集成电路使用常识

集成电路使用常识费仲兴编译前言在多年的半导体器件的推广应用中了解到，很多整机厂的技术人员并不太了解集成电路使用的必要常识，即使是对于我公司的技术人员来说，关于这方面知识的掌握也不够全面，因此有必要把有关这方面的材料编译出来，供大家参考。

本材料主要根据日本东芝公司、三洋公司双极集成电路手册中的有关内容编译而成，有些地方加进了一些个人的理解。

一共包含了以下三个方面的内容，一是有关集成电路最大额定值的物理意义以及和产品性能的关系；二是整机设计中功率集成电路的热设计方法；三是集成电路使用中的注意事项。

其中最大额定值中的各种使用条件和环境温度的相互关系、关系集成电路功耗等的考虑方法还是值得参考的。

一、最大额定值1、最大额定值的必要性和意义根据半导体物理理论，半导体器件中载流子密度和温度成指数关系，因此温度对集成电路性能影响很大。

如果在集成电路内部器件的PN结上施加上足够的电压，载流子就会得到附加的能量，引起雪崩倍增，反向电流迅速增大，这时往往会发生击穿现象。

电流所引起的变化不像电压所引起的变化那样剧烈，但它会使半导体元件的性能缓慢地劣化，逐步地失去功能。

此外，流过PN结的电流和施加电压的乘积变为功耗，引起温升，如果温度过高，也会引起热破坏。

因此，温度、电压、电流和功耗就成为限制集成电路工作的四大因素。

据于上述理由，集成电路制造厂家往往对施加在集成电路上的电压、电流、功耗和温度规定最大容许值，要求用户遵照执行，这就是通常所说的最大额定值。

究竟什么是最大额定值，日本JIS7030（日本工业标准晶体管试验方法）中是这样定义的：关于集成电路的最大额定值，JIS中没有明确定义过，但只要把上述定义中的晶体管换成集成电路的话，就成为集成电路最大额定值的定义。

集成电路最大额定值，就是为了保证集成电路的寿命和可靠性不可超越的额定值。

这些额定值受结构材料、设计和生产条件等限制，因集成电路的种类不同其数值也不同。

如果采用绝对最大额定值的概念，可以作如下表述。

所谓绝对最大额定值，就是在工作中即使瞬间也不能超过的值，如果定有两个以上项目的最大额定值时，其中的任何一个项目也不容许超过。

此外，最大额定值的大小不仅决定于半导体芯片内部的特征，同时还要考虑芯片以外的结构材料，如封装树指、芯片焊料等材料的特征。

超过最大额定值使用时，有时会不回复其特性。

此外，应在设计时考虑电压的变化、零件特性的元件误差、环境温度的变化及输入信号的变化等，避免超过最大额定值中的任何一项。

2、电压的最大额定值集成电路内部有许多PN结，当PN结上施加的电压一高，PN结空间电荷区内形成高电场强度，由于载流子的倍增作用，会引起电子雪崩，如果没有足够大的限流电阻，就会引起PN结的损坏。

PN 结雪崩倍增率M 由Miller 用实验方法确立了如下公式 M=11-（V A /V B ）n (1)式中V A 为施加电压，V B 为M=∞时的电压，也就是产生雪崩击穿，电流变大时的电压，n 和晶体管的种类有关一般产品手册中标出的电压最大额定值，主要是V ccmax ，一般来讲，它比电路内部各PN 结的V B 要小得多，它们之间的关系可以用图1来表示。

对于双极型集成电路来讲，隔离结的V B 对V ccmax 的影响较大，如果在V cc 端子上施加的电压和正常工作电压极性相反的话，隔离结就会变成正向偏置，这样不仅会使集成电路不能正常工作，而且还往往会引起集成电路损坏，因此有时会对双极型电路规定V ccmin 。

对于双极型数字集成电路来说，其最小工作电压通常规定为-0.3V ，但有些公司的产品手册中不作此项规定，用户需注意这个问题。

在双极型集成电路中，有时引脚直接和集成电路内部晶体管的基极相连，这时如果在该引脚上施加的电压值引起内部晶体管EB 结处于反向偏置，甚至这个电压值超过了这个晶体管的BV ebo 时，可能会引起这个晶体管的损坏。

一般说来，晶体管发射结的掺杂浓度较高，EB 结的反向工作电压只有几伏，因此要充分考虑这种结构下引脚输入电压的大小。

在一般情况下，EB 结都是正向偏置，这时，该脚的最大额定值主要考虑最大容许输入电流，最大容许功耗，或者在施加的电压比V cc 还高时，不致于引起电路内部隔离结的正向偏置。

对于双极型集成电路来说，有时需要在输入端或输出端单独施加电源，此时，除开关工作状态外，除非另作规定，这些单独施加电源的数值一般以V ccmax +0.3V 和GND -0.3V 来考虑。

据于以上考虑，集成电路电压的最大额定值，一般考虑以下几个项目： ① V ccmax ，② 特定脚的最大施加电压（输入、输出、负载连接端子等）。

因此，即使不知道集成电路内部的详细情况，只要在设计应用电路时不超过这些电压最大额定值，在具体使用上就不会发生问题。

3、电流的最大额定值如前所述，过高的电压会引起半导体器件特性的急剧变化，因此就电压而言，有一个相对清楚的最大电压值。

电流对半导体集成电路影响并不像电压引起的那样有明显的破坏点，电流最大额定值一般由以下几个因素决定：① 引起内引线熔断时的电流值，② 考虑芯片上布线（通常为铝）之间发生电迁移时的电流值，③ 和晶体管饱和压降相配合，使功耗超过P dmax 时的电流值（大多适用于功率集成电路的输出电流），④ 不至于引起电路中寄生的可控硅开启时的电流值，⑤ 直流电流放大倍数异常小时，维持使电路正常工作时的电流值。

在实际应用中，有时用户希望在短时间内超过电流最大额定值，这时就采用在规定脉冲幅度和重复频率的同时，再规定最大脉冲电流额定值的方法。

除非另作规定，脉冲电流值也采用和直流最晶体管 n 的值锗PNP 管 3 锗NPN 管6 硅PNP 管 4 硅NPN 管 2频度大值一样的数值来限制。

因此，使用者只要遵守手册中规定的下述几项电流最大额定值，就不会有问题。

①最大电源电流，②最大输出电流，③指定脚的容许电流。

4、温度的最大额定值①结温T j如前所述，集成电路的性能对温度比较敏感，随着温度上升，半导体晶格热骚动加剧，电子空穴对就会增多，促使杂质半导体向本征半导体方面演变，引起晶体管工作异常。

另外，由于半导体的表面效应影响半导体的性能，温度的上升促进了这种表面效应的变化，导致性能的劣化，这可以用ARRENILLS反应式来表示，exp (-E/kT j) (2)E：激活能K：玻尔兹曼常数T j：结的绝对温度由此可见，限制加在半导体器件上的温度是非常重要的。

这个容许温度随半导体材料禁带宽度的不同而不同，硅材料一般为150℃～175℃，对于用树脂型封装集成电路来讲，由于树脂耐热性的限制，通常规定为125℃～150℃。

集成电路结温T j和寿命L的关系可以用下式来表示ln L=A+BT j (3)其中A、B为常数。

②保存温度T stg（min，max）上述的结温是工作状态下容许的结温，而把保存集成电路所容许的温度范围称为保存温度T stg。

通常保存温度的最高值和结温额定值是一样的。

保存温度的最低值，决定于形成集成电路各部分的材料热膨胀系数不一样而避免引起集成电路机械破坏时的温度（国标中称贮存温度）。

③工作环境温度T opg（min，max）工作环境温度是指集成电路在这个温度范围内具有正常的功能，比如放大功能，检波功能等，但原则上不一定能保证和Ta=25℃时的电特性一样。

5、最大功耗额定值在集成电路内部，功耗变成热量，引起结温上升。

因此，限制功耗就变得非常重要。

在使用功率集成电路时，要外加散热器，其主要目的是为了减少集成电路的热阻。

功耗和结温有密切的关系，它可以由下式来表示。

T j = θP d + T a (4)θ：热阻，P d：功耗，T a：环境温度或者外壳温度从上式可知，T j随环境温度T a和功耗P d而变化。

但是实验表明，即使是在相同的T j下，P d越大，寿命就越短。

这可以理解为在P d变大时，结附近出现的电场使结附近的残存离子得到能量而移动，促进了集成电路性能的劣化。

整机设计时，要考虑以下几个方面即使在极端变化时，也不能让集成电路超过功耗的最大额定值。

①供电电压的变动，②电气元件（集成电路、晶体管、电阻、电容等）特性的离散性，③ 在进行电路进行调试时，集成电路功耗可能达到的最大值， ④ 环境温度，⑤ 输入信号的变动， ⑥ 异常脉冲。

在一般手册中，功耗最大额定值采取以下二种表示方法 ①P dmax ， ②P dmax - T a 。

对于小功率集成电路来讲，一般用第一种方法表示，对于功率集成电路来讲，更多地采用P d -T a 曲线，如图2所示，从图中可以看出，P dmax 随着环境温度的变化而变化。

二、集成电路回路的热设计 单片集成电路的特性和温度有很大关系，如果不遵循P dmax -T a 曲线所规定的范围使用的话，有可能引起集成电路中元件特性劣化，也有可能导致损坏，因此，必须充分重视单片集成电路回路的热设计，不但要防止瞬时的破坏，而且还必须从长期工作的可靠性角度来考虑。

这里说的集成电路回路的热设计是在利用集成电路制造厂家给出的P dmax -T a 曲线的前提下，并要考虑到该集成电路的“最高容许结温”、“最大额定值和推荐工作范围”等因素。

就一般情况而言，从集成电路的结到散热器的热阻可以用下式来表示θj-a ≈ θj-c ＋θf (1)式中θj-a ：从结到周围环境的总热阻θj-c ：从结到外壳的热阻 θf ：散热器的热阻因此集成电路的结温可以表示为T j ≈P （θj-c ＋θf ）＋T a (2)d 其中：T a ：环境温度P d ：集成电路的功耗在上式中，在散热板为无限大时，热阻θf ＝0，如果T j ＝150℃计，通过测量，确定在此条件下的P d ，就可以计算出θj-c 。

图3 TA7240AP 的P dmax-T a下面试以TA7240AP 为例，给出散热器的设计步骤。

1）根据P dmax -T a 曲线求出θj-c图3是TA7240AP 技术资料中给出的P dmax -T a 曲线，无限大散热板状态时的θf ＝0，由（1）式计算出θj-c ；θj-c ＝T j －T a P d＝150℃－75℃25W ＝3℃/W 2）根据TA7240AP 技术资料中给出的P dmax －V cc （如图4）曲线，确定在使用的V cc 、R L 和连接方式下的P dmax ，计算散热器的热阻。

知道了θj-c ，P dmax ，使用的环境温度，就可以计算出θf 。

θf ＝T j －T aP d－θj-c 。

如果TA7240AP 工作于V CC ＝13.2V ，R L ＝4Ω/BTL ，Ta ＝75℃条件下，此时散热器的热阻为θf ＝150℃－75℃10W－3℃/W ＝4.5℃/W 。

图4 P dmax －V cc3）确定散热器的尺寸步骤2已经求出了散热器的热阻，可参照图5确定θf＝4.5℃/W 时约需130cm 2×2mm 的铝板（图中红点所示）。