多層セラミックPCB製造: 材料,プロセス,およびアプリケーションに関する包括的なガイド

多層セラミック印刷回路板 (PCB) は高温,高周波,高信頼性の電子機器の重要な技術として登場しました.有機基質に依存する陶磁PCBは,アルミナ (Al2O3) やアルミニウムナイトリド (AlN) などの無機物質を使用して,優れた熱伝導性,化学抵抗性,機械的安定性を提供します.この特性により,航空宇宙センサーから電源電子機器まで様々な用途で不可欠です.極端な条件下でのパフォーマンスが交渉不可である場合

このガイドは,材料の選択,製造段階,主要な利点,および産業用途をカバーする,多層セラミックPCB製造の詳細な概要を提供します.厳しい環境のために設計するエンジニアであれ 生産を拡大する製造業者であれ陶磁PCB製造のニュアンスを理解することは その潜在能力を最大限に発揮するために不可欠です

なぜ多層陶器PCBが 使われるのか?
セラミックPCBは,特に厳しいシナリオにおいて,有機ベースのPCBの重要な限界に対処します.
1熱処理:セラミック基板はFR-4より10×100倍熱を伝導する (例えば,AlNは180×220W/m·K対FR-4の0.2×0.4W/m·K)LEDモジュールや電源増幅機などの高電力装置の過熱を防止する.
2高温安定性:セラミック材料は,1000°Cまで温度で機械的および電気的性質を維持し,FR-4とは異なり,130°C以上では分解する.
3高周波性能:低電解損失 (Al2O3の10GHzでDf <0.001),5G,レーダー,衛星通信に最適です.
4化学耐性:セラミックは溶媒,油,腐食性ガスに対して惰性であり,工業および自動車のハブ下アプリケーションにとって重要です.

多層設計では これらの利点が複合的です 陶器層を積み重ねることで 熱性や機械的整合性を犠牲にせず 密度の高い高性能回路が作れます

多層セラミックPCBの主要材料
セラミック基板の選択は,性能,コスト,製造の複雑さに直接影響する.最も一般的な材料は以下の3つです.

アルミナは,ほとんどの産業用アプリケーションのコストと性能をバランスさせる作業馬です.
b.AlNは熱密度の高い設計 (IGBTモジュールなど) で優れているが,専門的な加工を必要とする.
c.ジルコニアは,熱伝導性よりも機械的強度 (振動耐性など) が優先される極端な環境のために使用される.

多層セラミックPCB製造プロセス
多層セラミックPCBの製造は,セラミック材料の脆さと高温性により,有機PCB製造と大きく異なる精密段階を伴う.
1材料の調製
a.セラミック粉末磨き:生セラミック粉末 (例えば,Al2O3) は,結合剤 (ポリビニルバチラル),溶媒,軟化剤と混ぜてスラムを形成する.フレッシングにより,均質な密度のために粒子の大きさは1μ5μmに縮小されます..
b.テープ鋳造:スローリーは,医師の刃を使って,薄い緑色のシート (0.1~0.5mm厚) を形成し,キャリアフィルム (PET) に広がります.これらのシートは,溶剤を除去するために乾燥し,柔軟な,操作可能 緑色のテープ...

2. レイヤ パターニング
a.レーザードリリング:マイクロビア (50~200μm直径) を緑色のテープにドリルして層を接続する.レーザードリリングは,壊れやすい材料を裂かないまま精度を保証します.機械ドリリングは薄いセラミクにはあまりにも不正確です..
b.金属化:導電性ペスト (通常はウルフスタン,モリブデン,銅) は,緑色のテープにシリーンプリントされ,痕跡,パッド,およびフィールを形成します.ウォルフレンとモリブデンが高温シンタリングに合致する銅は低温処理 (例えば900°Cでの共燃) を必要とする.

3層積みとラミネーション
a.アライナメント: 緑色のシートは,層間での経路および追跡登録を保証するために,信託マークを使用してアライナメントされます (許容度 ±5μm).
b.ラミネーション: 積み重ねた層は50~100°Cと10~30MPaで圧縮され,単一のブロックに結合し,シンタリング中に欠陥を引き起こす可能性がある空気の隙間を除去します.

4シンター
a.結合剤の燃焼: 堆積されたラミナートは,有機結合物を除去するために空気または窒素で300~600°Cに熱され,シンタリング中にガスバブルが発生しない.
b.シンテリング:シンテリング中に,セラミック層とファイズ層を密度化するために,ラミナートは高温で焼かれます.設計の精度を考慮すると 材料は15~20%縮小します.
c.冷却:制御された冷却 (≤5°C/min) は,特に大型または厚いPCBの場合,熱圧および裂けを最小限に抑える.

5処理後
a.表面金属化:シントレされたセラミックは,溶接性を向上させるために銅,金,またはニッケル金 (ENIG) で金属化されます.オキシデーションを防止するために,トンフレン/モリブデン層はしばしばニッケルで塗装されます..
b.Dicing: シンターパネルは,ダイヤモンドサーやレーザーを使用して個々のPCBに切断され,陶器を裂くような機械的ストレスを避ける.
c.試験:電気試験 (連続性,保温抵抗) と熱試験 (赤外線画像) で性能を検証する.

多層セラミックPCB製造における課題
優位性があるにもかかわらず 陶磁PCBは 独特の製造障害があります
a.収縮制御: 15~20%の収縮は,精密な設計スケーリングが必要です (例えば,最終PCBの100mmには120mmの緑色のシートが必要です).
費用: 原材料 (特にALN) と高温加工により,セラミックPCBはFR-4よりも5倍10倍高い.
壊れ易さ: 陶器は取り扱いの際に裂けやすいため,特殊なツールと細かい加工が必要です.
d. 設計の複雑性: グリーンテープに微細なピッチ (<50μm) の痕跡を印刷することは困難で,HDI有機PCBと比較して密度が制限される.

多層セラミック PCB の 利点
この課題は,主要な用途においてセラミックPCBを不可替代なものにする性能上の利点によって対照的にされています.
1優れた熱管理:AlNベースのPCBは,FR-4と比較してLEDの交差点温度を30~40°C削減し,寿命を5万から10万時間以上延長します.
2.高温信頼性:自動車エンジンのスペース (150°C+) と工業炉 (500°C+) で機能を維持する.
3低信号損失: 10GHzで電解損失 <0.001 は,5G mmWave (2860GHz) とレーダーシステムを最小限の信号劣化で可能にします.
4化学物や水分耐性:海洋や工業環境における油,燃料,湿度への暴露に耐える.
5次元安定性:シリコンに近い熱膨張係数 (CTE) (46ppm/°C) は,半導体パッケージの溶接接部へのストレスを軽減します.

多層セラミックPCBの用途
陶磁PCBは有機PCBが失敗する環境で優れています
a.航空宇宙及び防衛:ミサイル誘導システム,レーダーモジュール,エンジンセンサー (極端な温度と振動に耐える).
b. パワーエレクトロニクス: IGBT モジュール,インバーター,モータードライブ (100 kW以上のシステムで効率的な熱消耗)
c.LED照明:高性能LED配列 (ストリートライト,工業照明) で,熱管理によりルメンの減価が防止される.
d.自動車用:ADASセンサー,電気自動車 (EV) の電源モジュール,排気システムモニター (機体内熱や化学物質に耐える).
e.通信: 5G ベース ステーション 増幅器 と 衛星 トランシーバー (高周波信号の低電圧損失).

多層セラミック PCB と 代替品 を 比較 する

多層セラミックPCB製造における将来の傾向
イノベーションはコストと複雑性の障壁を解決しています.
a.低温共燃 (LTCC):800~900°Cでシンタリングすることで銅の金属化が可能になり,コストを削減し導電性を向上させる.
b.添加剤製造:セラミック層の3D印刷は,テープ鋳造ではできない複雑な幾何学 (例えば内部冷却チャネル) を可能にします.
c.ハイブリッド設計:セラミックとFR-4層を組み合わせることで,混合信号システムの性能とコストをバランスできます.

よくある質問
Q: 多層セラミックPCBの最大層数は?
A: 通常は4~10層で,積み重ねの際のアライナメントの課題によって制限されます.高度なプロセスは,特殊な航空宇宙アプリケーションのために12~16層を達成することができます.

Q: 陶磁PCBは表面に固定された部品を使用できますか?
A: そうですが,溶接パスタは高温部品のために設計する必要があります (例えば,217°Cで溶けるSAC305溶接パスタは,セラミックPCBで動作します).

Q: 陶磁PCBは振動をどのように処理しますか?
A: 壊れやすいが,高機械強度 (Al2O3は300~400MPaの屈曲強度) のセラミックは,衝撃吸収装置を適切に搭載すると振動に弱い環境で使用できます.

Q: 陶磁PCBは RoHS に準拠していますか?
A: はい,セラミック 基板 と 金属化 材料 (タングメン,銅,ニッケル) は RoHS に 準拠 し,危険 物質 は ありません.

Q: 多層セラミックPCBの製造期間は?
A: 原型では4〜6週間,大量生産では8〜12週間.

結論
多層セラミックPCBは 特殊な技術ですが 極端な条件で動作する電子機器にとって不可欠です化学的耐性があるため 航空宇宙では 置き換えられません電力電子機器,および5Gアプリケーションは,製造コストが高くても,
材料やプロセスが進歩するにつれて (例えばLTCC,3D印刷など) セラミックPCBはよりアクセス可能になり,ニッチ市場を超えて使用を拡大します.次の世代の電子機器で彼らの潜在能力を最大限に活用するための鍵です.