セラミックPCBの概要

セラミックPCB基板とは、アルミナ（Al2O3）または窒化アルミニウム（AlN）セラミックPCB基板の表面（片面または両面）に銅箔を高温で直接接着した特殊プロセス基板を指します。製造された超薄型複合基板は、優れた電気絶縁性、高い熱伝導性、優れたはんだ付け性、高い接着強度を備え、様々なパターンをエッチングできるため、大きな電流容量を有します。そのため、セラミックPCB基板は、高出力パワーエレクトロニクスの回路構造技術および相互接続技術の基礎材料となっています。

セラミックPCB基板製品の登場は、放熱応用産業の新たな発展のきっかけとなりました。セラミックPCB基板の放熱特性、そして高い放熱性、低い熱抵抗、長寿命、耐電圧性といったセラミックPCB基板の優位性により、生産技術と設備の改良に伴い、製品価格の急速な低下と合理化が進み、家電製品の表示灯、自動車のヘッドライト、街灯、屋外大型看板など、LED産業の応用分野が拡大しています。 

セラミック PCB 基板の開発に成功したことで、屋内照明や屋外照明製品に優れたサービスを提供できるようになり、将来的には LED 業界の市場が拡大します。

セラミックPCBの種類 D割った Materials

セラミックPCBは、使用される材料によって分類されます。一般的な材料には、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などがあります。これらは、放熱性、絶縁性、強度の点で性能が異なります。適切な材料を選択することで、実際の使用要件に適した回路基板を実現できます。

1. アルミナセラミックPCB

アルミナセラミックPCB基板は、他の多くの酸化物セラミックと比較して、機械的、熱的、電気的特性において高い強度と化学的安定性を備え、原材料も豊富であることから、電子産業において最も広く使用されている基板材料です。様々な製造技術や形状に適しています。アルミナ基板は3次元的にカスタマイズ可能です。

2. 酸化ベリリウムセラミックPCB

熱伝導率はアルミニウムよりも高いため、高い熱伝導性が求められる用途に使用できますが、300℃を超えると急激に熱伝導性が低下します。さらに、その毒性により、開発が制限されるという問題もあります。

酸化ベリリウムセラミックスは、酸化ベリリウムを主成分とするセラミックスです。主に大規模集積回路基板、高出力ガスレーザー管、トランジスタのヒートシンクシェル、マイクロ波出力窓、中性子減速材などに用いられます。

3. 窒化アルミニウムセラミックPCB

AlNには注目すべき2つの重要な特性があります。3つは高い熱伝導率、もうXNUMXつはSiと一致する膨張係数です。欠点は、表面に非常に薄い酸化層があっても熱伝導率に影響を与えることです。材料とプロセスを厳密に制御することによってのみ、AlN基板を良好な安定性で製造することができます。中国には、Slitonのように大規模に生産できるAlN生産技術はほとんどなく、AlNの価格はAlXNUMXOXNUMXと比較して比較的高く、これも開発を制限する小さなボトルネックとなっています。しかし、経済と技術の向上に伴い、このボトルネックは最終的に解消されるでしょう。

上記の理由から、アルミナセラミックは優れた総合性能により広く使用されており、マイクロエレクトロニクス、パワーエレクトロニクス、ハイブリッドマイクロエレクトロニクス、パワーモジュールなどの分野で依然として優位な地位を占めていることがわかります。

AlNは2200℃まで安定しており、室温では高い強度を示し、温度上昇とともに強度は緩やかに低下します。熱伝導率、熱膨張係数が小さく、耐熱衝撃性に優れた材料です。溶融金属の侵食に対する耐性が強く、純鉄、アルミニウム、アルミニウム合金の溶解・鋳造に最適なるつぼ材料です。 

窒化アルミニウムも誘電特性に優れた電気絶縁体であり、電気部品としての用途も期待されています。 ガリウムヒ素の表面に窒化アルミニウムをコーティングすると、アニール中にイオン注入から保護できます。 また、窒化アルミニウムを六方晶窒化ホウ素から立方晶窒化ホウ素に変換する触媒でもあります。 室温で水とゆっくり反応します。 アンモニアまたは窒素雰囲気中、800〜1000℃でアルミニウム粉末から合成できます。 生成物は白色から灰青色の粉末です。 Al2O3-C-N2系の反応で1600〜1750℃で合成され、生成物はオフホワイトの粉末です。 塩化アルミニウムとアンモニアは気相反応で製造されます。 コーティングは、AlCl3-NH3系から気相堆積によって合成できます。

4. 窒化ケイ素セラミックPCB

ロジャース社は、3年に新しいcuramik®シリーズの窒化ケイ素（Si4N2012）セラミックPCB基板を発表しました。窒化ケイ素の機械的強度は他のセラミックよりも高いため、新しいcuramik®基板は、過酷な作業環境やHEV/EV、その他の再生可能エネルギーアプリケーションで長寿命を実現するのに役立ちます。

窒化シリコン製の新しいセラミック PCB 基板の曲げ強度は、Al2O3 や AlN 製の基板よりも高くなっています。

Si3N4 の破壊靭性はジルコニア添加セラミックの破壊靭性を上回ります。

これまで、パワーモジュールに使用されている銅張セラミックPCB基板の信頼性は、セラミックの曲げ強度が低いことが限界であり、熱サイクル耐性が低下していました。ハイブリッド車や電気自動車（HEV/EV）など、極端な熱ストレスと機械的ストレスが組み合わさる用途では、一般的に使用されているセラミックPCB基板は最適な選択肢ではありません。基板（セラミックPCB）と導体（銅）の熱膨張係数が大きく異なるため、熱サイクル中に接合部に圧力がかかり、信頼性が低下します。Rogers社が今年のPCIM展示会で発表したcuramik®シリーズの窒化ケイ素（Si3N4）セラミックPCB基板は、パワーエレクトロニクスモジュールの寿命を10倍延ばします。

セラミック基板の製造工程

セラミックPCBの製造には、一連の精密な工程を踏むことが不可欠です。これらの工程すべてにおいて、製造されたセラミック回路基板が本来の目的を完全に満たすことが保証されなければなりません。

1. セラミック PCB を製造する最初のステップは、ニーズ、必要な強度、剛性、および導電性に関連する特性を分析することです。

2. 次に、ベースとなる適切なセラミックPCB基板を選択する必要があります。他の製品と同様に、ニーズに合わせて最適な材料を選ぶ必要があります。アルミナは予算重視のプロジェクトで人気があります。窒化アルミニウムと酸化ベリリウムは、高い熱伝導性が求められるプロジェクトで役立ちます。

3. セラミックPCBの完璧なベースが完成したら、レーザーエッチングで回路にパターンを形成します。このエッチングにより、電気が流れる経路が形成されます。次に、回路の複雑さに応じて、厚膜または薄膜蒸着法を用いて必要な導電パターンを形成します。

4. いよいよ最も重要な工程、ボードを灼熱の高温で焼き上げます。この高熱によって全ての材料が融合し、一体化したユニットへと変化します。

5. しかし、これで終わりではありません。セラミックPCBの旅は、他の部品を接続するためのマウントを作るための穴あけ作業から始まります。まるでミニチュアの街を建設するようなものです。そして、セラミックPCBは防錆コーティングで保護されます。

6. 最後に、品質保証チームがセラミックPCBの製造工程全体を綿密に観察・分析します。すべての工程において細部にまで細心の注意を払う必要があるため、一歩間違えれば電気システム全体が台無しになってしまうため、いかなるリスクも負うことはできません。

これが、私たちがクライアントに信頼できるセラミックPCBメーカーを探すことを常にお勧めする理由です。 PCベーシック詳細情報や見積もりについては、 www.pcbasic.com.

のメリット CエラミックPCBs

◆ セラミック PCB 基板の熱膨張係数はシリコン チップの熱膨張係数に近いため、遷移層の Mo スライスを節約でき、労力と材料を節約し、コストを削減できます。

◆ 溶接層、熱抵抗、ボイド、降伏点を低減します。

◆ 同じ電流容量の場合、セラミック PCB の 0.3mm 厚銅箔の線幅は、通常のプリント基板の線幅のわずか 10% です。

◆ 優れた熱伝導性によりチップのパッケージが非常にコンパクトになり、電力密度が大幅に増加し、システムとデバイスの信頼性が向上します。

◆ 超薄型（0.25mm）セラミック PCB 基板は、環境毒性なしで BeO を置き換えることができます。

◆ 電流容量が大きく、幅100mm、厚さ1mmの銅体に0.3Aの電流を連続通電すると、約17℃の温度上昇が見られます。幅100mm、厚さ2mmの銅体に0.3Aの電流を連続通電しても、温度上昇は約5℃にとどまります。

◆ 低熱抵抗。10×10mmのセラミックPCB基板の熱抵抗は、0.31mmのセラミックPCB基板では0.63K/W、0.19mmのセラミックPCB基板では0.38K/W、0.14mmのセラミックPCB基板では0.25K/Wです。

◆ 高い絶縁性と耐電圧性を備え、人体の安全と機器の保護能力を確保します。

◆ 新しいパッケージングおよび組み立て方法を実現できるため、製品を高度に統合し、体積を削減できます。

パフォーマンス R要件 Cの場合エラミックPCBs

高電力、高周波、そして過酷な環境で動作する電子機器において、従来のFR4基板では、放熱性、電気性能、安定性に関する厳しい要件を満たすことが困難になってきています。セラミックPCBは、優れた熱伝導性、電気絶縁性、そして信頼性により、新世代の電子パッケージングおよび回路基板の理想的な選択肢となっています。それでは、セラミック基板の中核となる性能要件を見ていきましょう。

機械的特性

セラミックPCBは十分な機械的強度を備えているため、部品の搭載だけでなく、支持部材としても使用できます。加工性と寸法精度に優れ、多層構造を容易に実現でき、反り、曲がり、マイクロクラックなどのない滑らかな表面を実現します。

電気特性

高い絶縁抵抗と絶縁破壊電圧、低い誘電率、低い誘電損失、高温高湿の条件下でも安定した性能を発揮するセラミック PCB により、信頼性が保証されます。

熱特性

高い熱伝導性、熱膨張係数が関連材料と一致している（特にSiの熱膨張係数と一致している）、耐熱性に優れている。

その他の特性

化学的安定性が良好。金属化が容易で、回路パターンとそれらの間の接着が強力。吸湿性がない。耐油性および耐薬品性がある。放射量が少ない。採用されている物質は無公害で無毒。使用温度範囲内で結晶構造は変化しない。原材料が豊富。技術が成熟している。製造が容易。価格が安い。

PCBasicについて

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用途s セラミックPCBの

◆ 高出力パワー半導体モジュール、半導体冷蔵庫、電子ヒーター、RF電力制御回路、パワーハイブリッド回路。

◆ インテリジェント電源コンポーネント: 高周波スイッチング電源とソリッドステートリレー。

◆ 自動車用電子機器、航空宇宙、軍事用電子部品。

◆ 太陽電池パネルアセンブリ、通信構内交換機、受信システム、レーザーおよびその他の産業用電子機器。

他のボードではなくセラミック PCB を使用する理由

従来のFR4 PCBや金属基板MCPCBと比較して、セラミック基板PCBは複数の主要性能指標において大きな利点を有しています。優れた熱伝導率、極めて低い熱膨張係数、優れた電気絶縁性、そして周波数応答性により、高性能で信頼性の高い電子機器に最適な選択肢となり、特にパワーエレクトロニクス、無線周波数通信、過酷な環境でのアプリケーションに適しています。

ここでは、特に高電力、高周波、高信頼性が求められるアプリケーションにおいて、セラミックPCBの多面的な強みが見て取れます。セラミックPCBはFR4やMCPCBよりも重要な性能を上回っており、多くの高度な電子システムにおいて最適な選択肢となっています。

結論

電子機器の小型化と高性能化に伴い、堅牢な熱・電気ソリューションへの需要が高まっています。セラミックPCBは、過酷な条件下でも優れた性能を発揮することで知られており、高信頼性が求められるアプリケーションに不可欠な存在となっています。自動車、航空宇宙、高出力LEDなど、どのような用途の設計においても、適切なセラミックPCBメーカーとセラミックPCB基板を選択することで、製品の長期的な成功を確実に実現できます。