従来の FR-4 グラスファイバー基板は、リフローはんだ付け後に「アーチ」形状になる傾向があります。これは、熱応力と材料の物理的特性の間の不均衡による避けられない結果です。従来の PCB は、部品のはんだ付け不良や反りによる機器の誤作動に悩まされてきました。セラミックを基板として使用するタイプの PCB は、ほぼ完璧な物理的安定性を備えており、高出力または高信頼性の電子デバイスにとって中心的な選択肢となりつつあります。-
なぜセラミック基板は反らないのでしょうか？
PCB の反りの根本原因は、材料の熱膨張係数と内部応力の解放との間の不一致にあります。一般的なFR-4基板はガラス繊維クロスとエポキシ樹脂を貼り合わせて形成されています。樹脂は加熱すると軟化し、冷却すると収縮します。両面の銅箔が非対称であるため、変形はさらに悪化します。
セラミック基板は全く異なる特性を持っています。高温で焼結されたセラミック グリーン シートをベースとして使用しており、非常に高い弾性率と非常に低い熱膨張係数を示します。製造中に、高温ホットプレスまたは直接銅めっき技術によって銅箔がセラミック表面に貼り付けられ、単純な接着結合ではなく分子間結合が実現されます。{3}これにより、複合構造は極端な温度条件下でも寸法安定性を維持できます。
アルミナセラミックス: コスト効率の王様-
アルミナは現在最も広く使用されているセラミック基板材料であり、75% ～ 99.5% のアルミナを含んでいます。 99.5% の高純度により、滑らかで緻密な表面が得られ、誘電損失が極めて低いため、高周波回路に適しています。-
アルミナの熱伝導率は約 24 ～ 28 W/(m・K) で、FR-4 の 0.3 W/(m・K) よりも大幅に高くなります。ただし、超高出力アプリケーションではまだ不十分です。豊富な原材料、高い機械的強度、優れた化学的安定性を誇り、性能とコストのバランスがとれた製品の代表例として、マイクロエレクトロニクスおよびパワーモジュール分野で圧倒的な地位を占めています。
窒化アルミニウムの高い熱伝導率はシリコン ウェーハによく適合します。{0}窒化アルミニウムセラミックスの登場により、アルミナの熱伝導率不足の問題が解決され、アルミナの7倍、金属アルミニウムをも上回る170W/(m・K)を超える熱伝導率を実現しました。
さらに重要なことは、窒化アルミニウムの熱膨張係数が半導体シリコンウェーハの熱膨張係数に非常に近いことです。高出力チップが基板に直接実装されている場合、同様の膨張係数により、熱サイクルによって生じるせん断応力が効果的に回避され、チップの亀裂やはんだ接合部の疲労が防止されます。その製造プロセスには、酸素含有量の制御に対する非常に高い要件が求められます。酸素不純物が少ないほど、熱伝導率は強くなります。
酸化ベリリウムの高い熱伝導率と毒性限界
酸化ベリリウムセラミックは、窒化アルミニウムをも上回る優れた熱伝導率を示し、室温で 250 W/(m・K) 以上に達します。かつては、放熱要件が非常に厳しい分野で好まれる素材でした。
ただし、酸化ベリリウム粉末は有毒です。製造や加工の際に発生した粉塵を吸い込むと、重篤な肺疾患を引き起こす可能性があります。同様に、廃棄時に発生する粉塵を吸い込むと、重篤な肺疾患を引き起こす可能性があります。この致命的な欠陥により、その開発は大きく制限されます。現在、包括的な保護措置が講じられたごく少数の特殊な軍事分野でのみ使用されており、また、包括的な保護措置が講じられた非常に少数の特殊な航空宇宙分野でも使用されています。民間市場は主に窒化アルミニウムに取って代わられています。
セラミック PCB の主な利点
セラミック基板の最も明白な利点は、強力な電流容量です。{0}}実験データによると、厚さ 1mm、0.3mm の銅基板に 100A の電流が連続的に流れた場合、温度上昇はわずか約 17 度です。銅の厚みを2mmまで増やすと温度上昇を5度以内に抑えることができます。
また、高電圧にも耐えられる優れた絶縁性を備えています。この特性により、機器と人員の安全が確保されます。有機接着剤を必要としないため、高温高湿環境でも性能が非常に安定しています。{2}}また、銅箔の密着力は非常に強く、急激な温度変化でも剥がれることがなく、一般的なプリント基板に比べて信頼性が非常に優れています。
セラミック PCB の製造オプション
セラミック基板は優れた性能を示しますが、壊れやすい性質があるため、大面積基板の製造での使用は制限されており、価格は FR-4 よりもはるかに高価です。{0}一辺100mmの窒化アルミニウム基板は、同じサイズのFR-4に比べて数十倍のコストがかかる場合があります。
したがって、主にハイパワー LED、自動車点火システム、高周波スイッチング電源、航空宇宙、軍用電子機器などのハイエンド アプリケーションで使用されています。{{1}セラミック基板を選択することは、究極の安定性と信頼性を選択することを意味します。実際の研究開発や少量生産では、専門的で信頼できるメーカーを選択することが非常に重要です。- JEP PCB は長年にわたり業界に深く関与しており、専門的なセラミック基板処理能力を備えています。プロトタイピングから量産まで、迅速な対応と安定したプロセス サポートを提供し、高性能設計を正確に実現できます。{8}}
それでは、製品設計においてコスト管理を優先しますか、それとも 5 度の温度上昇と比類のない信頼性と安定性を理由にセラミック基板を選択しますか?より多くのエンジニアがこの科学の徹底した普及を知ることができるよう、お気軽にコメント セクションでご意見を共有してください。この記事に「いいね！」を押して共有してください。-