JPH10146047A - Dc−dcコンバータ装置 - Google Patents
Dc−dcコンバータ装置Info
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- JPH10146047A JPH10146047A JP30059996A JP30059996A JPH10146047A JP H10146047 A JPH10146047 A JP H10146047A JP 30059996 A JP30059996 A JP 30059996A JP 30059996 A JP30059996 A JP 30059996A JP H10146047 A JPH10146047 A JP H10146047A
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Abstract
装置を提供する。 【解決手段】 DC−DCコンバータ装置の第2のスイ
ッチング手段2は、内蔵ダイオード2Aと該内蔵ダイオ
ード2Aに並列に接続されるショットキーバリアダイオ
ード24とを備えたMOSFETであり、該第2のスイ
ッチング手段2と同期制御される第1のスイッチング手
段1とを一体化した半導体装置Aを配線基板5上に実装
しする。
Description
ータ装置に関し、特に、同期整流方式のDC−DCコン
バータ装置に関する。
る同期整流型のDC−DCコンバータは、図7に示すよ
うに、直流入力電源をスイッチングする第1のスイッチ
ング手段1と、第1のスイッチング手段1に接続され第
1のスイッチング手段1に同期してスイッチングする第
2のスイッチング手段2と、両スイッチング手段1、2
と接続されたリアクタ3及びコンデンサー4とをから構
成される。
時、第2のスイッチング手段2をOFF状態として、両
スイッチング手段の同期期間を調整し、直流入力電源を
リアクタ3及びコンデンサー4により平滑化することに
より、負荷に所定の直流出力電源を供給する。上記のD
C−DCコンバータは電圧降下が小さく高効率化に大き
く寄与することからスイッチング電源に広く用いられつ
つある。
素は、図示しないが、ガラスエポキシ、セラミックス、
金属等をベースにした配線基板上に実装され、上記第1
のスイッチング手段1はトタンジスタ或いはパワーMO
SFET、第2のスイッチング手段2はパワーMOSF
ETが用いられる。一般的な縦型パワーMOSFET素
子は、図8に示すように、N+/N−基板のN−層11
の表面にP型のベース領域12を多数形成し、ベース領
域12の表面にN+型のソース領域13を形成し、ベー
ス領域12のチャンネル部分の上にゲート電極14を配
置し、ベース領域12とソース領域13の両方にオーミ
ックコンタクトするソース電極15を形成した構造を持
つものである。
チング手段に、例えば、NchMOSFETを用いた場
合、以下の様な問題が確認された。第1のスイッチング
手段1がOFFの時、第2のスイッチング手段2のNc
hFETがONし、電流経路に接続されるリアクタ3の
回生電流は、コンデンサー4、MOSFET素子2(内
蔵ダイオード2A)、リアクタ3というループで流れ、
MOSFET素子2内部に形成された上記内蔵ダイオー
ド2Aにキャリア(電子)が蓄積される。
によって、第2のスイッチング手段2がOFFされ、第
1のスイッチング手段1がONされたとき、キャリアが
完全に放出される時間、即ち、逆回復時間中、直流入力
電源の一部が内蔵ダイオード2Aを介して流れることに
なり、負荷へ供給される電源効率が低下する。また、上
記直流入力電源の一部がOFF状態の第2のスイッチン
グ手段(NchMOSFET)の内蔵ダイオード2Aに
流れると新たなキャリアが蓄積され、このキャリアによ
る逆回復時間の間は、NchMOSFET2のゲートに
ON信号が印加されても、MOSFET素子2がON動
作しない。この逆回復時間は、N−型層11に蓄積され
たキャリア(電子)が内蔵ダイオード2Aを介して完全
に放出され内蔵ダイオード2AのPN接合が回復するま
での時間であり、ベース領域とN−型層とのPN接合が
不可避的にできるパワーMOSFETの寄生ダイオード
によって形成される。
ータ装置の電源効率の低下及び回路全体のスイッチング
タイムを向上することができないという結果になる。上
述した不具合を解決するために、図9に示すように、内
蔵ダイオード2Aと並列にショットキーバリアダイオー
ド(SBD)20を接続し、SBD20の順方向電圧V
FがPNダイオードより低いことを利用して、NchM
OSFETのドレイン電位を速やかにソース電位に落と
すことにより、回路全体のスイッチング速度を向上させ
てDC−DCコンバータの高効率化を向上させている。
回路を各々個別素子で構成するには、部品点数が増大し
電子機器の小型化に障害となる。そこでFETチップと
SBDチップとを1パッケージに収納することも検討し
たが、別個のウェハーで製造するために各々の良品数な
どの問題があり、また組立工程も煩雑になる問題点があ
った。
SBDとをディスクリート部品を用いて構成した場合、
両部品を基板上に実装し、両者を接続する導体パターン
が基板上に形成されるために、この導体パターンがノイ
ズ発生源となり周辺回路に悪影響を及ぼす問題点が及び
部品実装面積が大きくなり、配線基板の小型化に影響を
及ぼし、ひいてはDC−DCコンバータ装置或いはスイ
ッチング電源装置の小型化に影響を及ぼし、ハンディ・
カムコーダ、ディジタルカメラ、ラップトップ型PC等
の電子部品が小型化高密度されるセット製品の小型化に
まで影響を及ぼす。
てなされたもので、DC−DCコンバータを構成する部
品が実装される配線基板を小型化にし、セット製品の小
型化に寄与でき、且つ高効率化したDC−DCコンバー
タ装置を提供することを目的とする。
するため、以下の構成を採用した。即ち、本発明のDC
−DCコンバータ装置は、少なくとも直流入力電源をO
N/OFFする第1のスイッチング手段と、前記第1の
スイッチング手段に同期しOFF/0Nする第2のスイ
ッチング手段と、前記第1及び第2のスイッチング手段
を同期制御する同期制御手段と、前記第1、第2のスイ
ッチング手段に接続され前記直流入力電源を平滑するリ
アクタ及び前記リアクタに一端が接続されたコンデンサ
ーとが配線基板上に実装され前記直流入力電源を所定の
直流出力電源に変換するDC−DCコンバータ装置にお
いて、前記第2のスイッチング手段は、内蔵ダイオード
と該内蔵ダイオードに並列に接続されるショットキーバ
リアダイオードとを備えたMOSFETであり、該第2
のスイッチング手段と同期制御される前記第1のスイッ
チング手段及び前記同期制御手段とを一体化した半導体
装置を前記配線基板上に実装したことを特徴としてい
る。
トランジスタ又はパワーMOSFETからなる半導体素
子であり、前記第1のスイッチング手段と前記第2のス
イッチング手段は、同一の金属板上に、前記同期制御手
段は他の金属板上に実装され一体化されたことを特徴と
している。また、前記第1のスイッチング手段は、トラ
ンジスタ又はパワーMOSFETからなり、前記第1の
スイッチング手段、前記第2のスイッチング手段及び前
記同期制御手段は、同一の半導体素子内に形成し一体化
されることを特徴としている。
置の第2のスイッチング手段は、内蔵ダイオードと該内
蔵ダイオードに並列に接続されるショットキバリアダイ
オードとを備えたMOSFETであり、該第2のスイッ
チング手段と同期制御される第1のスイッチング手段及
び両スイッチング手段を同期制御する同期制御手段とを
一体化することにより、第2のスイッチング手段のMO
SFET内部に形成しSBDを形成しているので蓄積キ
ャリアを瞬時に引き抜いて完全遮断化を促進し、第2の
スイッチング手段のMOSFETの内蔵ダイオードに順
方向電流が流れた時であってもMOSFETのスイッチ
ングを高速にすることができ、DC−DCコンバータ回
路の更なる高効率化が可能となると共に、DC−DCコ
ンバータの構成要素である両スイッチング手段のサイズ
を高機能化して縮小することができ、DC−DCコンバ
ータ装置の用いられる配線基板の小型化に寄与すること
ができる。
バータ装置を図面を参照して詳細に説明する。図1は、
本発明のDC−DCコンバータ装置の等価回路図であ
る。等価回路は、図7に示した従来のDC−DCコンバ
ータ装置と同様に、直流入力電源をスイッチングする第
1のスイッチング手段1と、第1のスイッチング手段1
に接続され第1のスイッチング手段1に同期してスイッ
チングする第2のスイッチング手段2と、両スイッチン
グ手段1、2を同期制御する同期制御手段CSと、両ス
イッチング手段1、2と接続されたリアクタ3及びコン
デンサー4とをから構成され、少なくともそれらの構成
要素が配線基板上に実装接続される。
タ、MOSFET等の半導体素子が用いられ、入力端子
に入力される所定周期のパルスでスイッチングされ、第
1のスイッチング手段に流れる直流入力電源をON/O
FFする。第2のスイッチング手段2は、パワーMOS
FETが用いられ、第1のスイッチング手段1と同期し
た所定周期のパルスが入力端子に入力されOFF/ON
される。この動作を繰り返し行い直流入力電源をリアク
タ3及びコンデンサー4により平滑化することにより、
負荷に所定の直流出力電源を供給する。
1及び第2のスイッチング手段1、2を所定のタイミン
グで同期制御し、両スイッチング手段1、2をON/O
FFさせる。同期制御回路CSは、例えば、図6に示す
ように、基準電圧発生回路、発振器、フリップフロッ
プ、保護回路、エラーアンプ、ドライバーを有し、第1
及び第2のスイッチング手段1、2に所定の信号を供給
し、両スイッチング手段1、2を同期制御し、負荷に所
定の出力電源を供給する。
のスイッチング手段1、第2のスイッチング手段2、同
期制御手段CS、リアクタ3及びコンデンサー4は、ガ
ラスエポキシ基板、ポリイミド基板、フェノール基板、
セラミックス基板、絶縁処理された金属基板等の配線基
板上に銅箔等により形成された回路パターンに実装接続
される。
グ手段1と同期してスイッチングする第2のスイッチン
グ手段2にある。本発明の第1の特徴である第2のスイ
ッチング手段2は、例えば、図2に示すように、N+型
基板の上にN−型エピタキシャル層を形成したもの、あ
るいはN−型基板にN+型層を拡散により形成したN+
/Nー型の半導体基板21を基体とし、N−型層22の
表面にパワーMOSFET素子23とショットキーバリ
アダイオード素子24(SBD素子と称する)とを形成
したものである。パワーMOSFET素子23とショッ
トキバリアダイオード素子24とを併設することによ
り、各々所望の電流容量を持つ素子を1チップ化した半
導体素子である。
共通ドレインとし、N−型層22の表面にP+型のベー
ス領域25を複数形成し、ベース領域25の表面にN+
型のソース領域26を形成し、ソース領域26とN−型
層22とに挟まれたベース領域25のP型層をチャンネ
ル領域27とし、チャンネル領域27の上にゲート酸化
膜28を挟んでポリシリコンゲート電極29を配置し、
ゲート電極29を被覆するPSG酸化膜30に形成した
コンタクトホールを介して、バリアメタル31とアルミ
電極32とがベース領域25とソース領域26とにオー
ミックコンタクトしている。
ドとし、N−型層22の表面にP+型のガードリング領
域33を形成し、ガードリング領域33の上を端とする
酸化膜の開口を介してN−型層22の表面にバリアメタ
ル31がショットキーコンタクトし、その上にアルミ電
極32を形成している。アルミ電極32は、純粋アルミ
またはアルミニウム・シリコン合金が用いられ、MOS
FET素子23では多数のソース領域26を並列接続す
るソース電極となり、SBD素子24ではアノード電極
となる。
る半導体素子の平面図を示す。詳細には図示していない
が、ゲート電極29は格子型のパターンを有し、ベース
領域25は前記格子型パターンの網目の部分に点在する
島状のパターンを持つ。反対にゲート電極29が島状、
ベース領域25が格子型のパターンもある。前記格子型
パターンの網目の各々が単位MOSセルとなり、該MO
Sセルを形成した領域がMOSFET領域23Bであ
る。
が環状のパターンを具備し、該環状パターンの内側でバ
リアメタル31がN−型層22表面にショットキー接触
している。該ガードリング領域を含めた領域が、SBD
領域24Bである。MOSFET領域23B、SBD領
域24Bを囲むようにチップ周囲にはN+型のチャンネ
ルストッパ領域34を形成し、チャンネルストッパ領域
34はMOSFET領域23BとSBD領域24Bとの
間にも延在する。間に延在するチャンネルストッパ領域
34Bは、ベース領域25と、N−型層22と、ガード
リング領域33とで形成する寄生のPNPトランジスタ
の発生を抑制する役割を果たす。
32は、最終パッシベーション膜としてのシリコン窒化
膜(図示せず)で被覆され、該シリコン窒化膜に開口を
形成することによってボンディングパッドを形成する。
アルミ電極32は、MOSFET領域の前記MOSセル
の上部でソース電極パッド35を形成する。ポリシリコ
ンゲート電極29は、ポリシリコン材料をチップ周辺部
分まで延在させ、該延在したポリシリコン材料にアルミ
電極をコンタクトさせることでゲート電極パッド36を
形成する。ゲート電極パッド36はソース電極となるア
ルミ電極32とは電気的に独立し、ポリシリコン層とア
ルミ材料との間にはバリアメタル31は特に必要ない。
ンネルストッパ領域34Bの上方を横断してSBD領域
24Bまで延在し、延在したアルミ電極32はその上の
シリコン窒化膜の一部を開口することによってアノード
電極パッド37を形成する。チャンネルストッパ領域3
4B上を延在するアルミ電極32は、できるだけ電気抵
抗を下げるためおよび後述する熱的結合を強化するため
に、できるだけ幅広い線幅、例えば電極パッド35、3
7の幅より大きい線幅で延在している。
部に、内蔵ダイオード2Aとその内蔵ダイオード2Aと
並列に接続されるショットキバリアダイオードを形成す
ることにより、DC−DCコンバータ装置の外付部品数
を削減できる。本発明の第2の特徴は、上述した第2の
スイッチング手段2、第1のスイッチング手段1及び同
期制御手段CSとを一体化して、配線基板5上に実装す
るところにある。
図1に示すように、第1のスイッチング手段1にPNP
トタンジスタ、第2のスイッチング手段2にNchMO
SFETを用いた場合、MOSFETのドレインとPN
Pトランジスタのコレクタとが共通接続である。従っ
て、図5に示すように、第2のスイッチング手段2であ
るMOS半導体チップをダイボンドした放熱板等からな
る第1のアイランド5A上に、隣接して第1のスイッチ
ング手段1であるPNPトランジスタチップをダイボン
ドする。
素子は、第1及び第2のスイッチング手段1、2と電気
的に分離する必要があるために、第1のアイランド5A
と別の第2のアイランド5B上にダイボンディングされ
る。両アイランド5A、5B上にダイボンディングされ
た第1のスイッチング手段1、第2のスイッチング手段
2及び同期制御手段CSが形成された各々の半導体素子
は対応する外部接続リード及び半導体素子間のワイヤー
ボンディングがなされ電気的接続を行い、封止樹脂で封
止し一体化し、MOSFET23とSBD24とを内蔵
した第2のスイッチング手段2と第1のスイッチング手
段1及び同期制御手段CSとを1パッケージ化する。
でき配線基板の小型化を促進することができる。尚、P
NPトランジスタチップは、コレクタとなるP+/P−
基板のP−層側表面にN型のベース領域形成し、該ベー
ス領域の表面にP+型のエミッタ領域を形成し、アルミ
電極に各拡散領域に接続する各電極パッドを形成したも
のである。
1、2及び同期制御手段CSを一体化した半導体装置
A、リアクタ3、コンデンサー4は、図4に示すよう
に、配線基板5上に形成された回路パターン6に接続さ
れDC−DCコンバータ装置が提供される。この実施形
態では、配線基板5上に実装する第1、第2のスッチン
グ素子及び同期制御手段は樹脂モールドされているが、
それら各々の半導体チップを直接、ダイボンディングし
周辺の回路パターン等にワイヤでボンディング接続して
も良い。
電圧VFは、温度に対して−2mV/℃程度の温度特性
を持ち、高温の方が電圧VFが小さい。従って、MOS
FETとSBDとを1チップ化することにより、MOS
FET素子23のON動作時の発熱が同一チップに形成
されるSBD素子24に瞬時に伝導し、SBD素子24
が加熱されるので、図1に示したDC−DCコンバータ
回路の第1のスイッチング手段1をOFFし、第2にス
イッチング手段2をONした時、第2のスイッチング手
段2のMOSFET素子23の内蔵ダイオード、及びS
BD素子24に順方向電流が流れる。
させて第2のスイッチング手段2をOFFし、OFFか
らON動作させるときであっても、第2のスイッチング
手段2に内蔵されたSBD素子24の順方向電圧VF
は、上記したように、MOSFET素子23の発熱によ
り、更に低減化されるために、MOSFET素子23内
部の蓄積キャリアはSBD素子により瞬時に引き抜いて
完全遮断化を促進することになる。
タ装置の第2のスッチング手段2に上記のMOSFET
とSBDとを内蔵した半導体素子を用いることで、MO
SFET23のスイッチングを高速にすることができ
る。また、DC−DCコンバータ装置の第2のスイッチ
ング手段をMOSFET素子23とSBD素子24とに
1チップ化し、第1のスイッチング手段1及び同期制御
手段CSとが一体化することにより、DC−DCコンバ
ータのスイッチング手段部分の半導体装置のサイズを最
小限とすることができ、実装する配線基板を小型化にで
きる。
グ手段1及び第2のスイッチング手段2を同一アイラン
ド5A(放熱板)上に実装し、同期制御手段CSを他の
アイランド5B上に実装し、封止樹脂で一体化して単一
の半導体装置として配線基板5上に実装したが、更なる
小型化を図る場合には、パワーMOSFETとSBDと
が一体化される第2のスイッチング手段2と第1のスイ
ッチング手段1及び同期制御手段CSとを同一半導体基
板上に形成し1チップ化した半導体装置とすることで一
層の小型化が可能となる。
DCコンバータ装置によれば、DC−DCコンバータ装
置の第2のスイッチング手段は、内蔵ダイオードと該内
蔵ダイオードに並列に接続されるショットキバリアダイ
オードとを備えたMOSFETであり、該第2のスイッ
チング手段と同期制御される第1のスイッチング手段及
び両スイッチング手段を同期制御する同期制御手段とを
一体化することにより、第2のスイッチング手段のMO
SFET内部に形成しSBDを形成しているので蓄積キ
ャリアを瞬時に引き抜いて完全遮断化を促進し、第2の
スイッチング手段のMOSFETの内蔵ダイオードに順
方向電流が流れた時であってもMOSFETのスイッチ
ングを高速にすることができ、DC−DCコンバータ回
路の更なる高効率化が可能となると共に、DC−DCコ
ンバータの構成要素である両スイッチング手段のサイズ
を高機能化して縮小することができ、DC−DCコンバ
ータ装置の用いられる配線基板の小型化に寄与すること
ができる。その結果、DC−DCコンバータ装置自体の
小型化が可能となり、DC−DCコンバータ装置を必要
とするセット製品の更なる高密度小型化が実現できる。
図。
る半導体素子の断面図。
る半導体素子の平面図。
の実装図。
体化した図。
半導体素子の断面図。
Claims (3)
- 【請求項1】 少なくとも直流入力電源をON/OFF
する第1のスイッチング手段と、前記第1のスイッチン
グ手段に同期しOFF/0Nする第2のスイッチング手
段と、前記第1及び第2のスイッチング手段を同期制御
する同期制御手段と、前記第1、第2のスイッチング手
段に接続され前記直流入力電源を平滑するリアクタ及び
前記リアクタに一端が接続されたコンデンサーとが配線
基板上に実装され前記直流入力電源を所定の直流出力電
源に変換するDC−DCコンバータ装置において、前記
第2のスイッチング手段は、内蔵ダイオードと該内蔵ダ
イオードに並列に接続されるショットキーバリアダイオ
ードとを備えたMOSFETであり、該第2のスイッチ
ング手段と同期制御される前記第1のスイッチング手段
及び前記同期制御手段とを一体化した半導体装置を前記
配線基板上に実装したことを特徴とするDC−DCコン
バータ装置。 - 【請求項2】 前記第1のスイッチング手段は、トラン
ジスタ又はパワーMOSFETからなる半導体素子であ
り、前記第1のスイッチング手段と前記第2のスイッチ
ング手段は、同一の金属板上に、前記同期制御手段は他
の金属板上に実装され一体化されることを特徴とする請
求項1記載のDC−DCコンバータ装置。 - 【請求項3】 前記第1のスイッチング手段は、トラン
ジスタ又はパワーMOSFETからなり、前記第1のス
イッチング手段、前記第2のスイッチング手段及び前記
同期制御手段は、同一の半導体素子内に形成し一体化さ
れることを特徴とする請求項1記載のDC−DCコンバ
ータ装置。
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-
1996
- 1996-11-12 JP JP30059996A patent/JP3604843B2/ja not_active Expired - Fee Related
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