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高性能電子デバイスにセラミック PCB が第一選択肢となるのはなぜでしょうか?

2024-09-06記者: SprintPCB

セラミックPCB（セラミック基板またはセラミックコーティング基板とも呼ばれる）は、ガラス繊維やエポキシ樹脂などの有機材料で作られた従来のPCBとは異なります。セラミックPCBは、酸化アルミニウム（Al₂O₃）、窒化アルミニウム（AlN）などのセラミック材料で作られた基板に銅箔を直接接合する「ダイレクトボンデッドカッパー（DBC）」と呼ばれるプロセスで製造されます。この高温焼結プロセスにより、銅箔とセラミック基板が融合し、優れた電気絶縁性と熱伝導性を備えた基板が完成します。セラミックPCBは、従来のPCBと同様にエッチング加工が可能で、優れた通電能力を備えた複雑な回路パターンを形成できるため、高出力電子機器に最適です。

一般的なセラミック基板材料

セラミックPCBの性能は、使用する基板材料に大きく依存します。セラミック材料はそれぞれ、熱特性、電気特性、機械特性において異なる特性を示します。以下に、一般的なセラミック基板材料の詳細を示します。

酸化アルミニウム（Al₂O₃）

酸化アルミニウムは、優れた熱伝導性、機械的強度、および電気絶縁性のため、最も一般的に使用されているセラミック基板材料です。入手しやすくコストも手頃なため、パワーエレクトロニクス、LED冷却、マイクロ波通信などで広く使用されています。酸化アルミニウムセラミックには、純度（純度75%、96%、99.5%）に基づいてさまざまなグレードがあります。酸化アルミニウム含有量の変化は電気的特性には大きな影響を与えませんが、機械的性能と熱伝導性には大きく影響します。高純度酸化アルミニウム基板は密度が高く、誘電損失が低く、表面平滑性が優れているため、要求の厳しい用途に適しています。酸化アルミニウムの熱伝導率は通常18～36 W/(m·K)の範囲で、熱膨張係数（CTE）は4.5～10.9 x 10⁻⁶/Kであるため、一般的な半導体材料と互換性があります。しかし、他の高熱伝導性セラミック材料と比較すると、その放熱能力は比較的低いため、極めて高い熱性能が求められる用途での使用は制限されます。

窒化アルミニウム（AlN）

窒化アルミニウムは、酸化アルミニウムよりもはるかに高い熱伝導率を有し、室温では通常80～200W/(m·K)の範囲ですが、最大300W/(m·K)に達することもあります。熱膨張係数（CTE）はシリコンとほぼ一致するため、パワー半導体デバイスに最適な基板です。高電力密度アプリケーションでは、AlNの低い誘電率と優れた熱管理能力により、デバイスの信頼性と性能が大幅に向上します。しかしながら、AlNは製造コストが高いため、コスト重視の分野での使用は限られています。

酸化ベリリウム（BeO）

酸化ベリリウムは、非常に高い熱伝導率を誇るセラミック材料であり、その熱伝導率は330W/(m·K)に達し、ほとんどの金属を凌駕します。極めて高い電力密度が求められる用途に最適です。しかし、その毒性のため、製造および使用時には厳格な安全対策が求められ、その用途範囲は限定されています。

セラミックPCBと従来のPCBの主な違い

材質の違い:

セラミックPCB：優れた熱伝導性、耐熱性、電気絶縁性を備えた酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ベリリウムなどのセラミック材料から作られています。従来のPCB：ガラス繊維強化エポキシ（FR-4）やポリイミドなどの有機材料から作られており、熱伝導率と耐熱性が低く、一般的な電子製品に適しています。

熱管理:

セラミックPCB：高い熱伝導率で、高出力電子機器に適しており、素早い放熱により過熱を防止します。従来のPCB：熱伝導率が低いため、特に高出力アプリケーションでは、熱管理のために追加のヒートシンクや放熱材が必要になることがよくあります。

機械的強度と耐久性:

セラミックPCB：高い強度、硬度、耐腐食性を備え、高温、高圧、化学的腐食性などの過酷な環境に適しています。従来のPCB：機械的強度が低く、湿気、化学的腐食、温度変化による損傷を受けやすい。

電気絶縁:

セラミックPCB：優れた電気絶縁性を備え、特に高電圧用途に適しています。従来のPCB：絶縁特性が弱く、温度上昇に伴い劣化する可能性があります。

用途:

セラミックPCB：主に、パワーエレクトロニクス、RF回路、LED照明、航空宇宙など、高い熱伝導性、耐熱性、高電流密度、高い信頼性が求められる用途に使用されます。従来型PCB：低コストで幅広い用途に対応できるため、民生用電子機器、通信機器、車載電子機器などに広く使用されています。

製造の複雑さ:

セラミックPCB：複雑な製造プロセス、特に銅箔をセラミック基板に高温で接合するプロセス（DBCプロセスやLTCC/HTCCプロセスなど）によりコストが上昇します。従来のPCB：特にFR-4 PCBにおいては、より成熟したシンプルな製造プロセスによりコストが低く抑えられます。

セラミックPCBとアルミニウムPCB

1. 熱伝導率の違い：

アルミニウムは熱伝導率最大237 W/(m·K)という優れた熱伝導性を備えています。しかし、アルミニウムPCBでは、アルミニウムベースと回路層の間に絶縁層が存在するため、放熱性が大幅に低下し、システムの熱管理におけるボトルネックとなります。

2. 電気絶縁と構造強度：

アルミニウムは導体であるため、アルミニウムPCBでは回路とアルミニウムベースの間に電気絶縁層を設け、短絡を防ぐ必要があります。この設計は熱伝導には適していません。一方、セラミック材料は優れた電気絶縁性を備えているため、追加の絶縁層は不要です。これにより、セラミックPCBは効果的に熱を放散し、高電圧・高温アプリケーションにおいても安定した電気性能を維持できます。例えば、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムはどちらも高い絶縁破壊電圧を備えているため、高出力機器に最適です。

3. 動作温度範囲：

セラミックPCBは、アルミPCBに比べて優れた耐熱性を備えています。ほとんどのアルミPCBは-40℃～150℃の温度範囲で効果的に動作しますが、セラミックPCBは350℃までの温度に耐えることができるため、パワーデバイス、エンジン制御システム、高熱を発生するLEDライトなど、高温環境に適しています。

4. 生産コスト：

アルミニウムPCBは、構造がシンプルで入手しやすいため、比較的安価に製造できます。一方、セラミックPCB、特に窒化アルミニウムや酸化ベリリウムを原料とするものは、製造工程が複雑で原材料が高価なため、製造コストが高くなります。しかし、優れた熱管理と電気絶縁性が求められる用途では、セラミックPCBのコストの高さは、その性能上の利点によって正当化されることが多いです。

セラミックPCBの利点

優れた放熱性：

セラミック材料の高い熱伝導率により、高出力コンポーネントから発生する熱を素早く放散し、過熱を防ぎ、デバイスの安定した動作を保証します。

高い電気絶縁性：

セラミック基板は、高電圧でも優れた電気絶縁性を備えているため、パワーエレクトロニクス、RF 回路、医療機器など、高電力と信頼性が求められる用途に最適です。

高い機械的強度と耐久性：

セラミック PCB は、物理的ストレス、腐食、過酷な環境条件に対する耐性が非常に高く、航空宇宙や軍事用電子機器などの重要な用途において耐久性と信頼性に優れています。

高温での信頼性の向上：

セラミック PCB は、極端な温度でも性能を低下させることなく動作できるため、産業機器や自動車用電子機器などの高温環境でも信頼性の高い動作を保証します。セラミック回路基板

セラミックPCBの用途

パワーエレクトロニクス：

セラミック PCB は、優れた放熱性と電気絶縁性を備えているため、インバータ、モータードライブ、電源などの高出力デバイスに最適であり、パワーモジュールや電力制御システムに広く使用されています。

RFおよびマイクロ波回路:

セラミック材料は誘電損失が低いため、RF通信システム、マイクロ波回路、レーダー機器などの高周波用途に最適です。高周波における信号品質の維持能力は、性能向上に不可欠です。

LED照明:

セラミックPCBは、LED照明、特に高出力LEDに広く使用されています。優れた放熱性により、LEDの効率的な動作と長寿命を実現します。

医療機器:

セラミック PCB は、信頼性、電気絶縁性、耐熱性が高いため、画像システムや手術器具など、安定した性能が求められる医療機器に使用されています。

航空宇宙および軍事電子機器:

セラミックPCBは、航空宇宙や軍事用途など、信頼性、耐久性、高性能が不可欠な過酷な環境で採用されています。これらの用途では、多くの場合、極度の温度や機械的ストレスに耐えられる材料が求められます。セラミックPCBは、特に熱管理、電気絶縁性、機械的強度の面で、従来のPCBやアルミニウムPCBに比べて明らかな利点を備えています。パワーエレクトロニクス、RF回路、LED照明など、高出力、高周波、高温の用途では、セラミックPCBが最適な選択肢です。セラミックPCBは製造コストが高くなりますが、重要な用途における優れた性能により、信頼性が高く長寿命の電子ソリューションを必要とする業界にとって価値ある投資となります。SprintPCBはセラミックPCB製造において豊富な経験を有し、これらの困難な用途の要求を満たす高品質の製品を提供することができます。高度な製造プロセスと厳格な品質管理を通じて、SprintPCBはお客様に高品質のセラミックPCBソリューションを提供し、製品の安定性と信頼性を確保することに尽力しています。