金属ベース基板とは
金属ベース基板 (英: metal-based printed circuit board) とは、ベースに金属を使用したプリント基板です。
放熱が必要なLED照明が近年普及したため、アルミプリントや銅プリントなど金属ベース基板の需要が増えています。通常のプリント基板は、熱を逃がす効率が悪く高温になるため部品の寿命が短くなります。
パワーエレクトロニクス分野でも、放熱技術が必須です。炭化ケイ素SiC基板、窒化ガリウムGaN基板、アンプの基板などは、金属ベース基板が必要になっています。
金属ベース基板の使用用途
金属ベース基板は、LEDを搭載した照明の基板、電子部品の熱によるダメージ防止、電力用半導体素子の冷却、高温環境下での基板使用などを目的に使用されています。
LED以外の用途では、電力用半導体素子の発熱を金属ベース基板を使用して、性能を引き出します。また、ハイブリットIC 車載電装、 高密度実装パッケージ、太陽光発電、家電製品などの熱による損傷を防ぐために有用です。
金属ベース基板の原理
金属ベース基板は、アルミ、銅、ステンレスなどの金属板の上に絶縁層を積層し、さらにその上に導体である銅箔の回路を重ねるのが標準的な構成です。アルミや銅などは、樹脂やセラミックなどに比べ、熱伝導が良い金属です。基板に金属を使うことにより、LEDなどから発生した熱を効率よく放熱させます。
絶縁層の厚さは放熱性に影響します。放熱性は絶縁層を薄くすると良くなりますが、耐電圧は逆に悪くなります。また、絶縁層のフィラーの量も放熱性に影響します。
金属基板ではない一般の基板が耐熱性グレードFR-4の場合、熱伝導率は0.38W/m･K程度に対し、金属ベース基板は、1.1～2.5W/m･K程度に上昇します。熱伝導率が大きいほど熱を速く伝え、絶縁層が薄いほど熱抵抗が小さくなり、放熱特性が良くなります。
金属ベース基板の種類
金属ベース基板には、主に2種類が使用されます。
1. アルミ基板
アルミ基板は軽く、放熱性が良いので多く使われています。主にLED照明に使用され、表面から銅箔、絶縁層、ベースアルミで構成されます。
アルミ基板には、両面アルミベース基板と両面アルミコア基板があります。両面アルミベース基板は、両面基板、絶縁層、ベースアルミをプレスして製造する片面実装タイプです。
両面アルミコア基板は、ベースアルミの両面に、絶縁層、銅箔をプレスしたものです。銅箔の厚さを厚くする場合、厚い銅箔、絶縁層、ベースアルミをプレスすることで製造します。銅箔の厚さは400µm程度まで可能です。
2. 銅基板
銅基板はアルミより約1.7倍放熱性が優れ、発熱量が大きい部品に使用されます。表面から銅箔、絶縁層、銅板で構成され、アルミ基板に比べ重いです。また、高価のため小ロットの使用は難しいですが、放熱性が優れている特徴があります。
放熱性は、絶縁層の厚みが薄い方が放熱しやすく、厚い方が高電圧に耐えます。両面銅コア基板は、銅板の両側に絶縁層、銅箔を設け、スルーホールで接続します。
金属ベース基板のその他情報
金属ベース基板のメリット
1. 優れた放熱性
一般に多く使われるガラス布基材エポキシ樹脂のFR-4や複合基材エポキシ樹脂のCEM-3と比較すると、金属ベース基板は放熱性が数倍以上優れています。熱伝導率が大きい金属をベースに使用しているので、放熱能力が優れています。
2. 優れた寸法安定性
アルミ基板と銅基板は、一般の基板に較べ熱膨張係数CTEが小さい特性があります。CTEが小さいと、温度による伸縮が小さくなります。通常のFR-4基板に比べ、金属基板は温度変化に対し、寸法が安定しています。
3. ひずみが少ない伝送
金属ベース基板は、放熱性に優れているので、温度上昇が小さいのが特徴です。したがって、信号伝送のひずみが少なくなります。
そのため、パワーコンバータ、照明、太陽光発電、背面照明、自動車用LEDアプリケーション、家電製品などに金属ベース基板が使用されます。
参考文献
http://www.k2p.jp/manufacturing/special_mtl.html
https://www.pcbgogo.jp/knowledge-center/aluminum_printed_circuit_board.html