セラミック材料に関しては、米国をはじめとする欧米諸国が非常に早くからAl2O3セラミックの研究と応用を開始しており、Al2O3セラミックのメタライゼーションの分野でも研究を進めているため、電子パッケージング分野でのAl2O3セラミックの応用に対して、より完全な技術的サポートと応用を提供しています。より信頼性の高いアプリケーション性能。
セラミック基板の現状：材料の多様化、構造の統合化
近年、電気自動車、電気機関車、半導体照明、航空宇宙、衛星通信などが急速な発展段階に入っている。電子機器は高出力化、高周波化、高集積化の方向に発展している。その部品は、作業中に大量の熱を発生する。この熱を時間内に放散できなければ、チップの作業効率に影響を与え、半導体デバイスの損傷や故障の原因にさえなります。電子デバイスの場合、通常、温度が10℃上昇するごとに、デバイスの有効寿命が30%から50%短くなる。
そのため、電子機器の作業工程の安定性を確保するために、回路基板の放熱能力に対する要求が高くなっている。従来の一般的な基板や金属基板では、現在の作業環境における用途を満たすことはできません。セラミック基板は、良好な絶縁特性、高強度、小さな熱膨張係数、優れた化学的安定性と熱伝導性で際立っており、現在のハイパワーデバイス機器に要求される性能要件を満たしています。
| 素材構成 | 融点 (℃) | 密度 (g/cm³) | 熱伝導率(W-(m-℃)^1) | CTE (10^-6 ℃^-1) | 概要 |
|---|---|---|---|---|---|
| アルミナ | 1860 | 3.63 | 20~30 | 6.0~8.0 | コストパフォーマンスが高い。 |
| 窒化アルミニウム | 2470 | 3.26 | 140~240 | 3.3~5.0 | 優れた性能、高価な価格 |
| 酸化ベリリウム | 2350 | 3.03 | 200~240 | 6.8 | パウダーは有毒である。 |
| 炭化ケイ素 | 2830 | 3.2 | 250~270 | 3.7~4.2 | 硬度が高く、絶縁性が低い |
| 窒化ホウ素 | 3000 | 2.27 | 55~60 | 2.0~3.0 | 硬度が高く、加工が難しい |
アルミナセラミックス has the advantages of rich sources of raw materials, low price, high insulation, thermal shock resistance, chemical corrosion resistance and high mechanical strength. It is a ceramic substrate material with good comprehensive performance, accounting for 80% of the total ceramic substrate materials. %above. However, due to its relatively low thermal conductivity (the thermal conductivity of 99% alumina is about 30W/(m·K)) and high thermal expansion coefficient, it is generally used in automotive electronics, semiconductor lighting, electrical equipment and other fields.
応用研究の継続的な深化に伴い、より多くのセラミック材料が科学研究と産業界の注目を集めている。
の熱伝導率である。 窒化アルミニウムセラミックス はアルミナセラミックスの6～8倍であるが、熱膨張係数はわずか50%である。さらに、絶縁強度が高く、誘電率が低く、耐食性に優れているという利点もあります。窒化アルミニウム・セラミックスは、アルミナ・セラミックスよりも高いコストに加え、全体的な特性も優れています。これは理想的な電子パッケージ基板材料であり、特に高い熱伝導率が要求される分野に適しています。
既存のセラミック基板材料の中で Si3N4セラミック基板 は、高硬度、高機械的強度、高温耐性と熱安定性、低誘電率と誘電損失、耐摩耗性、耐食性などの優れた特性により、総合的な材料と考えられています。最高の性能を持つセラミック材料は、現在IGBTモジュールのパッケージで好まれており、徐々にAl2O3やAlNセラミック基板に取って代わりつつあります。
セラミック基板材料としては、上記のセラミック材料のほか、酸化ベリリウム（BeO）、炭化ケイ素（SiC）、窒化ホウ素（BN）なども使用できる。
SiC多結晶の熱伝導率は67W/(m・K)しかない。SiC多結晶の熱伝導率はわずか67W/(m・K)である。また、SiC材料の誘電率は40であり、AlNセラミックスの中で最も高い。4倍であり、高周波用途には限界がある。BN材料は総合的な性能は良いが、基板材料としては際立った利点がなく、高価で、半導体材料の熱膨張係数と一致しない。現在も研究中である。
セラミック基板は、その開発以来、構造や製造プロセスの面で、HTCC、LTCC、TFC、DBC、DPCなどさまざまな形態に発展してきた。
| メタライゼーション工程 | 熱伝導率 (W/(m-K)) | プリント回路プロセス温度 (℃) | 回路作成方法 | コスト |
|---|---|---|---|---|
| データ処理センター | 20-200 | 200-300 | 薄膜＋電気めっき | より高い |
| デービーシー | 20-200 | 1065-1085 | 高温ボンディング | 高い |
| エーエムビー | 20-220 | 800 | 高温ファイバー溶接＋エッチング＋無電解めっき | 最高 |
| HTCC | 16-17 | 1300-1600 | 厚膜焼結 | 最高 |
| LTCC | 2-3 | 850-900 | 厚膜焼結 | 高い |
HTCC/LTCC基質 は、グリーンシート（金属スルーホールの配列）を多層に重ね合わせ、焼結することで作製されるため、基板内の垂直配線を実現し、パッケージング集積度を向上させることができる。DPCセラミック基板は、レーザードリル加工（開口部は一般的に60μm～120μm）と電解メッキ穴埋め技術を使用して金属スルーホールを準備することができます。穴は電気めっきされ、高密度の銅柱で充填されるため、電気伝導性と熱伝導性に優れ、セラミック基板上の上下回路層間の垂直相互接続を実現することができます。これをベースに、電解メッキによる厚膜化などの技術でダムを作製することで、ダム構造を含む三次元セラミック基板を得ることができる。
幅広い市場の見通し
世界のセラミック基板市場は活況を呈しており、市場規模は着実に拡大している。
West China Securities Research Instituteのレポートによると、世界のセラミック基板市場規模は2020年にUS$89億ドルに達する。2026年には94.27%増加の$172.9億USドルに達すると予想され、市場の見通しは幅広い。
高出力IGBTモジュールがDBC/AMBセラミック基板市場の拡大を促進し続ける
DBCセラミック基板は高強度、高熱伝導性、安定した接合性を持ち、AMBセラミック基板はDBCをベースに開発され、接合強度が比較的高い。近年、新エネルギー自動車と太陽光発電エネルギー貯蔵産業の急速な発展に伴い、IGBTパワーモジュールの需要が急増しており、DBCセラミック基板とAMBセラミック基板の需要も増加し続けている。現在、DBCセラミック基板の主要メーカーは、ロジャース、ヘレウスグループ、韓国化学工業などであり、AMBセラミック基板の主要メーカーは、ロジャース、京セラジャパン、丸和ジャパンなどである。
LED需要の増加
LEDチップには極めて厳しい放熱要件があり、車載用照明はAlN基板の需要をさらに高めるだろう。現在、1Wのシングルチップ高出力LEDが工業化され、3W、5W、さらには10Wのシングルチップ高出力LEDも上市され、一部は市場に投入されている。これにより、超高輝度LEDの用途は拡大を続け、特殊照明市場から一般照明市場へと徐々に移行している。LEDチップの入力電力が増加し続けるにつれて、これらの高出力LEDのパッケージング技術に対する要求も高くなっている。従来の基板は高出力の熱エネルギーを運ぶことができないが、窒化アルミニウム・セラミックスは熱伝導性と絶縁性に優れ、LEDの出力レベルと発光効率を向上させることができる。パワーLEDは、大型屋外ビルボード、小型ディスプレイのバックライト、車両照明、屋内照明、特殊照明などに広く使用されている。
第3世代の半導体SICが加速 - AMBは急速に恩恵を受ける
SiCは加速しており、AMBはその恩恵を受けている。Si3N4セラミック基板の熱膨張係数は、第3世代の半導体基板であるSiC結晶の熱膨張係数に近く、SiC結晶材料とのマッチングが安定している。国内のAMB技術はある程度蓄積されているが、製品はAIN-AMB基板が中心。Si3N4基板技術が遅れているため、中国ではSi3N4-AMBの商業生産はまだ実現していない。核心技術は米国、ドイツ、日本などがマスターしている。
要約する
良好な熱伝導性、耐熱性、高絶縁性、高強度、低熱膨張性、耐食性、耐放射線性などのセラミックスの長所を考慮して、セラミック基板はパワーデバイスや高温電子デバイスのパッケージに広く使用されています。現在、セラミック基板材料には主にAl2O3、AlN、Si3N4、SiC、BeO、BNなどがあります。Al2O3とAlNは総合的な特性が優れているため、それぞれローエンドとハイエンドのセラミック基板市場の主流を占めている。Si3N4基板は、曲げ強度が高いため、将来的に高出力、高温のパワーエレクトロニクス・デバイス（IGBTなど）に使用されると予想される。パッケージングの分野は重要な役割を果たしている。技術と構造の面では、今後セラミック基板は主に高精度化、小型化、高集積化の方向で発展し続けるだろう。
