セラミック基板は、ラミネートが設計の制約になる場面で使います。損失を自分で逃がさなければならない パワーモジュール、基板を発熱させるほど高速にスイッチするレーザーやRFドライバ、熱サイクルを100回 繰り返しても絶縁を保つ必要があるセンサーなどです。セラミックはFR-4が担えない熱と電圧の両方を 受け持ち、Hitech Circuitsは深圳でリジッド、フレックス、メタルコアのラインと並んで製造しています。
FR-4ではなくセラミックを使う理由
- 熱 — アルミナは20〜51 W/m·K、窒化アルミニウムは120〜220 W/m·Kで、FR-4のおよそ0.3 W/m·K に対して桁違いです。基板が回路を担うだけでなく、熱を広げます。
- 電圧 — 絶縁破壊は厚み0.25 / 0.63 / 1.0 mmで15 / 20 / 28 kV/mm。薄い基板でも高い動作電圧を 保持できます。
- 温度 — −55〜850 °Cに耐え、どのラミネートのガラス転移点もはるかに超えます。
- 膨張 — 50〜200 °Cで7.4 ppm/Kは、シリコンや多くのパッケージ材料の膨張に近く、大型ダイでも 接合部の応力を低く保てます。
- 安定性 — セラミックは吸湿がほとんどないため、湿度の高い工場環境や繰り返しのはんだ付けでも 誘電特性が保たれます。
工法と材料
電源用途では直接銅接合（DCB）基板が標準的な選択です。銅箔を高温でセラミックに接合してから エッチングするため、接合界面に厚い銅が得られます。薄膜と厚膜は、導体や抵抗を印刷・成膜し、 銅厚よりもラインの精度が重要な場合に使います。導体はAgPdかAuPd、DCBは銅のみです。
アルミナが標準材料で、96 %と98 %のグレードを在庫しています。熱伝導率が設計を決める場合は 窒化アルミニウム、最高の熱伝導率が必要な場合は酸化ベリリウムを選びます。標準在庫の厚みは 0.25〜2.0 mm、サイズは130 × 140 mmまでで、それより厚いもの・大きいものは特注、アルミナの最大 パネルは300 × 300 mmです。サイズ表は対応能力のページに掲載しています。
セラミックはこの設計に適した基板か
セラミックが価格に見合うのは、薄い絶縁層を通して基板そのものが熱を運ぶ必要がある場合だけです。
- メタルコア基板で足りる場合 — 損失が銅パターンとビア列で筐体に逃げるなら、 アルミメタルコア基板のほうが安く、大きなパネルで供給でき、焼成した セラミックでは取れない輪郭にも対応できます。
- 誘電体が限界になる場合 — 絶縁したベアダイや印刷抵抗のネットワークは、ラミネートもメタルコアの 積層も外れます。そこでは高分子が絶縁を担い、基板ではないからです。
- 熱伝導率がグレードを決める場合 — 標準はアルミナで、焼成が最も安く、薄膜・厚膜の導体を担えます。 アルミナ越しにダイを冷やせないときは窒化アルミニウム、どちらでも耐えない部位には酸化ベリリウムを 残します。
- 工法が銅を決める場合 — 電流を流すパターンにはDCBの接合銅が必要で、印刷抵抗を持つものやエッチング 箔より細い線幅を持つものは薄膜・厚膜の領域です。
セラミック基板の用途
パワーモジュールとIGBTスタック、高輝度LEDとレーザー光源、RF・マイクロ波段、滅菌に耐える必要が ある医療機器のセンサー、そして熱源の隣に置かれる 車載のパワーエレクトロニクスです。温度ではなく周波数が 問題になる場合は、Rogers、Arlon、Taconic、Nelcoのラミネートを使う 高周波プリント基板のほうが通常は安価です。両方の要件が 同時に来るときにセラミックが必要になります。
セラミック基板が実機で壊れる箇所
解析を依頼される個体は、回路ではなく実装と輪郭から壊れます。
- 固定点の割れ — セラミックには降伏がないため、スクリューボスや撓むクリップは穴の縁から割れを 始めます。固定穴は応力の高い領域から外し、ワッシャーを指定し、基板に筐体の剛性を負わせないでください。
- DCB界面の剥離 — 銅とセラミックは膨張率が違うため、一枚の大きな銅エリアは繰り返しサイクル後に 縁から浮きます。配置の都合で銅を残すのではなく、メッシュや分割にしてください。
- 切断端の沿面 — レーザースクライブや機械分離では、導体がパターンデータより縁に近くなります。 輪郭にキープアウト帯を設け、その内側にパターンを置きます。
- 輪郭由来のマイクロクラック — 内側の鋭角は熱サイクルごとの応力を集中させます。図面でコーナーに アールを付け、個片化はルーターブレードではなくその半径に沿わせてください。
見積りについて
セラミック材料、工法、銅厚、基板サイズ、数量を添えてGerberまたはDXF一式をお送りください。 薄膜・厚膜の導体はエッチングではなく成膜で形成するため、見積りを確定する前にパターンデータと 公差をDFMで確認します。発行済み証明書は認証のページに掲載しています。
アルミナ、AlN、BeO基板へのSMTとスルーホールを含むセラミック基板の実装は、 プリント基板実装のページで製造とあわせて見積ります。中国で生産する基板については 中国でのプリント基板実装のページで説明しています。
