高周波PCB技術 - セラミック基板とは

セラミック基板とは、銅箔が高温でアルミナ（Al 2 O 3）または窒化アルミニウム（AlN）セラミック基板表面（片面または両面）に直接結合された特殊なプロセスプレートを指す。製造された超薄複合基板は優れた電気絶縁性能、高熱伝導特性、優れた半田付け性と高い付着強度を有し、PCB板のように様々なパターンをエッチングすることができ、大きなキャリア能力を持っている。したがって、セラミック基板は、高出力電力電子回路構造技術及び相互接続技術の基礎材料となっている。

図　セラミック基板

一、材料によって分ける

1、 Al2O3

アルミナ基板は、機械的、熱的、電気的特性において他のほとんどの酸化物セラミックスに比べて強度及び化学的安定性が高く、原料源が豊富であり、様々な技術製造及び異なる形状に適しているため、電子産業で最も一般的な基板材料である。

2、BeO

金属アルミニウムよりも高い熱伝導率を有し、高い熱伝導が必要な場合に応用されるが、温度が300℃を超えると急速に低下し、最も重要なのはその毒性が自身の発展を制限しているためである。

3 、AlN

AlNには2つの非常に重要な性能があることに注目すべきである：1つは高い熱伝導率であり、1つはSiと整合する膨張係数である。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、材料とプロセスを厳格に制御してこそ一致性の良いAlN基板を製造することができる。しかし、経済の高度化、技術の高度化に伴い、このボトルネックはついに消えるだろう。

以上の原因を総合すると、アルミナセラミックスは比較的に優れた総合性能のため、マイクロ電子、パワー電子、混合マイクロ電子、パワーモジュールなどの分野で依然として主導的な地位にあり、大量に運用されていることがわかる。

二、製造技術によって分ける

現段階で一般的なセラミックス放熱基板の種類はHTCC、LTCC、DBC、DPC、LAMの5種類であり、HTCC  LTCCはいずれも焼結技術に属し、コストが高くなる。

DBCとDPCは国内で近年開発され成熟し、エネルギー産生化の専門技術であり、DBCは高温加熱を利用してAl 2 O 3とCu板を結合するものであり、その技術的ボトルネックはAl 2 O 3とCu板の間の微気孔発生の問題を解決しにくいことにあり、これによって同製品の量産エネルギーと良率は大きな挑戦を受け、DPC技術は直接銅めっき技術を利用して、CuをAl 2 O 3基板の上に堆積し、その技術的結合材料と薄膜技術、その製品は近年最も一般的に使用されているセラミックス放熱基板である。しかし、その材料制御と技術統合能力の要求は高く、これによりDPC産業に進出し、安定的に生産できる技術的ハードルは相対的に高い。LAM技術はレーザー高速活性化金属化技術とも呼ばれる。

1、HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)

HTCCは高温共焼多層セラミックスとも呼ばれ、製造過程はLTCCと極めて似ており、主な差異点はHTCCのセラミックス粉末がガラス材質に添加されていないことである。そのため、HTCCの再高温1300 ~ 1600℃環境下で乾燥硬化して胚を生成し、続いて同様に導通孔を掘削し、スクリーン印刷技術で穴埋めと印刷線路を埋めなければならない。その共焼温度が高いため、金属導体材料の選択は制限され、その主な材料は融点が高いが導電性が悪いタングステン、モリブデン、マンガン…などの金属であり、最後に再積層焼結成形される。

2、 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic)

LTCCは低温共焼多層セラミックス基板とも呼ばれ、この技術はまず無機のアルミナ粉と約30%~ 50%のガラス材料に有機接着剤を加え、均一に泥状のスラリーに混合させ、次にスラリーをドクターブレードで板状にかき、乾燥過程を経てシート状スラリーを薄い生地に形成し、それから各層の設計に基づいて貫通孔を掘削し、各層の信号伝達として、LTCC内部線路はスクリーン印刷技術を用いて、それぞれ生地に穴埋めと印刷線路を行い、内外電極はそれぞれ銀、銅、金などの金属属を使用し、最後に各層を積層動作させる850 ~ 900℃の焼結炉に入れて焼結成形すれば完成する。

3、 DBC (Direct Bonded Copper)

直接銅被覆技術は銅の酸素含有共晶液を用いて直接銅をセラミックスに被覆するものであり、その基本原理は、被覆過程前または過程中に銅とセラミックスの間に適量の酸素元素を導入し、1065℃~ 1083℃の範囲内で、銅と酸素はCu-O共晶液を形成し、DBC技術はこの共晶液を用いて一方でセラミックス基板と化学反応を起こしてCuAlO 2またはCuAl 2 O 4相を生成し、他方で銅箔を浸潤してセラミック基板と銅板の結合を実現する。