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セラミック基板とは?
179 0 Jun 09.2022, 17:53:26


1. セラミック基板とは?

2. セラミック基板の種類

3. セラミック基板の利点

4. なぜ他の基板よりセラミック基板を使用するのか?

5. セラミック基板の製造方法とは?

6. セラミック基板の用途

 

電子工業におけるチップ部品と表面実装(SMT)の発展に伴い、有機積層板を基材とする従来のプリント基板は、高密度?高精度?高信頼性を目指し発展してきました。言うまでもありませんが、セラミック基板は、比較的新しいタイプのプリント基板として、何年も前から電子工業において幅広く使用されています。プリント基設計者にとってはより現実的な選択肢であり、現代の電子製品の小型化達成のためと、電子組立技術への効果的なソリューションとして考えられています。セラミック基板は、従来のプリント基板よりも優れていることがわかります。その上、セラミック基板は高い熱伝導率が高く、低膨張率(CTE)で用途が広く複雑さが少ないため、優れたパフォーマンスを提供できるのです。

 

 

 

セラミック基板とは?

 

セラミック基板は、熱伝導性セラミック粉末と有機質粘結剤の一種で、熱伝導率9~20W/mの熱伝導性有機セラミック基板が作製されます。つまりセラミック基板は、アルミナ、窒化アルミニウム、酸化ベリリウムなどの高熱伝導性材料を基材としたプリント基板で、ホットスポットからの熱を素早く移動させ、表面全体に放熱させます。さらに、セラミック基板は、レーザー急速活性化金属被覆法技術であるLAM技術で製造されます。そのため、セラミック基板は、従来のプリント基板全体の代わりに、よりシンプルな構造で性能を高めることができ、汎用性も高いのが特徴です。

 

 

 

セラミック基板の種類

 

電子市場におけるセラミック基板は、製造方法によって主に3種類に分類されます。

 

 

  • 高温セラミック基板

  • 低温セラミック基板

  • 厚膜セラミック基板

   

 

高温セラミック基板

 

ご存知のように高温セラミック基板は、最も人気のあるタイプのPFセラミックである可能性があります。一般的に、高温用に設計されたセラミック基板は、よく溶剤、混合接着剤、可塑剤、潤滑剤だけでなく、酸化アルミニウムとセラミック原料で構成されている高温同時焼成セラミックス(HTCC)回路としてみなされます。

まず、セラミック原料を用いて製造し、次に材料をコーティングします。そして、タングステンやモリブデン金属の回路トレースを実行します。回路トレースができれば、積層後の基板を1600?1700℃の間で最大48時間焼くことが可能になります。HTCCを焼くには、すべて水素ガスなどの気体環境で行われます。

 

低温セラミック基板

 

低温セラミック基板はHTCCと異なり、板金に金ペーストで接着した基板に、クリスタルガラスを組み合わせたものです。その後基板を切断?積層し、約900℃のガスオーブンに入れます。

さらに、低温セラミック基板は反りが少なく、収縮耐性が進化していることが特長です。言い換えれば、HTCCとセラミック基板の他のタイプに比べて、セラミック基板は、より良い機械的強度と熱伝導率を具えています。そのため、LEDライトのような放熱製品を使用する場合、LTCCの熱的利点があります。

 

厚膜セラミック基板

 

厚膜セラミック基板ですが、導体層の厚さは10ミクロンを超えることがありますが、13ミクロンえ越えることはありません。一般的に、導体層はセラミック基板の表面に銀または金パラジウムを印刷します。つまり、厚膜セラミック基板は、セラミック基材上で金と誘電体ペーストを含み、作業後に1000℃以下の温度で裏打ちされたペーストが含まれるのです。セラミック基材上で行われ、作業後に1000℃以下の温度でペーストとバックを行います。金の導体ペーストが高コストのため、ほとんどのプリント基板メーカーで、厚膜セラミック基板が使用されています。

 

従来のプリント基板に対し、厚膜セラミック基板の主なな利点とは、厚膜セラミックによって酸化から銅を保護できることです。ですので、セラミック基板メーカーは、セラミック基板上に交換可能な導体や半導体、コンデンサ、抵抗器を配置することができます。印刷と高温焼結のプロセスを達成した後、基板上のすべてのコンポーネントは、希望する値にレーザートリミングすることができます。セラミック基板の層の数については複雑な印象がありますが、セラミック基板の種類によって決定されています。セラミック基板に使用される層の最小数は2層ですが、製品の特性に応じて層の数は前後する場合があります。

 

セラミック基板の利点

 

FR-4や金属張基板などの従来の材料と比較した場合、放熱はセラミックが持つ主な利点です。コンポーネントが基板上に直接配置されるので絶縁体がないため、基板を通る熱の流れがはるかに効率的なのが特徴です。さらに、セラミック材料は高い動作温度(350℃まで)に耐えることができます。それに加えて熱膨張率

(CTE)がかなり低いので、プリント基板の設計にさらなる互換性を与えることができます。

エポキシ系のガラス繊維、ポリイミド、ポリスチレン、フェノール樹脂などを基板材料とする従来のプリント基板と比較すると、セラミック基板は以下のような特性を備えています:


  • 優れた熱伝導性

  • 化学的腐食に強い

  • 機械的強度に互換性がある

  • 高密度のトレースの実装が容易

  • CTAパーツとの互換性

   

 

つまり、セラミック基板が普及している理由は、以下のような利用があります:

 

熱膨張の高さ

 

セラミック基板が電子産業で広く使用されている理由の一つは、高い熱膨張が備わっているからです。セラミックベースの熱伝導率はシリコンにかなり近く、同時に最もよく用いられる接続金属の下で熱伝導性を発揮します。もちろん、長時間優れたアイソレーターの役割を果たすことができるのは、言うまでもありません。このように、セラミック基板は高温下でも熱伝導率が高く、多くの機器に使用できる特性を持っています。

 

安定性

 

セラミック基板を使用しているため、安定した誘電特性があり、限られた無線周波数の損失に変更することができますので、電子機器の適用性を高めることができます。さらにセラミック基板は、外見上の頑丈さにもかかわらず、ほとんどの薬品に対して自然耐性を有しています。そのため耐薬品性は日常に存在する湿気や溶剤、消耗品にとよって耐性が変わります。

 

汎用性

メタルコア基板は融点が高いため、様々な用途に使用できます。貴金属ペーストは、焼結技術によって非常に揺るぎない導体にすることができるでしょう。セラミック基板を使用すると、動作温度が異なるデバイスが存在します。その一方で、処理温度が高くなる影響が出てしまうことは間違いありません。

ですが、興味深いことに、良好な熱伝導率とデバイス上での異なる位置への熱分布を可能にしてくれるのです。

 

耐久性

 

ご存知のように、セラミック基板の製造プロセスには耐久性があります。セラミックの本質的な特性のおかげで、特に頑丈な点により毎日の消耗から基板を守ることができます。

セラミック基板は、ベースのプリント基板の一貫性を具えています。またエージングが非常に遅いので、すぐに交換をする心配が必要ありません。さらに耐用年数が長くなるため、分解の過程も遅くなり、熱抵抗が高くなるのです。

 

適応性

 

最後に、セラミック基板の顕著な利点の1つは、エンジニアリングプロセスでメタルコアを使用している点です。剛性の高いキャリアに変更できるため、機械的剛性があります。また、粗さや耐摩耗性に優れており、流体と固体の間で使いやすいため、様々な産業分野で使用することができるのです。

 

なぜ他の基板よりも、セラミック基板を使用するのでしょうか?

 

   

熱伝導性

 

ご存じの通りMCPCBと比較すると、セラミックには高い運転温度、高い熱膨張率、優れた断熱性、熱性能などの優れた特徴があり、材料に違いをもたらす可能性があります。さらに、セラミック基板には、高く効果的な熱伝導率があります。

 

価格比較

 

セラミック基板は、優れた特性を持つ製品にのみ使用されています。ですが、一般的な製品では使用されていません。そのためセラミック基板は、プリント基板に取って代わる存在となっており、製造や設計の複雑さを軽減させたり、性能も向上させています。


技術的な取り組み

 

セラミック基板には高熱伝導率、安定性、慣性があります。それだげではなく、リードレスセラミックチップキャリアと互換性のあるCTEを備えています。そのため、セラミック基板こそが、ヒートサイクルを乗り越えられる最適な解決策だということは間違いありません。セラミック基板には3種類あります:高温同時焼成セラミックス基板、厚膜セラミック基板と低温同時焼成セラミックス基板です。


 

セラミック基板を製造するには?

 


まずセラミック基板の製造プロセスにおいて、トレース接続するために各層に金や銀の導電性ペーストを使用することができます。一般的に金属元素や基板は、層ごとのスクリーン印刷の工程によって各層に配置されます。また、未焼成の層に機械的にビアを打ち込んだり、レーザーでマイクロビアを穿孔したりすることもあります。

次にセラミック層を印刷?積層した後で、オーブンで積層全体を焼成します。一般的にセラミック基板の焼成に必要な温度は1000℃以下であり、これは金や銀のペースト材料の焼結温度と一致するのです。そのため低温で焼成することで、セラミック基板に金や銀を含有させることができるのです。

しかし、多層プリント基板の熱間圧接/ベーキング、焼結過程は、セラミック基板の内部層に受動部品をすぐに統合することが容易になります。FR-4材で製造された基板では不可能なため、プリント基板の設計者は内部層のコンポーネントとの接続密度を高めることができます。


セラミック基板の応用

 

セラミック基板は、高熱伝導率、低熱膨張係数、低誘電率、耐薬品性に優れているため幅広く使用されています。

 

メモリーモジュール

 

例えば日本のある企業は、4つのICチップを搭載したセラミック多層基板を使用して、高信頼性と高密度実装に貢献する1Mビット SRAMメモリモジュールを開発しました。また、アメリカの企業ではセラミック基板を用いて、ミサイルや通信製品、航空宇宙製品などを製造していました。これらの製品に共通しているのは、過酷な環境下でも使用が可能だという点です。セラミック多層基板と包装材料成分は、弾頭の強度や耐衝撃性、耐振動性にも優れています。

 

受信用/送信用モジュール


レーダー用の受信用/送信用モジュールを、セラミック基板で作成しているアメリカの企業があります。窒化アルミニウムは熱伝導率が高くCTEが低いため、セラミック基板の受信用/送信用モジュールの基礎となります。

 

多層配線盤

 

セラミック基板は電子製品の小型化にも対応できるため、同じプリント基板の面積内には多くの部品が存在します。そのため、セラミック基板が多層配線基板に応用される可能性が高くなるのです。

 

アナログ基板/デジタル基板

 

さらに日本のある企業では、LTCC基板を使用してアナログ基板/デジタル基板を製造し、寄生容量を約9分の1に低減しているのです。これにより、回路トレース時のクロストークを効果的に回避できるだけでなく、回路の体積や重量を削減することもできるのです。


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