PCB Blog - セラミック基板と金属の接着

高出力電子デバイスの使用においてチップと電子部品との相互接続を実現するためには、回路基板としてセラミックスを使用し、セラミックス基板表面の金属化処理が必要である。

セラミック基板の金属化にはこれらの要求がある：優れた密封性、金属導電層の角抵抗と抵抗率は小さく、同時にセラミックス基板と比較的強い接着力を持ち、セラミックスは金属化を経ても高い熱伝導率を備える必要がある。そのため、延性に優れ、熱伝導性と導電性の高い銅は、パワーエレクトロニクスデバイスの中で最も一般的な材料となっている。

セラミックスは他の2種類のパッケージ基板に比べてより優れた総合性能を持っているが、セラミックス材料は強い共有結合型化合物として、その電子配位は非常に安定しており、他の材料と反応しにくく、また一般的な金属との濡れが困難であるのに対し、セラミックス基板表面の金属化後の性能はパワー電子デバイスの動作時の安定性と密接な関係があるため、セラミックス基板の広範な応用を制約している。

現在よく見られるセラミックス基板の金属化方法は主に化学めっき金属化、直接銅めっき金属化、厚膜金属化、薄膜金属化などを含む。

1、化学めっき金属化

化学めっき金属化とは、還元剤によって金属に還元され、基材表面に堆積する化学反応による方法であり、制御可能な酸化還元反応によって金属層を生成することを核心とする。溶液中のCu2＋をCu原子に還元し、触媒活性の基板上に堆積する銅めっき。

反応原理は次の式で表される：

第一段階：Cu2＋は陰極でCu原子に還元される。

第二段階：ホルムアルデヒドは陽極で反応に必要な電子を提供する。

ステップ3：銅めっきの酸化還元方程式。

2、直接銅被覆金属化

直接銅被覆金属化とは、高温、弱酸素雰囲気中でCuの酸素含有共晶液を用いて直接Cu箔をセラミックス表面に被覆する方法であり、主にAl2O3とAlNセラミックス表面に用いられる。原理はCuとOが反応して生成するCu2OとCuOであり、1060-1083℃の温度範囲内で基板中のAlと反応してCuAlO2とCuAl2O4のスピネル物質を生成することができ、セラミックスとCuが高い結合強度を形成できるように促し、AlNセラミックス基板を直接銅被覆金属化する際には、まずAlNを酸化処理し、セラミックス表面にAl2O3を形成する必要がある。

3、厚膜金属化

厚膜金属化は、金属スラリーをスクリーン印刷によりセラミックス表面に塗布し、その後高温乾燥熱処理して金属化セラミックス基板を形成する技術である。その中でスラリーは主に機能相、結合剤、有機担体から構成され、機能相は厚膜スラリーの中の本体、すなわちセラミックス表面に金属粉末をコーティングした後に熱処理プロセスを経て形成された金属膜層である。接着剤は、ガラス相や酸化物などが高温焼結された後、金属膜層とセラミックス基板との密着力を高める。有機担体は、有機スラリーの界面活性を向上させ、スラリーがより均一に混合されるようにするための有機溶剤または界面活性剤である。

4、薄膜の金属化

薄膜の金属化は高真空条件下で、物理的方法で固体材料の表層をイオンにイオン化し、その後、低圧ガスを用いてセラミックス基板表面に必要な薄膜を堆積する技術、すなわち物理蒸着技術（PhysicalVapourDeposition、PVD）を経て、主にマグネトロンスパッタリングめっき膜、イオンめっき膜、アークめっきなどを含む。薄膜金属化コアは、Ar 2+が電界加速された後、スパッタされたい物質から作られたターゲット電極を衝撃し、イオンエネルギーが適切な場合、Ar2+はターゲット表面の原子をスパッタし、さらに一定の方向に基板に射出し、薄膜の堆積を実現する。

上記のいくつかのセラミックス基板の金属化方法には、それぞれ長所と短所がある。

化学めっき金属化は、高い生産効率を備え、バッチ量化生産を実現することができるが、金属層とセラミックス基板の間の結合力は限られており、多くの特定の応用シーンを満たすことができない。

直接銅被覆金属化、すなわち高温焼結法は、生産効率を満たすと同時に、金属層とセラミックス基板が一定の結合強度を備え、現在比較的に一般的な生産プロセスであるが、直接銅被覆金属化は高温焼結の方式で行われる金属化被膜であるため、多くの低融点金属の応用が制限されている。

厚膜の金属化、つまりスクリーン印刷は、生産が簡単で操作可能であるが、金属化の厚さと線幅の線間距離の精度に対しては良好な制御が実現できず、高精度な精密線路を生産することができない。

薄膜の金属化、すなわちマグネトロンスパッタリングは、vanderWaals力の原理を利用して、金属層とセラミックス基板に強い結合力を持たせているが、生産効率が低下していると同時に、薄い金属層しか形成できず、通常はナノスケールである。

iPCBでよく使用されるセラミック回路基板の製造プロセスは、マグネトロンスパッタリングプロセスによりセラミック基板表面に50 ~ 300 nmの金属シード層（チタン層50 ~ 100 nm、銅層100 ~ 300 nm）を形成し、金属シード層とセラミック基板の間をファンデルワールス力で結合し、その後、めっきにより金属シード層上に金属厚を増加させることで、単にマグネトロンスパッタリングまたは化学めっきの方法で製造されたセラミック回路基板よりも性能が優れている。金属層とセラミックス基板との結合強度を効果的に強化することもできる一方、異なる層厚（厚さ1000μm）の金属化生産を実現することもできる。