设备会不可避免存在一定概率的缺陷和故障，会在使用的过程中暴露出来，无法将故障的发生率降为零。
如果在要求普通民用半导体设备零缺陷（零不良）的设备上使用，为了排除浴盆曲线的初期故障，需要客户负责采取烤机或预烧等措施。

5.4 散热设计

使用半导体设备时，如何将半导体设备内部产生的热量散放到周围环境中是极为重要的一点。这不单是以封装（半导体设备的外包装壳）的散热为目的，也是为了调整工作时的结温，使其处于最大额定规格内。此类热处理需要对半导体设备的结构有一定的理解，并选择合适的散热器。
散热器需要在充分考虑散热条件、使用温度等条件的基础上，进行合适的设计。
此外，接合部温度与寿命有着密切的关系，在最大额定规格内使用是基本要求，而为了确保装置的设计寿命，还要进行充分的温度降额，在使用时留有一定的余量，这对装置的可靠性设计来说也很重要。
这里以三极管为例进行说明。

1) 允许损耗和热等效电路

三极管的允许损耗 P_c max 应使工作中的接合部温度不超过最大接合部温度 T_j max，但会受接合部到周围的热阻 θ_ja 影响。
　 路的热稳定性处于理想情况，允许损耗的计算公式如下。

此外，功率三极管中不是 T_j，而是 T_c，因此不用 θ_ja 而用 θ_jc 来表示。
此外，功率 MOSFET 中不是 T_j，而是 T_ch，因此不用 θ_ja 而用 θ_ch-c 来表示。

三极管的接合部产生的热量向外部传导的路径如图所示。
三极管接合部产生的热量经金属框架（安装三极管元件的金属板）传导至散热器，然后通过冷媒（空气冷却的情况下为“空气”）向周围散热。

将热量的流动与电流的流动进行类比，并用类似电路图表示，可得到如下热等效电路。

由接合部到外界空气的热阻，在热平衡状态下忽略热容量的影响，可用以下公式表示。

此外，各热阻中由形状和材质决定的 θ_ca 值极大。 （θ_c＋θ_i＋θ_f）与 θ_ca 相比是较小的值，因此在实际中使用以下简化公式。这些热阻是由各自的散热条件和半导体设备决定的常数。

2) 热阻

这里对 θ_jc、θ_c、θ_i 和 θ_f 进行说明。

• 接合部与外壳之间的热阻：θ_jc

从接合部到外界空气的内部热阻 θ_jc 由半导体设备的结构和使用材料决定。θ_jc 是由半导体设备决定的热阻值，相同结构的半导体设备该值固定，不受冷却条件影响。
测量 θ_jc 时，对外壳进行强制冷却（水冷等）使其保持恒定温度。
此时，半导体设备的允许功率损耗的计算公式如下。

一般在产品目录中标注的 θ_jc，如未特别注明测量点，则表示从接合部到芯片正下方金属框架背面（没有芯片的一面）的热阻。如果是全塑封装，则表示从接合部到芯片正下方的成形树脂背面的热阻。

• 外壳的接触热阻：θ_c

接触热阻由接触部分的状态决定，如半导体设备的金属框架与散热器之间的接触面平坦程度、粗糙程度、接触面积、紧固扭矩等。紧固扭矩与接触热阻的典型关系示例如下所示。

扭矩超过一定值即可得到足够的热接触。
如果扭矩过大，会使半导体设备内部元件受到机械应力，导致损坏，因此请严格遵守半导体设备指定的“最大紧固扭矩”或“推荐紧固扭矩上限值”。

此外，安装到散热器等时，无论是否有绝缘板，只要涂以硅脂，即可弥补接触面的粗糙/平坦程度，并减小其影响。

• 绝缘板的热阻：θ_i

最近，全塑封装等绝缘型封装成为主流，但部分半导体设备仍在使用非绝缘型封装。
由于非绝缘型封装的芯片高电压部分安装在金属框架上，暴露在外，因此安装到散热器上时请进行绝缘处理。如果绝缘疏忽，高电压会施加到散热器上，导致安全问题，或是为了采取抗噪声措施，将散热器与 GND 进行接地连接时，高电压部分会与 GND 短路，损坏半导体设备。
在半导体设备和散热器之间插入绝缘板（绝缘片）使其与散热器绝缘。
此时，绝缘板的热阻为 θ_i，它的大小由绝缘板的材质、厚度、面积、热传导和硅脂的有无决定。
将云母片用作绝缘板时，厚度与热阻的典型关系示例如下所示。

• 散热器的热阻：θ_f

散热器的热阻是指从散热器的表面到周围空气的散热路径上的分布常数性热阻。很难用数学公式表示，所以请通过实际测量决定。
以下为散热板面积对应的热阻的实测示例。散热器中央安装 1 个三极管，散热板垂直放置时的值。

在散热器上安装多个半导体设备使用，会导致散热性能变差，使用时请降低每个半导体设备的功率。
在散热板上安装多个三极管时的散热特性示例如下所示。

3) 过渡热电阻

在半导体设备上施加功率时，接合部产生的热量并非以恒定的方式传导和散发，它与电气过渡状态一样，会随时间而变化。
将在进入热稳定状态之前的过渡性热变化用热电阻表示，这就是过渡热电阻 θ(t)，假设散热前的基准温度为 To，时间 (t) 时的接合部温度为 T_j(t)，则有如下公式。
过渡热电阻 θ(t) 的单位是 [℃/Ｗ]。

三极管的过渡热电阻特性示例如下所示。
过渡热电阻 θ(t) 在时间 (t) 足够长时，会达到饱和恒定的热电阻值，其大小取决于散热器，但如果时间 (t) 较短，则无论有无散热器，都为同一热电阻。发生这种现象是因为如果施加功率的时间较短，接合部的发热将不会传导至外壳或散热器。

4) 散热器的选择

请选择半导体设备安装部位较为平整，且无瑕疵的散热器。
购买已有螺丝孔的产品时，请选择螺丝孔部分无毛刺、平整的产品。一般以散热器的翘曲在 0.2mm 以下、表面平整度在 ▽▽ 以上为宜。
利用自然对流散热时，请将散热器的散热片设计为从装置下方朝上安装。利用空气冷却散热片等进行强制冷却时，请在设计时确保散热片因故障停止时，仍能保持半导体设备在最大额定温度以内，或设置发热时的关断电路。

5) 安装到散热器

本公司的产品若无特别指定，建议采用螺丝安装。
如果客户需要用夹子（弹簧片）进行固定，请充分确认与散热器的密合性是否良好，然后判断是否选择和引进。
此外，夹子会随时间经过而变松，需要定期检查松动情况等。

5.5 保护电路

1) 保险丝的选择

PCB 基板上有保险丝，以保护半导体设备和各类电路元件。输入电路保护多采用延时保险丝，而半导体设备的保护则采用速断型保险丝。
半导体设备在一瞬间损坏的情况较多，有时会在保险丝的延时时间内发生半导体设备损坏、封装龟裂或破裂的情况。如果封装发生龟裂或破裂，可能会发出异味或冒烟。
请在选择保险丝时做好充分的保护协调设计。

2) 过热检测与过热保护

作为保护功能，部分集成电路等半导体设备中附加了过热检测功能和过热保护功能。
“过热检测功能”用于在集成电路过热时，由特定引脚输出信号，而“过热保护功能”则是在集成电路过热时，停止其工作。
集成电路是对温度敏感的半导体设备，过热时难以精确地检测温度，此外，由于集成电路内部的发热部位和热检测部位的位置原因，会导致延时。
集成电路的过热检测功能和过热保护功能是为提高异常工作时的安全性而设计的功能，请避免在设计中过多地将过热检测功能和过热保护功能用于正常工作或反复工作。

5.6 噪声和误动作的确认

1) 外加浪涌电压与外加噪声

请在设计时确保即使外加浪涌电压或浪涌噪声进入装置，半导体设备仍可处于最大额定规格内。请根据需要采取追加噪声吸收元件等措施。
半导体设备的实际耐量可能由于制造过程中的偏差而发生变化。判断时，请勿以研究、评估装置时使用的单批半导体设备实际能否承受为准，而应看是否处于最大额定规格内。

2) 锁定

集成电路正常工作时，如果从外部施加噪声或过电压，并进入以下状态，会导致锁定。

• 输入输出引脚的电压超过电源电压（Ｖ_ＤＤ或 Ｖ_ｃｃ）时
• 输入输出引脚的电压低于 GND 电压时
• 电源引脚输入的能量超过最大额定规格时
• 电源电压上升 (dv/dt) 快，构成集成电路的 CMOS 元件进行寄生动作，所构成的可控硅导通时

通常，集成电路工作过程中被施加过电压浪涌，引发锁定现象的情况居多，但偶尔也会有 GND 引脚电位摇摆至负电位，结果使集成电路识别为过电压施加模式，导致锁定的情况。
过电压浪涌的原因主要有电源噪声、感应噪声和静电。
研究时请充分确认，如 PCB 基本的导体布线、注入噪声测试、脉冲测试、雷涌测试以及感应噪声、电磁噪声等。此外，请根据需要增设噪声吸收元件等保护元件。

3) 过渡性变动导致的错误动作

可控硅等半导体设备可能会因所施加的 dv/dt 或（dv/dt)C 导致错误动作。如果这些设备发生错误动作，即使没有 Gate 信号，可控硅也会导通，使主电极之间导通。
此外，如果流过电流的 di/dt 变大，会引起电流破坏等，但所施加的 dv/dt 或（dv/dt)C 导致的错误动作也可能成为破坏 di/dt 的原因。
请引起足够的重视，设定适当的缓冲吸收电路，以避免误动作。

4) 输入信号波形的失真

部分集成电路等半导体设备由逻辑集成电路输入信号进行动作控制。
如果输入信号波形失真，可能无法正常工作，请在设计时充分确认。

5) 电脑时序的不当动作

在接通电源时，使用电脑等按顺序控制多条电路时，半导体设备可能会受时序影响而产生误动作。
请认真进行确认和评估，以防因过滤性变化导致集成电路或可控硅等产生误动作或其他预想之外的动作模式。

5.7 PCB 基板（印刷配线板）

1) 材质与安装位置

PCB 基板根据材质分为玻璃环氧树脂板、酚醛纸基板和陶瓷基板。
选择时需要考虑其机械特性、电气特性、散热性、与搭载元件的热膨胀系数差、阻燃性、耐湿性、加工性等。
长期使用会导致 PCB 基板弯曲，会增加半导体设备和 PCB 基板的导体布线上的应力，导致断线事故，敬请注意。此外，部分安装位置容易附着尘埃，会影响耐湿性，使导体布线之间的寄生电流增大，造成集成电路等半导体设备工作异常，敬请注意。

2) 来自外围元件的影响

半导体设备对热较敏感。请注意以下事项。

• 来自外围元件的热量影响
• 散热器热对流产生的热量影响
• 防潮盖引起的热量聚集

3) 布线

PCB 基板的布线对错误动作、噪声和损耗等的影响较大，因此布线和元件布置时要十分注意。
有大电流流过的线路以粗、短为原则，在高频电流形成环路的部分使线条图案更粗，使元件之间的布线更短，并尽可能缩小环路内的面积，以减少线路阻抗。以下为一次侧开关电源电路的高频环路示例。

电源电路中，输入平滑电容的布线中也有大的充放电电流流过，因此需要考虑同样的注意事项。

请将噪声吸收元件和缓冲吸收元件连接到半导体设备的引脚附近。
此外，请进行充分的验证，确保不会由邻接的布线产生感应噪声。

4) 孔径、焊盘形状

使用插入式半导体设备时，请注意引脚端子的公差，对要安装的 PCB 基板的孔径设计适当的余量。使用自动插件机时，还需考虑插件精度，以决定孔径的大小。
如果孔径过小，不仅会加大半导体设备的插入难度，还会损伤导体布线。引脚端子已经成形的产品特别需要注意。
此外，请使孔的间距（间隔）与半导体设备的引脚端子间距一致。

使用表面贴片型半导体设备时，请合理地设计要安装的 PCB 基板的焊盘形状。如果焊盘形状设计不合理，会导致上锡不足，引起贴装不良，同时也是引发曼哈顿现象的原因之一，需要客户在贴装工序中进行更加严格的温度曲线管理。

5) PCB 贴装工序的确认

PCB 基板在经过组装工序后，会被安装到装置上。
请客户在实施确认测试时考虑 PCB 工序的情况。在客户的 PCB 组装工序或测试工序中发生的半导体设备损坏，几乎全都是过电压损坏（E.O.S. 损坏）。
通过电源输入的振荡测试或将 PCB 基板连接到检测装置时的插头插拔测试，事先对问题的有无进行充分的确认，这样可减少工序中的损坏事故。

5.8 后涂装（二次树脂涂装和热硬化）

除少部分产品之外，本公司半导体器件的外壳均由成形树脂形成。但是，根据装置的使用环境不同，为了达到固定元件、提高防潮性等目的，客户的工序中使用的半导体器件或 PCB 板可能还会再涂一层树脂。这种方式被称为后涂装。后涂装使用的材料根据不同用途包括凝胶材料、橡胶材料、模具材料等。
要进行后涂装时，请先详细咨询树脂制造商，避免后涂装材料或硬化条件向半导体器件施加过度应力或热应力，并由客户负责判断是否进行后涂装。

5.9 树脂阻燃性和防火对策

除少部分产品之外，本公司的半导体器件的外壳成形树脂均使用散热性优良的半导体级阻燃树脂（与 UL94V-O 等效），但阻燃性并不等同于不燃性。
半导体器件内的芯片损坏或随之产生的内部连接线熔断而导致局部发热、与成形树脂的成分发生反应后，也有可能引起冒烟、起火。为了避免造成事故，请在设计装置时做好相应的防火对策。

5.10 安全设计、故障安全设计

设计装置时，请通过异常测试、最差测试进行仔细确认，确保万一半导体器件发生损坏，也不会引发人身伤害、火灾事故或社会损失等。
在考虑器件损坏、各元件损坏和异常动作的基础上，进行装置或系统的安全设计和确认，由客户负责判断使用与否。