JP2003133488A - 半導体装置の実装構造および実装方法 - Google Patents

半導体装置の実装構造および実装方法

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JP2003133488A
JP2003133488A JP2001328334A JP2001328334A JP2003133488A JP 2003133488 A JP2003133488 A JP 2003133488A JP 2001328334 A JP2001328334 A JP 2001328334A JP 2001328334 A JP2001328334 A JP 2001328334A JP 2003133488 A JP2003133488 A JP 2003133488A
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metal piece
semiconductor device
substrate
joining means
mounting structure
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Satoshi Ikeda
敏 池田
Kazuhiro Nobori
一博 登
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ワイヤを用いず半導体装置を基板に最短距離
で実装する技術において、従来の実装構造では、基板の
導体パターンにおける電力損失が増大し、電力変換効率
が低下する。 【解決手段】 半導体装置1の面上に第1の金属片5が
第1の接合手段4を用いて接合され、半導体装置1の他
の面上に第2の金属片3が接合され、第1の金属片5は
基板8に向かって伸びる伸長部6を有しており、第2の
金属片3と伸長部6は基板8上の端子電極部に第2の接
合手段7により接合され、第1の金属片5は、導電性を
有するリードフレーム11に第3の接合手段9により接
合され、リードフレーム11は外部接続可能となってい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、IGBTやMOS
FETなど、電子機器に用いられる大電流用半導体装置
(例えば、1W以上の電力を消費する可能性があり、放
熱に配慮して実装される半導体装置)とその実装方法、
実装構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、大電流用半導体装置と外部電気回
路との電気的接続にはAl細線を用いたワイヤボンディ
ングがよく利用されてきたが、近年、こうした大電流用
半導体装置を使用した、例えばDC−DCコンバータや
モータ駆動用インバータといった電力変換機器は、小型
化ならびに内部回路構成の多様化により、実装に使用で
きる空間が次第に狭くなり、従来のワイヤボンディング
技術で対処することが困難になってきた。
【0003】そこで、最近では半導体装置の電極パッド
上に半田ボールや金属片を接合して直接基板上の端子電
極部との電気的接続点として用い、半導体装置と基板と
の接続を最短距離で行う方法が開発されてきた。
【0004】なかでも、金属片を超音波振動エネルギー
を用いて半導体装置の電極パッド部に接合し、基板との
電気的接続点として用いる技術は、半田を用いる方法に
比べ半導体に特殊な処理を施す必要も無く、さらに半田
使用量を削減できるため環境にも配慮した技術として優
れたものである(特願2000−202193号)。
【0005】以下、図面を参照しながら、上述した従来
の半導体装置の実装方法の一例について説明する。
【0006】図9は、従来の半導体装置の実装方法によ
る実装体の断面図である。
【0007】図9において、1は半導体装置、3は第2
の金属片、4は第1の接合手段、5は第1の金属片、6
は第1の金属片5の伸長部、7は第2の接合手段、8は
基板である。
【0008】半導体装置1は電子機器に用いられる大電
流用半導体装置、たとえばMOSFETであり、第一主
面(図9では上面)にソース電極とゲート電極を、第二
主面(図9では下面)にドレイン電極を有する。
【0009】まず、第1の金属片5を半導体装置1に取
り付ける前に、第1の金属片5を半導体装置1に合わせ
て、一例として、伸長部6を有した大略L字状に成形す
る。
【0010】次に、所定の寸法に切断された半導体装置
1のドレイン電極側を、第1の金属片5の屈曲側(すな
わち図9における半導体装置1の下面側)に第1の接合
手段4を介在させて電気的に接続しつつ一体化する。第
1の接合手段4としては、通常融点280℃〜350℃
の高融点半田が用いられる。
【0011】半導体装置1と第1の金属片5の一体化の
後、半導体装置1のソース電極、ゲート電極上に第2の
金属片3を超音波振動エネルギーを用いて接合する。接
合には、機械的にはバンプボンダー(バンプ形成機)を
用いる。
【0012】上記半導体装置1と第1の金属片5と第2
の金属片3とからなる実装体を、基板8に実装するに当
たっては、第2の金属片3と、第1の金属片5の伸長部
6が同時に、例えば第2の接合手段7を用いた半田リフ
ローにより、図9に示すように基板8上の所定の端子電
極部にそれぞれ接合される。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら金属片を
半導体装置に接合して基板との電気的接続点として用
い、一般に断面積の小さい基板上の導体パターンを介し
て外部回路との電力授受を行う構造においては、導体パ
ターンにおける電力損失が増大し、電力変換効率が低下
する、あるいは電力損失により導体パターンに熱が生
じ、最悪の場合断線や発火に至るなどといった課題を有
していた。
【0014】本発明は上記の課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とする所は、半導体装置と基板とを最
短距離で電気的な接続を行い、かつ、放熱性に優れ、あ
るいは電力損失が少ない、半導体装置の実装方法を提供
するものである。
【0015】
【課題を解決するための手投】上記の目的を達成するた
めに、第1の本発明(請求項1に対応)は、半導体装置
を基板に実装する実装構造において、前記半導体装置の
第1主面上に第1の金属片が第1の接合手段を用いて接
合され、前記半導体装置の第2主面上に第2の金属片が
第2の接合手段により接合され、前記第1の金属片は前
記基板に向かって伸びる伸長部を有しており、前記第2
の金属片ならびに前記伸長部は前記基板上の所定の端子
電極部に第3の接合手段により接合され、前記第1の金
属片は、伝熱性を有するリードフレームに第4の接合手
段により接合されている実装構造である。
【0016】第2の本発明(請求項2に対応)は、半導
体装置を基板に実装する実装構造において、前記半導体
装置の第1主面上に第1の金属片が第1の接合手段を用
いて接合され、前記半導体装置の第2主面上に第2の金
属片が第2の接合手段により接合され、前記第1の金属
片は前記基板に向かって伸びる伸長部を有しており、前
記第2の金属片ならびに前記伸長部は前記基板上の所定
の端子電極部に第3の接合手段により接合され、前記第
1の金属片は、導電性を有するリードフレームに第4の
接合手段により接合され、前記リードフレームは外部接
続可能となっている実装構造である。
【0017】第3の本発明(請求項3に対応)は、半導
体装置を基板に実装する実装構造において、前記半導体
装置の第1主面上に第1の金属片が第1の接合手段を用
いて接合され、前記半導体装置の第2主面上に第2の金
属片が第2の接合手段により接合され、前記第1の金属
片は前記基板に向かって伸びる伸長部を有しており、前
記第2の金属片ならびに前記伸長部は前記基板上の所定
の端子電極部に第3の接合手段により接合され、前記第
1の金属片は、導電性を有するリードフレームに第4の
接合手段により接合され、前記リードフレームは、前記
基板の前記端子電極部に電気的に直接又は間接的に接続
されている実装構造である。
【0018】第4の本発明(請求項4に対応)は、前記
第2の接合手段は前記半導体装置と前記第2の金属片と
の接触面に超音波振動エネルギーを与えて合金形成する
ことにより接合を行う接合手段である第1又は2の本発
明の実装構造である。
【0019】第5の本発明(請求項5に対応)は、前記
第1の接合手段および第3の接合手段および第4の接合
手段は導電性の金属ペーストを用いて接合を行う接合手
段である第1又は2の本発明の実装構造である。
【0020】第6の本発明(請求項6に対応)は、前記
第1の接合手段の融点温度をT1、前記第3の接合手段
の融点温度をT3、前記第4の接合手段の融点温度をT
4とすると、次式が成り立つ第5の本発明の実装構造で
ある。
【0021】
【数1】T3<T1, T4<T1 第7の本発明(請求項7に対応)は、前記第3の接合手
段の融点温度をT3、前記第4の接合手段の融点温度を
T4とすると、次式が成り立つ第5の本発明の実装構造
である。
【0022】
【数2】T3=T4 第8の本発明(請求項8に対応)は、前記基板上には前
記第1の金属片と実質上同じ高さに成形されたスペーサ
が実装される第1又は2の本発明の実装構造である。
【0023】第9の本発明(請求項9に対応)は、前記
スペーサは導体で構成され、前記基板と前記リードフレ
ームとの間の電力授受に関わる電流経路として働く第8
の本発明の実装構造である。
【0024】第10の本発明(請求項10に対応)は、
前記伸長部は前記基板に3点以上の接点で接合され、前
記半導体装置の前記基板に対する平行性を保持可能であ
る第1又は2の本発明の実装構造である。
【0025】第11の本発明(請求項11に対応)は、
前記基板は可撓性を有する材質で構成されている第1又
は2の本発明の半導体装置の実装構造である。
【0026】第12の本発明(請求項12に対応)は、
半導体装置の第1主面上に第1の金属片を接合する工程
と、前記半導体装置の第2主面上に第2の金属片を接合
する工程と、前記半導体装置を前記第2の金属片と前記
第1の金属片の前記伸長部とを介して前記基板に接合す
る工程と、前記半導体装置実装後の前記基板を前記第1
の金属片を介してリードフレームに接合する工程とを備
えた半導体装置の実装方法である。
【0027】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照しながら説明する。なお、共通する要素
については共通の記号を用いる。
【0028】(第1の実施の形態)図1は本発明の第1
の実施の形態における半導体装置の実装方法により半導
体装置を基板上に実装した状態の断面図であり、図2は
本発明の第1の実施の形態における半導体装置の実装方
法の手順を示す断面図である。
【0029】図1〜図2において、半導体装置1は電子
機器に用いられる大電流用半導体装置、たとえばMOS
FETであり、第一主面(図1では上面)にソース電極
とゲート電極を、第二主面(図1では下面)にドレイン
電極を有する。3は第2の金属片であり、4は第1の接
続手段である。5は第1の金属片であり、6は第1の金
属片5の伸長部である。7は第2の接合手段であり、8
は基板であり、9は第3の接合手段である。10はリー
ドフレームであり、11はリードフレーム固定用樹脂で
ある。
【0030】以上のように構成された半導体装置の実装
方法について、以下図面を用いて説明するとともに、こ
れにより、本発明の半導体装置の実装構造、半導体装置
の実装方法の一実施の形態についても説明を行う。
【0031】まず、半導体装置1を、Cuからなり伸長
部6を有する第1の金属片5に対し第1の接合手段4を
用いて接合する。第1の接合手段としては、通常融点2
80℃〜350℃の高融点半田が用いられ、機械的には
一般にダイボンダーと呼ばれる半田付け設備を用いて行
う。
【0032】その後、第2の金属片3として、例えばA
uからなる球形の金属片を、機械的にはバンプボンダー
(バンプ形成機)を用いて超音波振動エネルギーを加
え、半導体装置1の第1の金属片5に接続したのとは反
対側の面に配置し、第2の金属片3と半導体装置1とを
接合する。
【0033】その後、半導体装置1と第2の金属片3と
第1の金属片5とからなる実装体を、第2の接合手段7
として融点200℃〜250℃の半田を塗布した基板8
の端子電極部に位置合せを行い、半田リフロー炉を通す
などの加熱処理を施して基板8上に半田付けし、一体化
する。
【0034】その後、半導体装置1と第2の金属片3と
第1の金属片5と接続ピン2と基板8からなる実装体
を、第3の接合手段9として融点160℃〜200℃の
半田を所定の接合個所に塗布したCu板からなるリード
フレーム10に載置し、半田リフロー炉を通すなどの加
熱処理を施してリードフレーム10上に半田付けし、一
体化する。
【0035】上記のように第1の接合手段の融点温度を
T1、第3の接合手段の融点温度をT3、第1の接合手
段の融点温度をT4としたとき、T1>T3>T4が成
り立つようにすれば、半田リフロー工程において前に接
合を完了した半田が再溶融する事を避けられ、信頼性の
高い接続を行うことが可能になる。
【0036】上記第1の実施の形態によれば、リードフ
レーム10は伝熱性に優れるので、半導体装置1を基板
8に最短距離で接続することが可能な上に、電流経路に
おける発熱による効率低下を抑制することが可能とな
り、信頼性の高い接続が実現可能となる。
【0037】本実施の形態の方法をとることにより、半
導体装置と基板の距離を均一に保持しながら半導体装置
をリードフレーム上に一括して実装できるため、信頼性
の高い製品を容易に製造することができる。また、従来
のワイヤボンディングを用いた実装方法のように大規模
で精密な設備を用いる必要が無く、一般的な部品配置設
備と半田リフロー設備を利用可能なため、設備の簡素化
と製造工程の短縮が可能になり、量産コストの削減が可
能になる。
【0038】(第2の実施の形態)図3は本発明の第2
の実施の形態における半導体装置の実装構造の説明図で
あり、半導体装置を基板およびリードフレームと一体化
した状態の断面図である。本実施の形態においてはリー
ドフレーム10を意図的にリードフレーム固定用樹脂1
1の外縁から一部を取り出す形状として、外部回路との
電力授受に関わる電流経路として活用する。
【0039】上記第2の実施の形態によれば、外部回路
との電力授受においても電流経路における電力損失を抑
えることが可能となる。また外部回路との電流経路を形
成するに当たってコネクタなどの高価な機構部品を用い
る必要がなく、機構部品とリードフレームとの接合も省
略できるため、材料コストならびに製造コストの削減が
可能になり、量産コストの削減が可能となる。
【0040】(第3の実施の形態)図4は本発明の第3
の実施の形態における半導体装置の実装構造を示す断面
図である。本実施の形態においては、図1の構成に加
え、基板8とリードフレーム10との間に第1の金属片
5とほぼ同じ高さのスペーサ12を備えた構成になって
いる。
【0041】本実施の形態をとることにより、スペーサ
12が基板とリードフレームとの間隔の規定と応力の吸
収に関わるため、半導体装置1および各部品間の接合部
に生ずる応力が軽減され、信頼性を向上させることが可
能となる。また組立ての工程においても、スペーサ12
が基板の支持を助けるため、位置ずれや接続不良の発生
を抑えられ、製造歩留りの向上と信頼性の向上が可能と
なる。
【0042】(第4の実施の形態)図5は本発明の第4
の実施の形態における半導体装置の実装方法の工程のう
ち金属片の接合工程を示す断面図である。本実施の形態
においては、図4のスペーサ12に代わるものとして、
導体、ここではCuからなる導体スペーサ12aを用い
る。Cuのように半田付けの可能な材質とすると、図5
のように半導体装置1を実装した第1の金属片5などの
部品と同様に基板8上の導体パターンとリードフレーム
10に半田付け実装することが可能となり、導体スペー
サ12aを基板8とリードフレーム10との電力授受に
関わる電流経路として活用できる。なお、ここで、半田
は、本発明の導電性ペーストの一例である。
【0043】従って、伸張部6の接続先の電極と、導体
スペーサ12aの接続先の電極が電気的に接続されるこ
とによって、電力授受に関わる電流経路が大きくなり、
電力損失を小さくすることが出来る。
【0044】またAlなど、半田付けの不可能な導体材
料を用いる場合でも、半田付け可能な材料でめっきを施
して半田付けしたり、溶接するなどの接続手段をとるこ
とにより同様の効果が実現できる。
【0045】本実施の形態をとることにより、上記第3
の実施の形態で説明した効果に加え、複雑な回路を簡素
な構造で実現することが可能となる。また高価なコネク
タ部品を用いる必要がないため、製造コストの削減が可
能になる。
【0046】(第5の実施の形態)図6は本発明の第5
の実施の形態における半導体装置の実装構造に関わる部
品である改良型金属片の外観図、図7は本実施の形態に
おける半導体装置の実装構造を示す断面図である。本実
施の形態においては、図1の第1の金属片5に代わるも
のとして、基板8に接する接点として4点の接点を改良
型伸長部6aに設けた改良型金属片5aを用いる。
【0047】本実施の形態をとることにより、基板8に
対する半導体装置1の位置ならびに平行度を、改良型金
属片5aにより、理想的に設定することが可能になり、
精度良く実装できることから、信頼性が向上する。
【0048】また、複数の半導体装置を実装する場合に
おいても、半導体相互間の位置ならびに平行度のばらつ
きを抑えることが可能になり、強度面ならびに特性面で
のばらつきが抑えられることから、信頼性が向上する。
【0049】つまり、図1の実施の形態1では、第2の
金属片3であるボールの高さと伸張部6の高さとによっ
て、平行度が決まったが、図6の本実施の形態では、改
良型伸長部6a、6bの双方によって平行度が決まるの
で、本実施の形態の方が、並行度が高いといえる。
【0050】なお、本実施の形態では改良型金属片5a
の改良型伸長部6aに設けられた接点数を4としたが、
要するに接点数が3以上の任意の数であってその高さに
よって改良型金属片の基板8に対する位置が保持される
性質のものであれば、力が分散され、均衡化されるの
で、任意のものでよい。
【0051】(第6の実施の形態)図8は本発明の第6
の実施の形態における半導体装置の実装構造を示す断面
図である。本実施の形態においては、図1の基板8に代
わるものとして、可撓性を有する材質であるポリイミド
系フィルムに導体パターンを形成した一般にフレキ基板
と呼ばれる可撓性基板8aを用いる。
【0052】本実施の形態をとることにより、温度変化
に対する各部品の線膨張率の違いに起因する応力をフレ
キ基板8aの可撓性を利用して吸収することが可能にな
り、信頼性が向上する。
【0053】なお、本実施の形態では、可撓性基板8a
を実現するにあたって、可撓性を有する材質としてポリ
イミド系フィルムを用いたが、要するに表面あるいは内
部に導体パターンを形成でき、可撓性を有する材質であ
れば何を用いて実現してもよい。
【0054】なお、本発明において第2の金属片3をA
uよりなるものとしたが、その材質はAuに限られるも
のでなく、たとえば、Cuなどの他の金属によって形成
してもよい。
【0055】また、本発明において第1の金属片の伸長
部を第1の金属片の一部を折り曲げなどにより変形加工
したもののように記述したが、前記伸長部の形成方法は
これに限定されるものではなく、例えば平板状である第
1の金属片に前記伸長部に相当する高さの金属柱などを
接合したものであってもよい。
【0056】要するに、本発明の実装構造は、第2の金
属片を介して基板に接合された半導体装置に接合された
第1の金属片がリードフレームに接合されておればよ
く、リードフレームを半導体装置の位置保持と半導体装
置同士あるいは半導体装置と外部回路の電流経路として
活用することにより、上記各実施の形態と同様の効果が
得られる。
【0057】なお、本明細書において、半田は本発明の
導電性金属ペーストの一例である。
【0058】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、半導体装置を基板に最短距離で接続することが可能
な上に、電流経路における発熱や、電力損失の増大によ
る効率低下を未然に防ぐことが可能となり、動作特性に
優れ、かつ信頼性の高い電気回路が実現できるため、極
めて実用上価値は高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態にかかる半導体装置
の実装構造を示す断面図
【図2】本発明の第1の実施の形態にかかる半導体装置
の実装方法の手順を示す断面図
【図3】本発明の第2の実施の形態にかかる半導体装置
の実装構造を示す断面図
【図4】本発明の第3の実施の形態における半導体装置
の実装構造を示す断面図
【図5】本発明の第4の実施の形態にかかる半導体装置
の実装構造を示す断面図
【図6】本発明の第5の実施の形態にかかる半導体装置
の実装構造に関わる部品である改良型金属片の構造を示
す外観図
【図7】本発明の第5の実施の形態にかかる半導体装置
の実装構造を示す断面図
【図8】本発明の第6の実施の形態にかかる半導体装置
の実装構造を示す断面図
【図9】従来の半導体装置の実装構造を示す断面図
【符号の説明】
1 半導体装置 3 第2の金属片 4 第1の接合手段 5 第1の金属片 5a 改良型金属片 6 伸長部 6a 改良型伸長部 7 第2の接合手段 8 基板 8a 可撓性基板 9 第3の接合手段 10 リードフレーム 11 リードフレーム固定用樹脂 12 スペーサ 12a 導体スペーサ
フロントページの続き Fターム(参考) 5F036 AA01 BA04 BA23 BB16 BC06 5F044 KK02 KK03 LL04 LL13 LL17 QQ07 RR06

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体装置を基板に実装する実装構造に
    おいて、 前記半導体装置の第1主面上に第1の金属片が第1の接
    合手段を用いて接合され、 前記半導体装置の第2主面上に第2の金属片が第2の接
    合手段により接合され、 前記第1の金属片は前記基板に向かって伸びる伸長部を
    有しており、 前記第2の金属片ならびに前記伸長部は前記基板上の所
    定の端子電極部に第3の接合手段により接合され、 前記第1の金属片は、伝熱性を有するリードフレームに
    第4の接合手段により接合されている実装構造。
  2. 【請求項2】 半導体装置を基板に実装する実装構造に
    おいて、 前記半導体装置の第1主面上に第1の金属片が第1の接
    合手段を用いて接合され、 前記半導体装置の第2主面上に第2の金属片が第2の接
    合手段により接合され、 前記第1の金属片は前記基板に向かって伸びる伸長部を
    有しており、 前記第2の金属片ならびに前記伸長部は前記基板上の所
    定の端子電極部に第3の接合手段により接合され、 前記第1の金属片は、導電性を有するリードフレームに
    第4の接合手段により接合され、前記リードフレームは
    外部接続可能となっている実装構造。
  3. 【請求項3】 半導体装置を基板に実装する実装構造に
    おいて、 前記半導体装置の第1主面上に第1の金属片が第1の接
    合手段を用いて接合され、 前記半導体装置の第2主面上に第2の金属片が第2の接
    合手段により接合され、 前記第1の金属片は前記基板に向かって伸びる伸長部を
    有しており、 前記第2の金属片ならびに前記伸長部は前記基板上の所
    定の端子電極部に第3の接合手段により接合され、 前記第1の金属片は、導電性を有するリードフレームに
    第4の接合手段により接合され、前記リードフレーム
    は、前記基板の前記端子電極部に電気的に直接又は間接
    的に接続されている実装構造。
  4. 【請求項4】 前記第2の接合手段は前記半導体装置と
    前記第2の金属片との接触面に超音波振動エネルギーを
    与えて合金形成することにより接合を行う接合手段であ
    る請求項1又は2に記載の実装構造。
  5. 【請求項5】 前記第1の接合手段および第3の接合手
    段および第4の接合手段は導電性の金属ペーストを用い
    て接合を行う接合手段である請求項1又は2に記載の実
    装構造。
  6. 【請求項6】 前記第1の接合手段の融点温度をT1、
    前記第3の接合手段の融点温度をT3、前記第4の接合
    手段の融点温度をT4とすると、次式が成り立つ請求項
    5に記載の実装構造。 【数1】T3<T1, T4<T1
  7. 【請求項7】 前記第3の接合手段の融点温度をT3、
    前記第4の接合手段の融点温度をT4とすると、次式が
    成り立つ請求項5に記載の実装構造。 【数2】T3=T4
  8. 【請求項8】 前記基板上には前記第1の金属片と実質
    上同じ高さに成形されたスペーサが実装される請求項1
    又は2に記載の実装構造。
  9. 【請求項9】 前記スペーサは導体で構成され、前記基
    板と前記リードフレームとの間の電力授受に関わる電流
    経路として働く請求項8に記載の実装構造。
  10. 【請求項10】 前記伸長部は前記基板に3点以上の接
    点で接合され、前記半導体装置の前記基板に対する平行
    性を保持可能である請求項1又は2に記載の実装構造。
  11. 【請求項11】 前記基板は可撓性を有する材質で構成
    されている請求項1又は2に記載の半導体装置の実装構
    造。
  12. 【請求項12】 半導体装置の第1主面上に第1の金属
    片を接合する工程と、前記半導体装置の第2主面上に第
    2の金属片を接合する工程と、前記半導体装置を前記第
    2の金属片と前記第1の金属片の前記伸長部とを介して
    前記基板に接合する工程と、前記半導体装置実装後の前
    記基板を前記第1の金属片を介してリードフレームに接
    合する工程とを備えた半導体装置の実装方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004228403A (ja) * 2003-01-24 2004-08-12 Fuji Electric Holdings Co Ltd 半導体モジュールおよびその製造方法並びにスイッチング電源装置
JP2010165764A (ja) * 2009-01-14 2010-07-29 Fuji Electric Systems Co Ltd 半導体装置およびその製造方法

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