JP2023064361A - semiconductor module - Google Patents
semiconductor module Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023064361A JP2023064361A JP2021174596A JP2021174596A JP2023064361A JP 2023064361 A JP2023064361 A JP 2023064361A JP 2021174596 A JP2021174596 A JP 2021174596A JP 2021174596 A JP2021174596 A JP 2021174596A JP 2023064361 A JP2023064361 A JP 2023064361A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- semiconductor chip
- semiconductor
- connector
- metal base
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 105
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 78
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 78
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 90
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 10
- 238000009413 insulation Methods 0.000 abstract description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 22
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 20
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 14
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 14
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 8
- 239000011256 inorganic filler Substances 0.000 description 8
- 229910003475 inorganic filler Inorganic materials 0.000 description 8
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 7
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 6
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 5
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 4
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 229910000640 Fe alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000009719 polyimide resin Substances 0.000 description 2
- 239000011342 resin composition Substances 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004962 Polyamide-imide Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007611 bar coating method Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000013001 point bending Methods 0.000 description 1
- 229920002312 polyamide-imide Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Structures For Mounting Electric Components On Printed Circuit Boards (AREA)
- Led Device Packages (AREA)
- Fastening Of Light Sources Or Lamp Holders (AREA)
- Insulated Metal Substrates For Printed Circuits (AREA)
Abstract
Description
本発明は、半導体モジュールに関する。 The present invention relates to semiconductor modules.
光源モジュールとして、回路基板の上に、複数個のLED素子(発光ダイオード素子)とその複数個のLED素子と接続したコネクタとを配置した構成のLEDモジュールが知られている(特許文献1)。この複数個のLED素子を用いたLEDモジュールは、例えば、自動車などの車両のヘッドライトなどの照明装置の光源として利用されている。 BACKGROUND ART As a light source module, an LED module having a configuration in which a plurality of LED elements (light emitting diode elements) and a connector connected to the plurality of LED elements are arranged on a circuit board is known (Patent Document 1). An LED module using a plurality of LED elements is used, for example, as a light source for lighting devices such as headlights of vehicles such as automobiles.
複数個のLED素子を用いたLEDモジュールは、長期間使用しても各LED素子を接合するはんだにクラックが入らないことが望ましい。しかしながら、LEDモジュールの回路基板として、金属基板を基材とする金属ベース基板を用いた場合、発光時のLED素子の発熱などによって、金属基板が膨張・収縮することにより、はんだに熱応力によるクラックが入りやすくなることがある。はんだに熱応力によるクラックが入いると、LED素子が基板から離脱しやすくなるおそれがある。金属基板の膨張・収縮によるはんだに付与される熱応力を抑えるために、金属基板の板厚を薄くすることが考えられる。しかし、熱応力を抑制できる程度にまで金属基板の板厚を薄くすると、金属ベース基板の曲げ剛性が低下して、LEDモジュールの製造時やLEDモジュールのねじ止め作業時に、金属ベース基板に反りなどの変形が起こりやすくなる。 In an LED module using a plurality of LED elements, it is desirable that the solder that joins the LED elements does not crack even after long-term use. However, when a metal base board made of a metal board is used as the circuit board of the LED module, the metal board expands and contracts due to the heat generated by the LED element during light emission, which causes cracks in the solder due to thermal stress. may become easier to enter. If cracks occur in the solder due to thermal stress, the LED element may be easily detached from the substrate. In order to suppress the thermal stress applied to the solder due to the expansion and contraction of the metal substrate, it is conceivable to reduce the thickness of the metal substrate. However, if the thickness of the metal substrate is reduced to the extent that thermal stress can be suppressed, the flexural rigidity of the metal base substrate will decrease, and the metal base substrate will warp during manufacturing of the LED module or screwing of the LED module. deformation is more likely to occur.
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数個のLED素子などの半導体チップを金属ベース基板に接合した半導体モジュールであって、複数個の半導体チップがそれぞれ離脱しにくく、かつ金属ベース基板が変形しにくい半導体モジュールを提供することにある。 The present invention has been made in view of the circumstances described above, and an object of the present invention is to provide a semiconductor module in which a plurality of semiconductor chips such as LED elements are bonded to a metal base substrate, wherein the plurality of semiconductor chips are separated from each other. To provide a semiconductor module whose metal base substrate is hard to deform.
上記の課題を解決するために、本発明の半導体モジュールは、金属ベース基板と、コネクタと、複数個の半導体チップと、を有し、前記金属ベース基板は、板厚が0.5mm以上1.2mm以下の範囲内にある金属基板と、前記金属基板の少なくとも一方の表面に絶縁層を介して設けられた回路層とを含み、複数個の前記半導体チップは、一方向に沿って配列された半導体チップ配列部を形成して、前記回路層の上に配置され、前記コネクタは端子を備えるハウジング部を有し、前記ハウジング部が前記一方向に沿って、前記半導体チップ配列部に対向するように、前記回路層の上に配置され、前記半導体チップ配列部の前記一方向における長さAに対する前記ハウジング部の前記一方向における長さBの比B/Aが1以上である構成とされている。 In order to solve the above problems, the semiconductor module of the present invention has a metal base substrate, a connector, and a plurality of semiconductor chips, and the metal base substrate has a thickness of 0.5 mm or more. and a circuit layer provided on at least one surface of the metal substrate with an insulating layer interposed therebetween, wherein the plurality of semiconductor chips are arranged along one direction. A semiconductor chip arrangement portion is formed and arranged on the circuit layer, the connector has a housing portion provided with terminals, and the housing portion faces the semiconductor chip arrangement portion along the one direction. and a ratio B/A of the length B of the housing portion in the one direction to the length A of the semiconductor chip arrangement portion in the one direction is 1 or more. there is
上記のような構成とされた半導体モジュールによれば、金属ベース基板の金属基板の板厚が0.5mm以上1.2mm以下の範囲内にあるので、半導体チップの発熱による金属基板の膨張・収縮による変形が抑えられる。このため、半導体チップの発熱による半導体チップの離脱や金属ベース基板の変形が抑制される。また、半導体チップ配列部とコネクタのハウジング部とが、一方向に沿って対向するように回路層の上に配置され、半導体チップ配列部の一方向における長さAに対するコネクタのハウジング部の一方向における長さBの比B/Aが1以上であるので、ねじ止め作業時での金属ベース基板の反りなどの変形も抑制される。 According to the semiconductor module configured as described above, the thickness of the metal substrate of the metal base substrate is in the range of 0.5 mm or more and 1.2 mm or less. deformation due to is suppressed. Therefore, separation of the semiconductor chip and deformation of the metal base substrate due to heat generation of the semiconductor chip are suppressed. The semiconductor chip arrangement portion and the housing portion of the connector are arranged on the circuit layer so as to face each other along one direction, and the one direction of the housing portion of the connector with respect to the length A in one direction of the semiconductor chip arrangement portion is provided. Since the ratio B/A of the length B in is 1 or more, deformation such as warping of the metal base substrate during the screwing operation is also suppressed.
ここで、本発明の半導体モジュールにおいては、前記コネクタの前記ハウジング部の曲げ剛性が前記金属基板の曲げ剛性以上である構成とされていてもよい。
この場合、コネクタによって金属ベース基板が補強されて、金属ベース基板が曲げにくくなるので、ねじ止め作業時での金属ベース基板の反りなどの変形もさらに抑制される。
なお、曲げ剛性は(断面二次モーメント)×(ヤング率)で算出でき、断面二次モーメントは、前記半導体チップ配列部の前記一方向に垂直な断面で算出する。また、断面二次モーメントやヤング率が個別に求められない場合は、コネクタのハウジング部および金属基板を試験片として、3点曲げ試験機を用いて同一条件の曲げ応力を掛け、その際の歪み量が小さい方を曲げ剛性が大きいとしてもよい。
Here, in the semiconductor module of the present invention, the bending rigidity of the housing portion of the connector may be greater than or equal to the bending rigidity of the metal substrate.
In this case, the connector reinforces the metal base board, making it difficult to bend the metal base board, thereby further suppressing deformation such as warpage of the metal base board during the screwing operation.
The flexural rigidity can be calculated by (geometrical moment of inertia)×(Young's modulus), and the geometrical moment of inertia is calculated on a cross section perpendicular to the one direction of the semiconductor chip array portion. In addition, if the geometrical moment of inertia and Young's modulus cannot be obtained individually, the connector housing and the metal substrate are used as test pieces, and a three-point bending tester is used to apply bending stress under the same conditions, and the strain at that time is A smaller amount may be considered to have a larger bending rigidity.
また、本発明の半導体モジュールにおいては、前記半導体チップ配列部に配列された前記半導体チップの数が3個以上である構成とされていてもよい。
本発明の半導体モジュールは、半導体チップ配列部に配列された半導体チップの数が3個以上であっても半導体チップの発熱による金属基板の膨張・収縮による変形が抑えられるため、複数個の半導体チップがそれぞれ離脱しにくく、かつ金属ベース基板が変形しにくい。
Moreover, in the semiconductor module of the present invention, the number of the semiconductor chips arranged in the semiconductor chip arrangement section may be three or more.
In the semiconductor module of the present invention, even if the number of semiconductor chips arranged in the semiconductor chip arrangement portion is three or more, deformation due to expansion and contraction of the metal substrate due to heat generation of the semiconductor chips is suppressed. are difficult to separate from each other, and the metal base substrate is difficult to deform.
本発明によれば、複数個の半導体チップがそれぞれ離脱しにくく、かつ金属ベース基板が変形しにくい半導体モジュールを提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor module in which a plurality of semiconductor chips are difficult to separate from each other and a metal base substrate is difficult to deform.
以下に、本発明の一実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの斜視図である。図2は、図1に示す半導体モジュールの平面図であり、図3は、図1のIII-III線断面図である。
図1~図3に示すように、半導体モジュール10は、金属ベース基板20と、コネクタ30と、7個の半導体チップ51a~51gが配列された半導体チップ配列部50と、を有する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the attached drawings.
FIG. 1 is a perspective view of a semiconductor module according to one embodiment of the present invention. 2 is a plan view of the semiconductor module shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III--III of FIG.
As shown in FIGS. 1 to 3, the
金属ベース基板20は、金属基板21と、金属基板21の少なくとも一方の表面に絶縁層22を介して設けられた第1回路層23、第2回路層24とを含む。第1回路層23は、半導体チップ51a~51gと接合する回路配線23a~23hを含む。第2回路層24はコネクタ30と接合するコネクタ固定部24a、24bを含む。
The
金属基板21は、金属ベース基板20のベースとなる部材である。
金属基板21は、板厚が0.5mm以上1.2mm以下の範囲内にある。板厚が0.5mm以上であることによって、金属基板21の強度が高くなるので、熱による反りなどの変形を抑えることができる。また、板厚が1.2mm以下であることによって、金属基板21の熱による膨張・収縮による体積変化量が小さくなる。
The
The
金属基板21は、銅基板、アルミニウム基板または鉄基板であることが好ましい。銅基板は、銅または銅合金からなる。アルミニウム基板は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる。鉄基板は、鉄もしくは鉄合金からなる。鉄合金は、炭素鋼を含む。
絶縁層22は、金属基板21と回路層(第1回路層23、第2回路層24)とを絶縁するための層である。また、絶縁層22は、半導体チップ51a~51gにて発生した熱を金属基板21に伝える伝熱機能と、熱による金属基板21の体積変化を吸収し、第1回路層23と半導体チップとを接合する接合材に付与される応力を緩和する応力緩和機能を有する。
The
絶縁層22は、絶縁樹脂と無機物フィラーとを含む絶縁性樹脂組成物から形成されていることが好ましい。絶縁層22を、絶縁性が高い絶縁樹脂と、熱伝導度が高い無機物フィラーとを含む絶縁性樹脂組成物から形成することによって、絶縁性を維持しつつ、伝熱機能を向上させることができる。
The
絶縁樹脂としては、例えば、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、またはこれらの混合物を用いることができる。これらの樹脂は、絶縁性、耐電圧性、化学的耐性及び機械特性などの特性に優れるので、金属ベース基板20のこれらの特性が向上する。
As the insulating resin, for example, a polyimide resin, a polyamideimide resin, or a mixture thereof can be used. Since these resins are excellent in properties such as insulation, voltage resistance, chemical resistance, and mechanical properties, these properties of the
無機物フィラーとしては、例えば、アルミナ(Al2O3)粒子、アルミナ水和物粒子、窒化アルミニウム(AlN)粒子、シリカ(SiO2)粒子、炭化珪素(SiC)粒子、酸化チタン(TiO2)粒子、窒化硼素(BN)粒子などを用いることができる。無機物フィラーの平均粒子径は、0.1μm以上20μm以下の範囲内にあることが好ましい。 Examples of inorganic fillers include alumina (Al 2 O 3 ) particles, alumina hydrate particles, aluminum nitride (AlN) particles, silica (SiO 2 ) particles, silicon carbide (SiC) particles, and titanium oxide (TiO 2 ) particles. , boron nitride (BN) particles, and the like can be used. The average particle size of the inorganic filler is preferably in the range of 0.1 µm or more and 20 µm or less.
絶縁層22の無機物フィラーの含有量は、30体積%以上85体積%以下の範囲内にあることが好ましい。無機物フィラーの含有量が30体積%以上であることによって、絶縁層22の伝熱機能が向上する。一方、無機物フィラーの含有量が85体積%以下であることによって、絶縁層22の伝熱機能が向上する。絶縁層22の伝熱機能を向上させる観点では、無機物フィラーの含有量は、50体積%以上80体積%以下の範囲内にあることが特に好ましい。
The content of the inorganic filler in the insulating
絶縁層22の膜厚は100μm以下であることが好ましい。絶縁層22の膜厚が100μm以下であることによって、絶縁層22の伝熱機能が向上し、半導体チップ51a~51gにて発生した熱を金属基板21に効率よく伝えることができる。絶縁層22の膜厚は、30μm以上であることが好ましい。絶縁層22の膜厚が30μm以上であることによって、金属基板21と回路層(第1回路層23、第2回路層24)とを確実に絶縁することができ、絶縁層22の応力緩和機能が向上し、接合材40に付与される応力を低減させることができる。絶縁層22の膜厚は、50μm以上であることが好ましく、80μm以下であることが好ましい。
The film thickness of the
絶縁層22は、100℃における弾性率ER(単位:GPa)に対する膜厚TR(単位:mm)の比TR/ERが30以上1000以下の範囲内にあり、熱伝導度CR(単位:W/mK)に対する膜厚TR(単位:mm)の比TR/CRが2以上40以下の範囲内にあることが好ましい。TR/ERは、30以上であることが好ましく、100以上であることがさらに好ましい。また、TR/ERは、300以下であることが好ましく、200以下であることが特に好ましい。TR/CRは、3以上であることが好ましく、5以上であることがさらに好ましい。また、TR/CRは、30以下であることが好ましく、20以下であることがさらに好ましい。絶縁層22が2層以上の積層体である場合は、各層のTR/ERの合計が上記の範囲内にあり、各層のTR/CRが上記の範囲内にあることが好ましい。絶縁層22のTR/ERが上記の範囲内にあることによって、応力緩和機能が向上し、半導体チップ51a~51gの発熱による半導体チップ51a~51gの離脱が抑制されるので信頼性が向上する。また、TR/CRが上記の範囲内にあることによって、伝熱機能が向上し、半導体チップ51a~51gの発熱による熱を効率よく外部に放出できる。
The insulating
第1回路層23及び第2回路層24の材料としては、銅、アルミニウム、金などの金属を用いることができる。第1回路層23及び第2回路層24の膜厚は2μm以上200μm以下の範囲内にあることが好ましく、80μm以下であることが特に好ましい。
As materials for the
コネクタ30は、ハウジング部31と、ハウジング部31の両端に配置された支持部材33a、33bとを含む。支持部材33a、33bはハウジング部31の両端に配置された支持部材固定部32に固定されている。支持部材33a、33bは、接合材40を介して、コネクタ固定部24a、24bに接合されている。ハウジング部31は、端子部34を備える。端子部34は8個の端子34a~34hを有する。8個の端子34a~34hは、それぞれ8個の回路配線23a~23hと接合材40を介して接合している。接合材40としては、例えば、Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系およびSn-Ag-Cu系などのはんだ材(いわゆる鉛フリーはんだ材)を用いることができる。
The
ハウジング部31は、端子34a~34hと接続されている外部端子(不図示)を有する。コネクタ30のハウジング部31は、電源や制御装置と接続される。ハウジング部31の形状は、平面視で長手方向を有する長方形とされている。
The
半導体チップ51a~51gとしては、LED素子、LEDチップ、LED-CSP(LED-Chip Size Package)、MOSFET(Metal-oxide-semiconductor field effect transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、LSI(Large Scale Integration)を用いることができる。
Examples of the
半導体チップ51a~51gはそれぞれ2つの回路配線と接続している。半導体チップ51aは回路配線23a、23bに接続し、半導体チップ51bは回路配線23b、23cに接続し、半導体チップ51cは回路配線23c、23dに接続し、半導体チップ51dは回路配線23d、23eに接続し、半導体チップ51eは回路配線23e、23fに接続し、半導体チップ51fは回路配線23f、23gに接続し、半導体チップ51gは回路配線23g、23hに接続している。
Each of the
本実施形態の半導体モジュール10においては、半導体チップ51a~51gは、一方向(X方向)に沿って配列された半導体チップ配列部50を形成している(以下、半導体チップ51a~51gが配列されている方向を、配列方向ということがある)。
In the
一方、コネクタ30は、ハウジング部31が半導体チップ配列部50の配列方向(X方向)に沿って、半導体チップ配列部50に対向するように配置されている。コネクタ30は、ハウジング部31の長手方向の面が半導体チップ配列部50に対向するように配置されていることが好ましい。半導体チップ配列部50の配列方向における長さAに対するコネクタ30のハウジング部31の配列方向における長さB(ハウジング部31の長手方向の長さ)の比B/Aは1以上とされている(図2参照)。比B/Aは、1.1以上2.0以下の範囲内にあることが好ましく、1.3以上1.7以下の範囲内にあることが特に好ましい。コネクタ30は、半導体チップ配列部50の近傍に配置されていることが好ましい。コネクタ30のハウジング部31と半導体チップ配列部50との最短距離は、例えば、0.1mm以上50mm以下の範囲内にあってもよく、好ましくは1mm以上30mm以下の範囲内にある。
なお、コネクタ30の配列方向における長さB(ハウジング部31の長手方向の長さ)は、支持部材33a、33b間の距離である。本実施形態においては、支持部材33a、33b間の距離とハウジング部31の長さは同じである。
On the other hand, the
The length B in the arrangement direction of the connector 30 (the length in the longitudinal direction of the housing portion 31) is the distance between the
ハウジング部31の曲げ剛性は、金属基板21の曲げ剛性以上であることが好ましい。ハウジング部31の曲げ剛性に対する金属基板21の曲げ剛性の比は、2以上50以下の範囲内にあることが好ましく、3以上30以下の範囲内にあることがより好ましい。
コネクタ30としては、半導体モジュール用のコネクタとして利用されている市販のものを用いることができる。
The flexural rigidity of the
As the
以上のような構成とされた本実施形態の半導体モジュール10によれば、金属ベース基板20の金属基板21の板厚が0.5mm以上1.2mm以下の範囲内にあるので、半導体チップ51a~51gの発熱による金属基板21の膨張・収縮による変形が抑えられる。このため、半導体チップ51a~51gの発熱による半導体チップ51a~51gの離脱や金属ベース基板20の変形が抑制される。また、半導体チップ配列部50とコネクタ30のハウジング部31とが、配列方向に沿って対向するように配置され、半導体チップ配列部50の配列方向における長さAに対するコネクタ30のハウジング部31の配列方向における長さBの比B/Aが1以上であるので、ねじ止め作業時での金属ベース基板の反りなどの変形も抑制される。
According to the
本実施形態の半導体モジュール10において、コネクタ30のハウジング部31の曲げ剛性が金属基板21の曲げ剛性以上である場合は、コネクタ30によって金属ベース基板20が補強されて、金属ベース基板20が曲げにくくなるので、ねじ止め作業時での金属ベース基板の反りなどの変形もさらに抑制される。
In the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態の半導体モジュール10において、半導体チップ配列部50に配列された半導体チップ51a~51gの数は7個とされているが、半導体チップ51a~51gの数に特に制限はない。ただし、半導体チップ配列部50に配列された半導体チップ51a~51gの数は3個以上であることが好ましい。
Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this, and can be modified as appropriate without departing from the technical idea of the invention.
For example, in the
また、本実施形態の半導体モジュール10において、半導体チップ配列部50は1列とされているが、半導体チップ配列部50は複数列あってもよい。本実施形態の半導体モジュール10において、コネクタ30のハウジング部31は平面視で長方形の形状とされているが、半導体チップ配列部50の配列方向における長さAに対するハウジング部31の配列方向における長さBの比B/Aは1以上とされていれば、ハウジング部31の形状に制限はない。ハウジング部31の形状は、例えば、平面視で正方形の形状であってもよいし、丸や楕円など丸みを帯びた形状であってもよい。
Further, in the
[本発明例1]
(金属ベース基板の作製)
ポリイミドとNMP(N-メチル-2-ピロリドン)とを混合し、ポリイミドを溶解させることによって、ポリイミド濃度が10質量%のポリイミド溶液を調製した。また、α-アルミナ粉末(結晶構造:単結晶、平均粒子径:0.3μm)とNMPとを混合し、30分間超音波処理を行なうことによって、α-アルミナ粒子濃度が10質量%のα-アルミナ粒子分散液を調製した。
ポリイミド溶液とα-アルミナ粒子分散液とを、α-アルミナ濃度が60体積%となる割合で混合した。得られた混合物を、株式会社スギノマシン社製スターバーストを用い、圧力50MPaの高圧噴射処理を10回繰り返すことにより分散処理を行なって、α-アルミナ粒子分散ポリイミド溶液を調製した。なお、α-アルミナ濃度は、α-アルミナ粒子分散ポリイミド溶液を加熱して乾燥したときに生成する固形物中のα-アルミナ粒子の含有量である。
[Invention Example 1]
(Preparation of metal base substrate)
A polyimide solution having a polyimide concentration of 10% by mass was prepared by mixing polyimide and NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) and dissolving the polyimide. Further, α-alumina powder (crystal structure: single crystal, average particle size: 0.3 μm) and NMP were mixed and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes to obtain an α-alumina particle concentration of 10% by mass. An alumina particle dispersion was prepared.
The polyimide solution and the α-alumina particle dispersion were mixed at a ratio such that the α-alumina concentration was 60% by volume. The resulting mixture was subjected to dispersion treatment by repeating high-pressure jetting treatment at a pressure of 50
板厚0.8mmで35mm×35mmの銅基板の表面に、α-アルミナ粒子分散ポリイミド溶液を、バーコート法により塗布して塗布膜を形成した。次いで、塗布膜を形成した銅基板をホットプレート上に配置して、室温から3℃/分で60℃まで昇温し、60℃で100分間加熱した後、さらに1℃/分で120℃まで昇温し、120℃で100分間加熱して、塗布膜を乾燥させた。次いで、銅基板を250℃で1分間加熱した後、400℃で1分間加熱した。こうして、銅基板の表面に、α-アルミナ単結晶粒子が分散されたポリイミド樹脂からなる絶縁層が形成された絶縁層付き銅基板を作製した。なお絶縁層の膜厚は30μmとなるようにした。絶縁層の100℃における弾性率ER(単位:GPa)と熱伝導度CR(単位:W/mK)を測定し、TR/ERとTR/CRとを算出した結果、TR/ERは111で、TR/CRは15であった。 An α-alumina particle-dispersed polyimide solution was applied to the surface of a copper substrate having a thickness of 0.8 mm and a size of 35 mm×35 mm by a bar coating method to form a coating film. Next, the copper substrate on which the coating film was formed was placed on a hot plate, heated from room temperature to 60°C at a rate of 3°C/min, heated at 60°C for 100 minutes, and further heated to 120°C at a rate of 1°C/min. The temperature was raised and heated at 120° C. for 100 minutes to dry the coating film. The copper substrate was then heated at 250° C. for 1 minute and then at 400° C. for 1 minute. In this way, a copper substrate with an insulating layer was produced, in which an insulating layer made of polyimide resin in which α-alumina single crystal particles were dispersed was formed on the surface of the copper substrate. The film thickness of the insulating layer was set to 30 μm. The elastic modulus E R (unit: GPa) and thermal conductivity C R (unit: W/mK) of the insulating layer at 100° C. were measured, and as a result of calculating T R /E R and T R /C R , T The R /E R was 111 and the T R /C R was 15.
得られた絶縁層付き金属基板の絶縁層の上に、厚み70μmの銅箔(T4X:福田金属箔粉工業(株)製)を重ね合わせて積層した。次いで、得られた積層体を、カーボン治具を用いて5MPaの圧力を付与しながら、真空中にて300℃の圧着温度で120分間加熱して、絶縁層と銅箔とを圧着した。こうして、銅基板と絶縁層と銅箔とがこの順で積層された金属ベース基板を作製した。 A copper foil (T4X: manufactured by Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd.) having a thickness of 70 μm was overlaid on the insulating layer of the obtained metal substrate with an insulating layer. Next, the obtained laminate was heated in a vacuum at a pressure bonding temperature of 300° C. for 120 minutes while applying a pressure of 5 MPa using a carbon jig to bond the insulating layer and the copper foil. Thus, a metal base substrate was produced in which the copper substrate, the insulating layer, and the copper foil were laminated in this order.
(LEDモジュールの作製)
金属ベース基板の銅箔をエッチングしてパターンを作成して第1回路層と第2回路層を形成した。次いで、第1回路層と第2回路層の上に、半田レジストを塗布し、さらにその上に鉛フリー半田を100μm厚となるように塗布した。第1回路層に塗布した鉛フリー半田の上に7個のLED素子(Oslon compact)を、0.5mmの間隔を明けて、一方向に沿って配列された半導体チップ配列部(配列方向の長さA:20mm)を形成するように配置し、第2回路層に塗布した鉛フリー半田の上にコネクタ(型番SM08B1-CPTK-1A-TB、日本圧着端子製造株式会社製、長手方向の長さB:30mm)を、長手方向の面が半導体配列部と対向するように配置した。その後、リフローをして、LEDモジュールを作製した。なお、半導体チップ配列部を金属ベース基板の中央に配置し、コネクタと半導体チップ配列部との最短距離は3.3mmとした。
(Production of LED module)
A pattern was formed by etching the copper foil of the metal base substrate to form the first and second circuit layers. Next, a solder resist was applied onto the first circuit layer and the second circuit layer, and lead-free solder was applied thereon to a thickness of 100 μm. Seven LED elements (Oslon compact) are placed on the lead-free solder applied to the first circuit layer, with a gap of 0.5 mm. A: 20 mm), and the connector (model number SM08B1-CPTK-1A-TB, manufactured by J.S.T. Mfg. Co., Ltd., length in the longitudinal direction) on the lead-free solder applied to the second circuit layer B: 30 mm) was arranged such that the longitudinal surface faces the semiconductor arrangement portion. After that, reflow was performed to produce an LED module. The semiconductor chip arrangement portion was placed in the center of the metal base substrate, and the shortest distance between the connector and the semiconductor chip arrangement portion was 3.3 mm.
[本発明例2~3、比較例1]
コネクタとして、長手方向の長さBが下記の表1に記載のサイズのものを用いたこと以外は、本発明例1と同様にしてLEDモジュールを作製した。
[Invention Examples 2 and 3, Comparative Example 1]
An LED module was produced in the same manner as in Invention Example 1, except that the length B in the longitudinal direction of the connector was as shown in Table 1 below.
[本発明例4]
銅基板として、板厚0.8mmで50mm×50mmのものを用いたこと以外は、本発明例1と同様にしてLEDモジュールを作製した。
[Invention Example 4]
An LED module was produced in the same manner as in Invention Example 1, except that a copper substrate having a thickness of 0.8 mm and a size of 50 mm×50 mm was used.
[本発明例5~7、比較例2~3]
銅基板として、板厚が下記の表1に記載のサイズのものを用いたこと以外は、本発明例1と同様にしてLEDモジュールを作製した。
[Invention Examples 5-7, Comparative Examples 2-3]
An LED module was produced in the same manner as in Inventive Example 1, except that a copper substrate having a thickness shown in Table 1 below was used.
[本発明例8]
銅基板の代わりに、板厚1.0mmで35mm×35mmのアルミニウム基板を用いたこと以外は、本発明例1と同様にしてLEDモジュールを作製した。
[Invention Example 8]
An LED module was produced in the same manner as in Inventive Example 1, except that an aluminum substrate having a thickness of 1.0 mm and a size of 35 mm×35 mm was used instead of the copper substrate.
[評価]
本発明例1~8及び比較例1~3で得られたLEDモジュールの反りと、金属ベース基板の信頼性(耐クラック率)を下記の方法により測定した。その結果を表1に示す。
[evaluation]
The warpage of the LED modules obtained in Inventive Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 3 and the reliability (crack resistance rate) of the metal base substrate were measured by the following methods. Table 1 shows the results.
(反り)
LEDモジュールを平面基板の上に配置して、室温にて隙間ゲージを用いて、基板とLEDモジュールの金属ベース基板との隙間の距離を測定した。隙間は、金属ベース基板の四つ角部について測定した。4つの角部で測定された隙間の最大値を反りとした。
(warp)
The LED module was placed on the flat substrate, and a clearance gauge was used to measure the distance between the substrate and the metal base substrate of the LED module at room temperature. The gap was measured for the four corners of the metal base substrate. The warp was the maximum value of the gap measured at the four corners.
(信頼性)
上記LEDモジュール(試験体)に、1サイクルが-30℃×30分間~105℃×30分間の冷熱サイクルを3000サイクル付与した。冷熱サイクル付与後の試験体を、樹脂埋めし、断面を研磨によって出した試料を用いて観察し、はんだ層に生じたクラックの長さ(mm)を測定した。はんだ層の一辺の長さと、測定したクラックの長さとから下記式より耐クラック率を算出した。
耐クラック率(%)={(はんだ層の一辺の長さ(25mm)-2×クラックの長さ)/接合層の一辺の長さ(25mm)}×100
耐クラック率が80%以上であるものを信頼性が〇とし、耐クラック率が80%未満であるものを信頼性が×とした。
(reliability)
The above LED module (test sample) was subjected to 3,000 cycles of cooling/heating cycles of −30° C.×30 minutes to 105° C.×30 minutes. After applying thermal cycles, the specimen was embedded in resin, and the cross section was observed using a polished specimen to measure the length (mm) of cracks occurring in the solder layer. From the length of one side of the solder layer and the measured crack length, the crack resistance rate was calculated from the following formula.
Crack resistance rate (%) = {(solder layer side length (25 mm) - 2 x crack length)/bonding layer side length (25 mm)} x 100
When the crack resistance rate was 80% or more, the reliability was evaluated as ◯, and when the crack resistance rate was less than 80%, the reliability was evaluated as x.
表1の結果から、金属基板の板厚と、半導体チップ配列部の配列方向における長さAに対するコネクタの長手方向の長さBの比B/Aが本発明の範囲内にある本発明例1~8は、反りが小さく、信頼性が良好であった。これに対して、B/Aが本発明の範囲よりも小さい比較例1は、反りが大きくなった。これは、コネクタによる金属ベース基板の補強が不十分で、LEDモジュール作製時のリフローによる加熱により銅基板が変形したためと考えられる。また、銅基板の板厚が本発明の範囲よりも薄い比較例2は、反りが大きくなった。これは、銅基板の板厚が薄くなりすぎて、コネクタでは金属ベース基板を十分に補強できず、LEDモジュール作製時のリフローによる加熱により銅基板が変形したためと考えられる。一方、銅基板の板厚が本発明の範囲よりも厚い比較例3は、信頼性が低下した。これは、銅基板の板厚が厚くなりすぎて、冷熱サイクルによる銅基板の変形量が大きくなり、はんだに付与される応力が大きくなったためであると考えられる。 From the results in Table 1, the ratio B/A of the thickness of the metal substrate and the length B in the longitudinal direction of the connector to the length A in the arrangement direction of the semiconductor chip arrangement portion is within the scope of the present invention. ∼8 had small warp and good reliability. On the other hand, Comparative Example 1, in which B/A is smaller than the range of the present invention, has large warpage. This is presumably because the metal base substrate was not sufficiently reinforced by the connector, and the copper substrate was deformed by heating due to reflow during fabrication of the LED module. Also, in Comparative Example 2 in which the thickness of the copper substrate is thinner than the range of the present invention, the warpage is large. This is presumably because the thickness of the copper substrate was too thin and the connector could not sufficiently reinforce the metal base substrate, and the copper substrate was deformed by heating due to reflow during fabrication of the LED module. On the other hand, in Comparative Example 3 in which the thickness of the copper substrate was thicker than the range of the present invention, the reliability was lowered. This is presumably because the thickness of the copper substrate became too thick, the amount of deformation of the copper substrate due to thermal cycles increased, and the stress applied to the solder increased.
10 半導体モジュール
20 金属ベース基板
21 金属基板
22 絶縁層
23 第1回路層
23a、23b、23c、23d、23e、23f、23g、23h 回路配線
24 第2回路層
24a、24b コネクタ固定部
30 コネクタ
31 ハウジング部
32 支持部材固定部
33a、33b 支持部材
34 端子部
34a、34b、34c、34d、34e、34f、34g、34h 端子
40 接合材
50 半導体チップ配列部
51a、51b、51c、51d、51e、51f、51g 半導体チップ
REFERENCE SIGNS
Claims (3)
前記金属ベース基板は、板厚が0.5mm以上1.2mm以下の範囲内にある金属基板と、前記金属基板の少なくとも一方の表面に絶縁層を介して設けられた回路層とを含み、
複数個の前記半導体チップは、一方向に沿って配列された半導体チップ配列部を形成して、前記回路層の上に配置され、
前記コネクタは端子を備えるハウジング部を有し、前記ハウジング部が前記一方向に沿って、前記半導体チップ配列部に対向するように、前記回路層の上に配置され、
前記半導体チップ配列部の前記一方向における長さAに対する前記ハウジング部の前記一方向における長さBの比B/Aが1以上である半導体モジュール。 having a metal base substrate, a connector, and a plurality of semiconductor chips;
The metal base substrate includes a metal substrate having a plate thickness in the range of 0.5 mm or more and 1.2 mm or less, and a circuit layer provided on at least one surface of the metal substrate via an insulating layer,
a plurality of the semiconductor chips forming a semiconductor chip arrangement portion arranged along one direction and arranged on the circuit layer;
The connector has a housing portion with terminals, and is arranged on the circuit layer so that the housing portion faces the semiconductor chip arrangement portion along the one direction,
A semiconductor module, wherein a ratio B/A of a length B of the housing portion in the one direction to a length A of the semiconductor chip arrangement portion in the one direction is 1 or more.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021174596A JP2023064361A (en) | 2021-10-26 | 2021-10-26 | semiconductor module |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021174596A JP2023064361A (en) | 2021-10-26 | 2021-10-26 | semiconductor module |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2023064361A true JP2023064361A (en) | 2023-05-11 |
Family
ID=86271636
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021174596A Pending JP2023064361A (en) | 2021-10-26 | 2021-10-26 | semiconductor module |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2023064361A (en) |
-
2021
- 2021-10-26 JP JP2021174596A patent/JP2023064361A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7459782B1 (en) | Stiffener for flip chip BGA package | |
WO2016002803A1 (en) | Substrate unit for power modules, and power module | |
JP6601512B2 (en) | Power module substrate with heat sink and power module | |
JP4893096B2 (en) | Circuit board and semiconductor module using the same | |
JP4893095B2 (en) | Circuit board and semiconductor module using the same | |
JP2008041752A (en) | Semiconductor module, and radiation board for it | |
JP7144419B2 (en) | power module | |
JP5218621B2 (en) | Circuit board and semiconductor module using the same | |
JP5370460B2 (en) | Semiconductor module | |
JP2019067801A (en) | Power module with heat dissipation component | |
JP6435711B2 (en) | Power module substrate with heat sink and power module | |
JP7405806B2 (en) | power module | |
US12068219B2 (en) | Heat sink integrated insulating circuit board | |
JP5786569B2 (en) | Power module substrate manufacturing method | |
JP2023064361A (en) | semiconductor module | |
JPWO2007139101A1 (en) | Electronic component mounting structure | |
US20230111128A1 (en) | Metal base substrate, electronic component mounting substrate | |
JP2004343035A (en) | Heat radiating component, circuit board, and semiconductor device | |
WO2023058667A1 (en) | Metal base substrate | |
JP7444814B2 (en) | package | |
JP2005285885A (en) | Semiconductor device | |
JP7119689B2 (en) | Manufacturing method of insulated circuit board with heat sink and insulated circuit board with heat sink | |
JP7054073B2 (en) | Insulated circuit board with heat sink | |
JP5303936B2 (en) | Power module substrate, power module, and method of manufacturing power module substrate | |
JP7063559B2 (en) | Base plate and power module |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240528 |