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中川コンサルティング事務所
Toward system integration車載用BCD on SOI
中川コンサルティング事務所
Two SOI wafer structuresTwo SOI wafer structures
(1) SOI with n+ buried layer (デンソー)
(2) Simple SOI
中川コンサルティング事務所
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Substrate bias influence on on-resistance
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60V Lateral MOSFET
Accumulation layer
Vsub
1995 IEDM
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Toward system integration
• Small warpage: Fine lithography.• CMOS process compatible.• Integration of 4bit MPU was demonstrated in 1995.
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without buried layers with buried layers
npn pnp
48mm2 114mm2
Good Bip Tr. Without buried layers
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高温動作
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High Temperature OperationHigh Temperature OperationLeakage current vs. SOI thickness
中川コンサルティング事務所
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LIGBT in thinner SOI exhibits faster switching speedLIGBT in thinner SOI exhibits faster switching speedand less temperature dependenceand less temperature dependence
中川コンサルティング事務所
SOI DiodeSOI Diode
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SOI
BU
bulkeff tSS )(11 +
+=ττ
リーク電流少なく、スイッチングスピードは速いリーク電流少なく、スイッチングスピードは速い
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Output voltage of bandgap reference circuit
200 200 ooCC operation of operation of bandgapbandgap reference circuitreference circuit
Block diagram
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250V 0.5A inverter IC
p+ p+
n-well
n+ n+
p-well
n+p+ p+
n- n
p+ n+n+p
npn-Tr p-MOS n-MOS Lateral IGBT
pn-well
Buried silicon dioxide
Trench
5μm
2μm
200200ooCC OperationOperation of thin SOI power ICsof thin SOI power ICs
中川コンサルティング事務所
Block diagram of inverter IC
High Side Driver
Low Side Driver
LevelShifterControl
Logic
PWMGenerator
MultiProtection
Vcc
Vs
Output
VM
HoleSensorSignalInput U
VW
GND
IGBT FWD
中川コンサルティング事務所
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
0 50 100 150 200 250 300
Bandgap reference circuit performance as a function of temperature
Temperature [oC]
Out
put V
olta
ge [V
]
中川コンサルティング事務所
Turn-off waveforms of lateral IGBTat 200oC
Drain Voltage : 50V/divDrain Current :200mA/div
Fall-time=0.5μsec
PWM frequency≧20kHz
Gate voltage : 5V/div
中川コンサルティング事務所
200oC Operation of 250V 0.5A inverter IC
Bootstrap capacitor voltage5V/div
U-phase output current
Hole sensor signal
U-phase low side IGBT voltage
PCIM’98 Japan
中川コンサルティング事務所
BBiiCD技術における微細化に向けた課題CD技術における微細化に向けた課題
中川 明夫
セミコンダクター社
低耐圧BCD技術低耐圧BCD技術
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中川コンサルティング事務所
DMOSDMOS・低いオン抵抗・低いオン抵抗
・破壊に強い!・破壊に強い!
・大電流素子が容易・大電流素子が容易
(ゲート配線:(ゲート配線:PolyPoly--Si Si ←←電流小さい)電流小さい)
なぜBCD技術か?なぜBCD技術か?
→→ Power IC Power IC の出力段の出力段DMOS vs. BipolarDMOS vs. Bipolar
中川コンサルティング事務所
Application AreaUp to 100V Supply voltage
Analog
LED DriversLED Drivers
AutomotiveAutomotiveMotor Control Motor Control Audio AmplifiersAudio Amplifiers
SensorSensor
Transistor ArrayTransistor Array
Power Power ManagementManagement
Laser DiodeLaser DiodeDriversDrivers
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BCDの歴史
•DMOSFET Ron Improvement
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Vertical DMOS CMOS Bip
Drain
•Smart Power Concept in early 1980’s
Smart Power 縦型DMOS + 制御回路
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Smart Power: Vertical DMOShas lost advantage.
BCDBCD:: Lateral DMOSLateral DMOS ::reasonable costreasonable costlarge currentlarge currentmultimulti--outputoutput
Vertical DMOS CMOS Bip
Drain
p+ n+p
n+
n- n+
p
n+n-epi
pn
n-epi
n
n+p-well n-well
n
n+p-wellp-well
n+ n+p+ p+ p+
S GDG S D GS DC EB Cp-MOSn-MOSLateral DMOS npn
ppn n
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BCD技術 横型DMOS + 制御回路
•Smart Power Concept•BCD Technology
0.6μm design rule
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1
10
100
10 100
Breakdown Voltage (V)
RonA
(mΩ
mm
2)
Si Limit
: LDMOS: Vertical trench MOS: Bipolar
Lateral DMOS vs. Vertical Trench MOSFET
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Up Drain vertical DMOS LDMOS
Lateral DMOS vs. Vertical DMOS
LDMOS: Rds(on) is simply reduced depending on design rule
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従来のLDMOS 問題点----Low on-state breakdown voltage
Source
Gate
Drain
n+
p+ n+ p n+
p-epitaxial
p-well n-Resurf
15nm
elec
tric
ally
conn
ecte
d
Drain Voltage [V]
Dra
in C
urre
nt D
ensi
ty
[ ×10
4A
/cm
2]
VG = 0 VVBV = 30.2 V
0 10 20 300.0
2.0
1.0
VG = 5 VVBV = 13.9 VRON = 15.7mΩmm2
VG=1 V
VG = 3 V
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Electron current density
Source Gate Drain
negative
S G D
Net charge distribution
Vg=5V
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Net positive Resurf charge Net positive Resurf charge ρρnetnetunder a drain current of under a drain current of IIDD
ρnet = ρResurf dose − ΙD / qvs
ρResurf dose : original Resurf dose q : elementary electric charge vs : electron saturation velocity
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Adaptive Adaptive ResurfResurf----- Improvement of on-state breakdown voltage
SourceGate
Drain
n+
p+ n+ p n+p-well Resurf
LOCOS
p-epi
Conventional
Improved LDMOS with Adaptive Resurf
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Adaptive Resurf conceptNet space charge distribution
S G DVg=5V
negative
positive
negative
S G D
Conventional Adaptive Resurf
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Adaptive Resurf concept
ConventionalResurf
Adaptive Resurf
Off-state (Vg = 0 V)
compensated
positive
On-state (Vg = 5 V)
positive
neutral
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Effects of Adaptive Effects of Adaptive ResurfResurf
Conventional LDMOS Improved LDMOS
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Experimental ResultsI-V characteristics of n-channel LDMOS
15V LDMOS
0
20
40
60
0 5 10 15
Drain voltage (V)
Dra
in c
urre
nt (m
A)
Vgs=5V
Vgs=4V
Vgs=3V
Vgs=2V
Vgs=1VD
rain
Cur
rent
(m
A)
Drain Voltage (V)
Vgs=1V
Vgs=2V
Vgs=3V
Vgs=4V
Vgs=5V
25V LDMOS
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I-V characteristics of 25V p-channel LDMOS
Dra
in C
urr
ent
(m
A)
Drain Voltage (V)
Vgs=-2V
Vgs=-3V
Vgs=-4V
Vgs=-5V
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Electrical Characteristics for Developed LDMOS
6000V2500VMIL
300V300VESD level EIAJ
28mΩmm2180mΩmm2Rds(on)
30V45VOn-state
Breakdown Voltage
30V70VBreakdown voltage
25V LDMOS60V LDMOS
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-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
-5.00E-04 0.00E+00 5.00E-04 1.00E-03 1.50E-03 2.00E-03Time [sec]
Dra
in C
urre
nt [A
]
-1
0
1
2
3
4
5
Gat
e V
olta
ge
(V)
IdVg
Id
Vg
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
-1.00E-05 0.00E+00 1.00E-05 2.00E-05 3.00E-05 4.00E-05
Time [sec]
Vd[V
] Vg
[V]
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
Id[A
]Id
Vg
Vd
23µsec
負荷短絡 & UIS
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Top Metal thickness:1um
1
7
13
19
25
31
37
43
49
55
S_a
S_b
S_cS_d
S_eS_f
D_aD_b
D_cD_d
D_eD_f
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Norm
aliz
ed
Vds
Debi
as
0.8-0.9
0.7-0.8
0.6-0.7
0.5-0.6
0.4-0.5
0.3-0.4
SourceConnect
DrainConnect
Bonding PAD
2Al
432um
480um1Al
DS
大電流化: 電極配線抵抗
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2nd
Sour
ce M
etal
Lay
er
2nd
Dra
in M
etal
Lay
er
2nd
Sour
ce M
etal
Lay
er
2nd
Dra
in M
etal
Lay
er
Bonding PadW
1mm
1mm
拡大図
1st Metal
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100
90
80
70
60
50
40
0 2 4 6 8 102nd aluminum layer thickness
On
resi
stan
ce o
f 1m
m x
1m
m L
DM
OS
(mΩ
mm
2 )
W=500μm
250μm
50μm
シリコン素子抵抗=40 mΩmm2
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Cu electroplating - TI
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BGA and Bump’sreduces parasitic R & L
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Pch LDMOS
Nch LDMOS
Driver Circuits
Bump ball
The chip size : 20.3mm2
Evaluation PCBChip
12V 10A chip
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5V 20A 1chip DCDC Converter
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1チップ電源に最適なパワー段が必要
5V系と20V系のパワー段を開発
5V Power CMOS 20V Lateral DMOS
N+P+ N+
LDD N- LDD N-
ch imp
P-Well
P-sub
DrainSource
Gate
N+P+ N+
LDD N- LDD N-
ch imp
P-Well
P-sub
DrainSource
Gate
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20V MOSFET 構造
2-step n-implant LDMOS(Adaptive Resurf)
1-step n-implant LDMOS
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N-ch LDMOS 特性
000.0E+0
10.0E-3
20.0E-3
30.0E-3
40.0E-3
50.0E-3
60.0E-3
70.0E-3
0 5 10 15 20 25Drain-Source Voltage (V)
Dra
in C
urre
nt I
ds (A
)(a)Nch LDMOS(1-step n-implant)
(b)Nch LDMOS(2-step n-implant)
000.0E+0
10.0E-3
20.0E-3
30.0E-3
40.0E-3
50.0E-3
60.0E-3
70.0E-3
0 5 10 15 20 25Drain-Source Voltage (V)
Dra
in C
urre
nt I
ds (A
)(a)Nch LDMOS(1-step n-implant)
(b)Nch LDMOS(2-step n-implant)
(@Vgs=5V, Channel width=157um)
Avalanche current
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大電流素子の特性
Ron :9.7mRon :9.7mΩΩ(@Vgs=5V, Ids=5A)(@Vgs=5V, Ids=5A)
Ron :Ron :19.319.3mmΩΩ(@Vgs=5V, Ids=5A)(@Vgs=5V, Ids=5A)
(effective area =3.6mm2)
(effective area =3mm2)
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5V NchMOSArea 3.61mm2
RonA 8.1mΩmm2
-5.0
-4.5
-4.0
-3.5
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
-70.0E-3 -60.0E-3 -50.0E-3 -40.0E-3 -30.0E-3 -20.0E-3 -10.0E-3 000.0E+0
Vds (V)
Ids
(A
)
Ron=12.4mΩ(Vin=-5V、Ids=-4A)
5V PchMOSArea 3mm2
RonA 30.5mΩmm2
Ron=12.4mΩ
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
000.0E+0 10.0E-3 20.0E-3 30.0E-3 40.0E-3 50.0E-3 60.0E-3
VG=3V
3.5V
4V5V
Ron=4.25mΩ
VD (V)
I D(A
)
VD (V)
I D(A
)
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PCB
Thick Cu metal in PCB reduces interconnection resistance.
Assembled imageFlip chip
Interconnection resistance can be reduced Interconnection resistance can be reduced by by Bump Technology Bump Technology
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Single driver circuit layout
Dra
in C
urre
ntConcentrated Driver Circuit
Gate Current
Parasitic metal layer resistance & capacitance
LDMOS
Parasitic Gate Resistance
LoadSignal Bus Line
Dra
in C
urre
ntD
rain
Cur
rentConcentrated
Driver Circuit
Gate Current
Parasitic metal layer resistance & capacitance
LDMOS
Parasitic Gate Resistance
LoadSignal Bus Line
Concentrated Driver Circuit
Gate Current
Parasitic metal layer resistance & capacitance
LDMOS
Parasitic Gate Resistance
LoadSignal Bus Line
Gate inter-connection
Single driver
Non-uniform switching
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Distributed driver circuit layout
(@Switching frequency=780KHz, Input Voltage=12V, Load resistance=1.2Ω)
Distributed Driver Circuit
LDMOS
Gate Current
Signal Bus Line
Signal Current
Pre-driver circuit
Load
Dra
in C
urre
nt
Distributed Driver Circuit
LDMOS
Gate Current
Signal Bus Line
Signal Current
Pre-driver circuit
Load
Distributed Driver Circuit
LDMOS
Gate Current
Signal Bus Line
Signal Current
Pre-driver circuit
Load
Dra
in C
urre
ntD
rain
Cur
rent
Gate inter-connection
SegmentedLDMOS
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Switching waveforms
V(switching node)
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Measured efficiency vs. output current
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Vin=5V Vout=1.083V fsw=980kHz
20A operation
60
65
70
75
80
85
90
95
100
0 5 10 15 20 2560
65
70
75
80
85
90
95
100
0 5 10 15 20 25
Output Current (A)
Eff
icie
ncy
(%)
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Evaluation PCB Board
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微細化するパワーICプロセス
0.1um
1.0um
1990 1995 2000 2005 2010
0.6
0.350.3um
0.18
CMOS90nm90nm
0.13
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CMOS Logic area reduction
5858%%
4040%%
2121%%
6060%%
0.8μm 0.6μm 0.35μm 0.18μm 0.13μm
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5V LDMOSSpec
ific
On-
Res
ista
nce
(mΩ
/mm
2 )
なぜ微細化なのか?
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nch-LDMOS On-Resistance
Data from ISPSD(2000 to 2007),VLSA-TSA(2008)
中川コンサルティング事務所
“Innovative lateral field plates by gate fingers on STI
regions in deep submicron CMOS” ISPSD’08A.Heringa, NXP-TSMC Research Center Leuven, Belgium
65nmCMOSプロセスを用いてマスク追加せずにLDMOSを作成する優れた手法。
ドレインのリサーフ条件を満たすためSTIを繰り返し入れることで平均の濃度を下げてリサーフ条
件を実現。今回は更にSTI上にフィールドプレートを設けることでSJと同じ原理でオン抵抗を下げ、
他社の0.18umBCDのLDMOS同等の特性を実現。今後、ファウンドリーを使うことが主流になる
中、優れた手法。
パワーICも65nmの時代へ
中川コンサルティング事務所
ISPSD’09
Jan Sonský, NXP-TSMC Research Center; Gerben Doornbos, Anco Heringa, Michiel van Duuren, NXP Semiconductors;Jesús Pérez-González, NXP-TSMC Research Center
従来型のMOSFETと同等以上の特性可能
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TSMCTSMC ファウンドリーの参入ファウンドリーの参入
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ISPSD’2000, R. Williams, Advanced Analogic Technologies, Inc.
微細LSIの課題
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3.3V
1.8V
1.8V
1.5V
1.2V
1.2V
12V
5V
3.3V
中川コンサルティング事務所
微細CMOSのCPU/SoCは消費電力大
SoCにDDコンを搭載して低速で良い回路ブロックの電源電圧を
ダイナミックに下げる。
SoC、CPU の Power Crisis
中川コンサルティング事務所
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CPU、SoCのPower Crisis
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CPUの高周波化の破綻
ISPSD’08 Plenary “Environmental Trends and Opportunities for Computer Power Delivery”Edward Stanford, Intel
中川コンサルティング事務所
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2003.9.1号
中川コンサルティング事務所
PowerWise™ AVS System
SoC
PROCESSORCORE
PLL+REFERENCE OSC
EMBEDDEDMEMORY
HOUSEKEEPINGFUNCTIONS, RTC,
WAKEUPCONTROL….
PWI MASTER
ADVANCED POWERCONTROLLER (APC)
OTHERINTEGRATEDFUNCTIONS
Other EMU
IntegratedFunctions
EMU
PWI SLAVE
SPWISPWI
SCLKSCLK
GNDGND GNDGND
PWROKPWROK
RESETNRESETN
ENABLEENABLE
VBATVBATHPM
Registers
StateControl
I/O Interface
I/O Voltage Regulator
Memory VoltageRegulator
Fixed VoltageRegulator
Core VoltageRegulator (AVS)
Other Voltage Regulators
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Voltage Slewing
MPEG4 (with IEM)
10 ms
450 µs
350 mV
300 mV
70 µs
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ISPSD’04 “A High Efficiency Ultra-Deep Sub-Micron DC-DC Converter
for Microprocessor Applications”Byron Reed, Jun Chen, Valerian Mayega, Kevin Ovens, and Sami Issa, Texas Instruments
• First pass design of the DC-DC converter was done in a baseline 90nm process.
• It is a discrete converter that uses a serial bus for communication of the voltage level to OMAPTM.
• For future 90nm and 65nm designs the SmartReflexTM DC-DC converter will be integrated with OMAPTM.
• No unique design techniques are used in the 90nm baseline process that will prevent it from being migrated to the 65nm baseline process.
Silicon
NwellNwell
Comp.Pwell
POLYPOLY
Pocket N+ Pocket N+
SILICIDE
SILICIDE
Low Voltage PMOS DE-PMOS
OXIDE
OXIDELDDLD
D P+ P+P+P+ N+N+ STI STISTISTI
NITRIDE
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DC-DC Converter Output Stage
• MP1 is an HVG (1.8V) device.
• MN2 is a LV device.
• MDEP2 and MDEN1 are drain extended HVG devices.
• PBIAS is a bias voltage referenced from VBAT.
• Advantages of this cascode structure:
Allows high voltage operation.
Has less off mode leakage.
Has smaller gate capacitance that has to be switched than if a single DE device was used.
VBAT
MP1
MDEP2
MDEN1
MN2
PBIAS
VDD_LV
L
RloadC
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Simulated Efficiency VS Load Current
• Vin = 3.6V
• Vout = 1.3V
• PWM mode from 100mA to 400mA
• PFM mode from 100uA to 50mA
• Includes parasitic resistances
50556065707580859095
100
0.0001 0.001 0.01 0.1 1
Load Current (A)
Effic
ienc
y (%
)
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APEC 2010 APEC 2010 Special Session Special Session 11.4.2 .4.2 A 60MHz 50W FineA 60MHz 50W Fine--Grain Package Integrated VR Powering a CPU from 3.3V Grain Package Integrated VR Powering a CPU from 3.3V G. G. SchromSchrom, F. , F. FailletFaillet, J. Hahn, Intel, Santa Clara, CA , J. Hahn, Intel, Santa Clara, CA
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結論
・エコ社会実現には既存インフラ・システムの
変革が必要であり高耐圧ICが重要な役割を
持つ。
・IT社会では多数の電源電圧があり、DCDC変換の効率向上が課題。