セラミックPCB：利点、製造、および高温電子機器への応用

高温耐性 熱伝導性などに 優れています 電子機器の技術革新に 貢献しています電気自動車 (EV) のインバーターなどの今日の電力密度の高いデバイスにとって重要なものです伝統的なFR4PCBとは異なり 陶磁PCBはアルミナ,アルミニウムナイトリド,シリコンカービッドなどの無機物質を使用します熱が強い環境に適しています湿気や化学薬品にさらされると 標準板が劣化します

このガイドでは,陶磁PCBのユニークな特性,その製造プロセス,従来のPCBに対する主要な利点,そして実用的な応用について説明します.高功率LEDモジュールか 頑丈な航空宇宙部品を 設計しているかどうか極度の性能要求に応える適切な基板を選択するのに役立ちます.

主要 な 教訓
1陶磁PCBは,熱伝導性がFR4より10~100倍高い無機基質 (アルミナ,アルミナイトリド) を使用し,熱密度の高い用途に最適です.
2FR4の130°Cの限界をはるかに上回る250°C (アルミナ) と300°C (アルミナイトリド) の連続作業温度に耐える.
3陶磁PCBは優れた電気隔熱 (介電強度>20kV/mm) と低信号損失を提供し,高周波設計 (5G,レーダー) に不可欠です.
4FR4よりも高価ですが,陶磁PCBは熱吸収をなくし,高電力アプリケーションでは部品の使用寿命を改善することでシステムコストを削減します.
5主要な用途は,電動自動車の電源電子機器,産業モーター,医療イメージング,航空宇宙システムなどで,極端な条件下での信頼性は交渉不可です.

セラミック PCB は 何 です か
セラミックPCBは,無機セラミック材料から作られ,導電性銅層に結合した基板を有する回路板である.セラミック基板は機械的サポートと熱伝導性を提供する.銅層が回路の痕跡とパッドを形成している間有機基質 (FR4,ポリイミド) と異なり,陶器は高性能電子機器にとって不可欠なものとなる熱安定性,化学的惰性,電気隔熱性がある.

一般的なセラミック基板材料
セラミックPCBは,それぞれ特定の用途に合わせたユニークな特性を持つ基板材料によって分類される.

アルミナイトリド (AlN) は熱性能とコストのバランスをとっており,EV トラクションインバーターなどの高性能電子機器にとって最も人気のある選択肢となっています.

セラミック PCB の 働き方
セラミックPCBは,熱管理が不可欠なアプリケーションで優れています.従来のPCBを上回る方法は以下です.

a.熱経路:セラミック基板は直接熱伝導体として機能し,部品 (例えばMOSFET,FR4PCBで使用される有機粘着剤の熱抵抗を回避する.
電気隔熱:セラミックは高電圧 (10kVまで) にも電流の漏れを防ぎ,電源電子機器に安全になります.
c.機械的安定性:低熱膨張係数 (CTE) は,温度変動時の歪みを最小限に抑え,溶接接器の関節や部品に対するストレスを軽減します.

セラミック PCB の 主要 な 利点
セラミックPCBは,要求の高いアプリケーションで置き換えられないものとする一連の利点を提供しています.
1優れた熱管理
熱は電子部品の敵である.過剰な熱は寿命と性能を低下させる.セラミックPCBは,以下のような方法でこれを解決する:

a.高熱伝導性:アルミニウム (20 ワット/mK 30) は FR4 (0.3 ワット/mK 0.5) より熱を50倍もよく伝導する.AlN (180 ワット/mK 200) はさらに優れた性能を有する.アルミニウムなどの金属の伝導性 (205 W/m·K) に近付く.
(b) 直接熱分散:銅の痕跡が直接陶器基板に結合し,FR4PCBのエポキシ層の熱耐性を排除する.

例:アルミニウムPCBを使用した100WLEDモジュールは,FR4で同じ設計よりも30°C冷却され,LEDの寿命が50kから100k時間まで延長される.

2高温耐性
陶磁PCBは有機基質が不具合する熱い環境で繁栄します

a.連続操作:アルミナPCBは250°Cで信頼性のある動作をします.AlNおよびSiCバージョンは300°C以上に対応します (エンジンコンパクトや工業炉に最適です).
b.熱循環: FR4 PCBよりも10倍以上, -55°Cから250°Cの間,デラミネーションなしで1,000回以上生存する.

TALNを使用した自動車センサーPCBは, -40°Cから150°Cの2000サイクル (ホップの下の条件をシミュレート) を電気障害なしに耐えました.FR4PCBは200サイクルで故障しました.

3優れた電気特性
高周波や高電圧の設計では 陶磁PCBは 卓越した性能を提供します

a.低信号損失:セラミックは低電解損失 (Df <0.001 for AlN at 1GHz) を有し,5Gおよびレーダーシステムにおける信号衰弱を軽減する.
b.高隔熱: 介電強度>20kV/mmは,EV電池管理システム (BMS) などの高電圧アプリケーションでアーチを防止する.
c. 安定したDk: 変電常数 (Dk) は温度と周波数によって <5%変化し,高速設計では一貫したインピーダンスを確保する.

4化学的および環境的耐性
陶磁PCBは腐食,湿度,化学薬品に耐性があります.

a.水分吸収: <0.1% (FR4では0.5~0.8%),湿気や屋外でのショートサーキットを防止する.
化学不活性性: 油や溶媒,酸に影響を受けないため,産業用および海洋用電子機器に最適です.
c.放射線硬さ: SiCセラミックPCBは,電離放射線で分解するFR4とは異なり,原子力および航空宇宙環境での放射線に耐える.

セラミックPCBの製造プロセス
セラミックPCBは,硬くて脆いセラミック基板に銅を結合させるための特殊な製造技術を必要とします.
1直接結合銅 (DBC)
DBCは高性能セラミックPCBの最も一般的な方法である.

a.プロセス:薄い銅葉 (0.1~0.5mm) を1,065~1,083°C (銅の溶融点) でアルミニウムまたはAlNに結合する.炉内の酸素は,陶器と融合する薄い銅酸化層を形成する.
優点: 強い低抵抗結合を 優れた熱伝導性を持つ.
c.制限: 平らな基板のみで作業する.複雑な形状には適さない.

2活性金属溶接 (AMB)
AMBは,高温,高信頼性のアプリケーションに使用されます.

a.プロセス:銅は,溶接合金 (例えば,Ag-Cu-Ti) を使って800°C~900°Cで陶器に結合される.合金中のチタンは陶器と反応し,強い化学結合を形成する.
b.メリット:AlNとSiCセラミックで動作し,DBCよりも高い温度に対応する.
c. 制限: 溶接材料により,DBCより高価である.

3厚膜技術
低コストで低功率のセラミックPCB (例えばセンサー) に使用される:

a. 処理:銅,銀,または金のパスタが陶器にシートプリントされ,その後800~1,000°Cで焼いて導電性痕跡を形成する.
b.メリット:複雑なパターンと複数の層をサポートします.
c.制限:DBC/AMBより熱伝導性が低く,痕跡は厚い (50~100μm) で,高周波性能を制限する.

4レーザー直接構造化 (LDS)
3DセラミックPCB (例えば曲線センサー) に対して:

a.プロセス:レーザーは陶器表面を活性化し,金属 (銅またはニッケル) の塗装を惹きつけるパターンを作り出す.
b.利点:複雑な陶器形状の3D回路設計を可能にします.
c.制限:高設備コスト;薄銅層に限定.

セラミックPCBの用途
セラミックPCBは,ストレスの下での性能が交渉できない産業で使用されます.
1電気自動車 (EV) とハイブリッド電気自動車
トラクションインバーター:AlNセラミックPCBはEVインバーターで800V/500Aの電流を管理し,シICモスフェットから熱を散布します.
バッテリー管理システム (BMS): アルミナPCBは,バッテリーパックの電池の電圧と温度を監視し,連続して125°Cで動作します.
充電モジュール:高電圧セラミックPCBは,高電源密度に対応することで高速充電システム (350kW+) を可能にします.

2産業と電力電子機器
モーター駆動: 変頻駆動器 (VFD) の熱に耐えるように,セラミックPCBが産業用モーター (100kW+) を制御する.
ソーラーインバーター:60°C以上の環境温度を管理するためにAlN PCBを使用して,太陽パネルからACにDCを変換します.
溶接装置:高電流 (100A+) と電圧ピークをFR4が分解する弧溶接機で処理する.

3LED照明とディスプレイ技術
高功率LED: 路灯やスタジアム照明のアルミニウムPCBは100W+LEDからの熱を散布し,ルメン減価を防ぐ.
紫外線LED: 陶磁PCBは,時間とともに壊れやすい FR4とは異なり,紫外線分解に抵抗します.

4航空宇宙と防衛
航空機:レーダーシステムにおけるSiCセラミックPCBは,航空機の温度−55°C~150°Cに耐える.
ミサイルの誘導: 放射性硬化されたセラミックPCBは 極度の再入撃と戦闘条件に耐えられます

5医療機器
イメージング 機器:X線とMRI機器は,放射線抵抗性と熱安定性のためにセラミックPCBを使用します.
レーザー療法装置: 高功率レーザーダイオード (50W+) を操作し,治療中に正確な温度制御を保証します.

セラミック PCB と FR4: 性能比較

コスト・ベネフィット分析:EVインバーターの陶磁PCBはFR4の10ドルに対して50ドルかかりますが,20ドルのヒートシンクの必要性をなくし,保証請求を70%削減し,その結果,システム総コストが下がります.

セラミック PCB に 関する よくある 質問
Q1: セラミックPCBは柔軟性があるのですか?
A: ほとんどのセラミックPCBは硬いですが,ジルコニアベースのセラミックはウェアラブルセンサーや曲線装置では柔軟性が限られています (曲線半径>50mm).

Q2:セラミックPCBは修理可能ですか?
A: ノウセラミクスは脆いので,損傷した痕跡や基板は簡単に修復できません.これは製造中に厳格なテストを不可欠にします.

Q3: セラミックPCBの最小の痕跡幅は?
A:DBCおよびAMBプロセスは50μmの痕跡をサポートしますが,厚膜技術は100μmに制限されています.レーザー構造化により高周波設計では25μmの痕跡を達成できます.

Q4:セラミックPCBは振動をどう処理する?
A: セラミックは壊れやすいが,CTEが低いため,溶接接器の関節へのストレスを軽減し,熱循環環境 (例えば自動車) でFR4よりも振動耐性がある.

Q5:セラミックPCBは環境に優しいものですか?
A: はい,セラミックは惰性でリサイクル可能で,FR4のエポキシ樹脂とは異なり,DBC/AMBプロセスは最小限の有毒物質を使用します.

結論
セラミックPCBは,電機インバーターから航空宇宙センサーまで,極端な条件で動作する電子機器にとって不可欠です.高電力自動車の唯一の選択肢になります信頼性の高いアプリケーションです.

セラミックPCBの初期費用は高くなりますが 性能の優位性により 消耗熱をなくし 部品の使用期間を延長し 障害を最小限に抑えることで システムコストを削減できます電気自動車や再生可能エネルギーなどの産業は より高い電力密度を求めています次世代の技術を実現する上で 極めて重要な役割を果たすでしょう

エンジニアや製造業者にとって,陶磁PCBの専門家との提携は,適切な材料 (アルミナ,AlN,SiC) と製造プロセス (DBC,特定の性能要件を満たすため陶磁PCBでは 高温高電力電子機器の未来は 可能なだけでなく 信頼性があるのです