セラミック基板PCB：専門的知見と設計ベストプラクティス

一般的に、従来のCEM-3やFR-4が熱伝導率の悪さから廃れつつある技術的革命が起きています。その代わりに、優れた放熱システム（屋外環境での高耐熱性）を持つ高集積回路基板への市場需要が見られます。本稿ではセラミック基板PCBの概要を簡潔に紹介します。

セラミック基板とは

セラミック基板は、250℃以下の高温で製造され、熱伝導率9〜20W/m・Kを持つ特殊プロセスPCBです。メーカーは銅箔をアルミニウム窒化物（AlN）またはアルミナ（Al₂O₃）表面に直接接合して基板を作ります。

その電気的・熱的性能は、PCB業界においてほとんどのメタルコアPCBより優れています。

セラミック基板PCBの利点

セラミック基板PCBには、以下のような複数の製品に理想的ないくつかの利点があります。

材料の利点

• 銅層に酸化層が形成されないため、還元雰囲気で耐久性を持って使用可能。
• 強力な耐化学侵食性と多用途/気密性パッケージにより吸水を防止。
• 宇宙航空分野での高信頼性、宇宙線耐性、有機成分を含まない。
• 低熱抵抗で高密度実装が可能。
• 高周波損失が低く、優れた電気絶縁性能を持ち、過酷な外部環境に耐えられる。
• 高温はんだ付けが必要だが、優れたはんだ付け性を持つ。
• 低くて強い電気抵抗の金属膜（アルミナセラミックPCB）。
• セラミック回路基板はコスト効率が良く、重負荷用途に最適。
• 熱膨張係数のマッチングが良く、より高い熱伝導率を持つ。

技術的利点

LAM技術とDPC技術は、従来のDBCやLTCC技術などのボードに徐々に取って代わっています。その理由は多岐にわたります。

• レーザー穴あけ技術は、精度が高く、高速、効率的であるため、大きな応用価値を提供。
• セラミックと金属回路層の間で優れた電気的特性と高い接合強度。
• スルーホール接続により、顧客へのカスタマイズ製品ソリューションを提供可能。

セラミック基板の種類

材料による分類

Al₂O₃（アルミナ）

最初の基板は、エレクトロニクス業界で最も広く使用されています。人気の理由は、電気的・熱的・機械的特性により、他の酸化物セラミックスと比較して化学的に安定し、高強度であることです。Al₂O₃は原材料も豊富です。

用途： さまざまな形状の製造に最適なセラミック製品です。

AlN（アルミニウム窒化物セラミック基板）

AlNセラミックベースのプリント基板には、知っておく価値のある2つの重要な特徴があります。

• Siと一致する熱膨張係数。
• 高い熱伝導率。

しかし、Al₂O₃より高価であり、薄い酸化表面層が熱伝導率に影響を与えるという欠点があります。幸い、AlN基板の製造時にプロセスと材料を制御すれば、一貫性の良い製品を得られます。また、技術進歩によりアルミニウム窒化物基板の価格も改善される可能性があります。

用途： 電子材料（パッケージ）用基板、ホットスポットから熱を移動させるヒートシンク。

BeO（ベリリウム酸化物）

金属アルミニウムと比較して、BeOはより高い熱伝導率を持ち、高熱伝導率を必要とする用途に適しています。

ただし、有毒な場合があるため、一般的に開発されていません。

結論： アルミナセラミックスは、見てきた通りの特性と優れた総合性能により、さまざまな分野で依然として優位です。たとえば、パワーモジュール、ハイブリッドマイクロエレクトロニクス、パワーエレクトロニクスなどで見られます。高い機械的強度、化学的安定性、優れた誘電特性、熱特性を提供します。

製造プロセスによる分類

高温セラミックPCB / 高温共焼多層セラミック（HTCC）回路

このPCBタイプは高温（1300℃以上）に耐えられます。独自の製造プロセスでは、潤滑剤、酸化アルミニウム、接着剤、可塑剤、溶剤を組み合わせて新しいセラミックを作ります。

その後、メーカーは新しいセラミックをコーティングし、タングステン、マンガン、モリブデンなどの貴金属で回路パターンのトレースを適用します。水素ガスを含む気体環境下で、積層後1300〜1700℃の温度範囲で約48時間焼成します。

しかし、高い共焼温度のため、多くの金属導体材料が使用できません。

低温セラミックPCB / 低温共焼セラミック（LTCC）回路

メーカーは結晶ガラス材料と接着物質（有機バインダー）を使用して低温セラミックPCBを作ります。両材料を金ペーストを塗った金属シートに適用します。その後、基板をカットして積層し、900℃の気体オーブンに入れます。

利点

• HTCCより反りが少なく、収縮も良好。
• 他の基板タイプより高い機械的強度と熱伝導率を持つ。

用途： LEDライトなどの非発熱製品。

厚膜セラミックPCB

厚膜プロセスでは、メーカーはセラミックベース材料に金と誘電体ペーストをコーティングします。その後、1000℃以下の動作温度で材料を焼成します。銅酸化を防止できるため、厚膜セラミックを好みます。

したがって、メーカーは抵抗器、電気容量、導体、半導体、交換可能な導体などの電子部品をセラミック基板上で使用できます。

酸化が懸念される場合、しばしば第一選択となります。また、厚膜セラミックPCB基板の導電層は13ミクロンを超えてはなりません。

• DBC（ダイレクトボンデッドカッパー）

この技術は、酸素を含む銅の共晶溶液を利用して、金属銅をセラミック回路基板に直接配置します。基本原理は、堆積プロセス中または後にセラミックと銅の間に必要量のO₂を導入することです。2つの材料は、1065〜1083℃の熱範囲でCu-O共晶液を形成します。

• DPC（ダイレクトプレートカッパー）/ 銅メッキ基板

セラミック材料は以下のプロセスを経ることが多いです。

メーカーはまずセラミック基板を前処理し洗浄します。次に、プロフェッショナルな薄膜製造技術である真空蒸着法を用いて、銅金属複合層を基板にスパッタリング・接合します。

次に、黄色光リソグラフィによるフォトレジストが再露光、現像、エッチングを経ます。最後に、除膜プロセスが完了し、メーカーは無電解/電解メッキ堆積により回路厚を増やします。

フォトレジストの除去で冶金回路が完成します。

• LAM（レーザー活性化冶金化）

高エネルギーレーザービームによる急速なレーザー技術で金属とセラミックをイオン化します。その後、2つの成分を共に成長させ、冶金化プロセス中の堅牢性を高めます。

セラミックPCBの用途

高熱伝導率、低誘電率などの特徴により、セラミックPCBは以下の用途で使用されています。

• 街路灯、高輝度照明
• 半導体プロセス装置
• 通信デバイス
• センサー

• 太陽電池
• 自動車照明システム
• LED

• デジタルおよびアナログPCB
• 送受信モジュール
• ソーラーパネルアレイ
• 固体リレー（SSR）
• 高精度水晶発振器、OCXO、TCXO、VCXO
• 高電力回路
• チップオンボードモジュール
• メモリモジュール

セラミックPCB vs FR4

セラミック多層基板とFR4基板材料を、以下のいくつかの基準で比較します。

結論

結論として、セラミック回路基板は、製造ニーズと設計に応じて、エレクトロニクス業界など複数の産業で効率的です。熱効率、優れた電気伝導性、機械的強度といった高品質な特徴を提供します。

セラミック基板材料についてさらに知りたい場合は、お気軽にお問い合わせください。