セラミック基板とは
セラミック基板とは、セラミックでできた基板のことで、プリント配線板の配線を形成する若しくは部品を載置する絶縁板のことです。
なお、配線パターンなどが形成された状態のものをセラミック基板と称する場合もあります。
セラミック基板の使用用途
セラミック基板は、高温環境下での使用やプリント配線板の小型化に伴い、放熱製品や高周波計測器などに組み込まれるプリント配線板に使用されています。具体的な使用用途は、以下の通りです。
- 放熱製品
ハイパワーLED照明機器、レーザー加工機器、深紫外照射機器 - 衛星通信機器・高周波計測器
基地局アンテナ、ETC、RFモジュール、各種レーダー - 自動車製品
車載用LEDランプ、自動車制御部品 - 電子部品
ペルチェ素子、圧電センサー、LED、レーザーダイオード、GANモジュール、高温・加速・サイクル・SiCパワー半導体 - 高周波移動体通信機器
IoT通信機器、アンテナ・フィルター、電圧制御発振器 (VCO) 、温度補償水晶発振器 (TCXO)
セラミック基板の特徴
セラミック基板はセラミックよりなるため、その特性はセラミックと同様です。セラミック基板を形成する代表的なセラミックとして、アルミナ基板、アルミナジルコニア基板、窒化アルミニウム (AlN) 、窒化ケイ素 (Si3N4) などが挙げられます。
これらは、機械的強度、電気絶縁性、耐食性、耐熱性、熱伝導性に優れた材料で、基板も同じ特性を持ちます。
セラミック基板の種類
セラミックよりなる絶縁基板の上に配線パターン等を形成したプリント配線板としては、「高温セラミック基板」「低温セラミック基板」「厚膜セラミック基板」の3種類があります。
1. 高温セラミック基板
高温セラミック基板は、高温同時焼成セラミックス (HTCC) 回路が形成された基板です。まず、高温用に配合されたセラミック原料を用いて基台となる絶縁板を製造します。次に、絶縁板の上にタングステンやモリブデンなど金属の回路を形成し、積層後の基板を高温で焼成して高温セラミック基板となります。
2. 低温セラミック基板
低温セラミック基板は、LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics:低温同時焼成セラミックス) を使用した基板です。基台となる絶縁板にセラミックとガラス系材料を含むのが特徴で、通常多層基板として製造されています。
まずは、セラミックス粉末とガラス、バインダーなどを混合し、シート状にします。必要箇所に複数層間を接続するための貫通穴を設けるとともに、配線パターンを印刷形成して1層を作成します。異なる配線パターンを数層作成し、積層した後、焼成工程を経てLTCC配線基板の完成です。
3. 厚膜セラミック基板
厚膜セラミック基板は、絶縁基板に導体や抵抗体のペーストを印刷し、電気回路を形成した基板で、導電体の膜厚が比較的厚いことが特徴です。
セラミック基板のその他情報
1. 高純度アルミナ材料を使用したセラミック基板
セラミック基板は、熱伝導性セラミック粉末と有機質粘結剤などを混合して焼成して製作されます。このとき、高純度アルミナ材料を使用すると、アルミナ材料が微細粒子であることから、焼成物のセラミックには気孔が少なく、表面は非常に平滑です。
このため、厚膜や薄膜材料との密着性がとても優れ、プリント配線板とした時には安定した特性を持ちます。また、微細粒子であることから焼成によりサイズが変わらず、外形等の寸法のバラツキや反りや曲がりなどの外形特性も非常に良好です。また、高放熱性および耐熱性があり、高熱環境下でも物理的にも化学的にも安定しています。
2. セラミック基板を用いた半導体パッケージ
半導体素子の高集積化に伴う発熱は、重要な課題であり、放熱性の高いアルミナセラミック基板を使用しています。しかし、昨今の高い要求特性に対しては不十分となる場合が生じてきました。そこで、近年ではアルミナセラミック基板にとってかわる半導体パッケージ用の新しいセラミック材料として、窒化アルミニウムおよび炭化ケイ素が注目されています。
窒化アルミニウムは天然のセラミック材料ではなく、理論値が320W/m･Kという優れた熱伝導性を有する材料です。現実には、原料の改良、焼結助剤の選択、焼結条件の検討を行い、結果熱伝導率が180W/m･K程度のものの実用化が進んでいます。
炭化珪素セラミックスにおいては、焼結助剤として酸化ベリリウムを使用すれば高熱伝導性の絶縁体になることが明らかとなり、基板材料として注目されるようになりました。
参考文献
http://kousyuha-kiban.com/zais-3.html
https://www.kansaidenshi.com/product/ceramic/
https://www.kyocera.co.jp/prdct/fc/product/pdf/electronic.pdf
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jiep1986/9/7/9_7_531/_pdf
https://www.chip1stop.com/sp/knowledge/069_types-and-features-of-printed-circuit-boards