セラミック基板入門
セラミック基板は現在、電子技術の分野で非常に重要な役割を果たしている。その中核は、高熱伝導性、高絶縁性、熱伝導性といったセラミック基板の長所によって決まります。では、セラミック基板とセラミック基板の優れた長所とは何でしょうか。
セラミック基板とセラミック基板の違い
セラミック基板は、電子セラミックスをベースとしたシート状の材料で、膜回路部品や外付け部品の支持基盤を形成する。
セラミック基板とは、セラミック基板（片面または両面）の表面に銅箔を高温で直接接合した特殊加工基板を指す。セラミック基板からなる超薄型複合基板は、優れた電気絶縁性、高熱伝導性、優れたはんだ付け性、高い接着強度を有し、PCB基板のように様々なパターンをエッチングすることができ、大きな可能性を秘めている。通電能力もある。そのため、セラミック基板はハイパワーパワー電子回路構造技術と相互接続技術の基本材料となっている。
要するに、簡単に言えば、基板上には回路がなく、基板上に金属回路がエッチングされているということだ。
セラミック基板の核となる利点
セラミック基板は、強い機械的応力と安定した形状を有し、高強度、高熱伝導性、高絶縁性、強力な接着力と耐腐食性、優れた熱サイクル性能を持っており、50,000回のサイクル数と高い信頼性、およびPCB基板（またはIMS基板）と互換性があり、また、様々なパターン構造をエッチングすることができます。
セラミック基板の性能要件：
- 機械的特性
十分な機械的強度を持ち、部品を運ぶだけでなく、支持部材としても使用できる。加工性もよく、寸法精度も高い；
- 電気的特性
高い絶縁抵抗と絶縁破壊電圧；低い誘電率；誘電損失が小さい；高温多湿の条件下でも安定した性能を発揮し、信頼性を確保。
- 熱特性
高い熱伝導率; 熱膨張係数は、関連する材料（特にSiの熱膨張係数）と一致; 優れた耐熱性。
- その他の物件
良好な化学的安定性; メタライズが容易で、回路パターンとそれの間の強力な接着; 非吸湿性; 耐油性、耐薬品性; 少量の放射線放出; 使用材料は無公害、無毒性; 使用温度範囲内で、内部の結晶構造は変化しない。
セラミック基板はまた、セラミック回路基板、セラミック回路基板、セラミックプリント基板などになります。
セラミック基板は、セラミック基板材料の違いによって、アルミナセラミック基板、窒化アルミニウムセラミック基板、窒化ケイ素セラミック基板、炭化ケイ素セラミック基板などに分けられ、プロセスの違いによって、DPCセラミック基板、DBCセラミック基板、AMBセラミック基板、HTCCセラミック基板、LTCCセラミック基板などに分けられ、層の数によって、単層セラミック基板、両面セラミック基板、多層セラミック基板などに分けられます。セラミック基板は良好な総合電気特性を持っています。セラミック基板は基板、支持、放熱、絶縁などの役割がある。
セラミック回路基板の主な利点
- 熱伝導率が高い；
- 熱膨張係数をより一致させる；
- 強固で低抵抗の金属皮膜層；
- 母材は溶接性が良く、使用温度も高い；
- 断熱性が高い；
- 低周波損失；
- 高密度組み立てが可能；
- 有機成分を含まず、宇宙線に強く、航空宇宙分野での信頼性が高く、長寿命；
- 銅層は酸化膜を含まず、還元雰囲気中で長期間使用できる。
セラミック回路基板の欠点
壊れやすいのが最大の欠点で、小面積の回路基板しか作れない。
価格は高価で、電子製品に対する要求や規制はますます多くなっている。セラミック回路基板は、一部の比較的ハイエンドの製品にはまだ使用されているが、ローエンドの製品には全く使用されていません。
セラミック回路基板の応用範囲
セラミック回路基板は、LED、ハイパワー半導体モジュール、半導体クーラー、電子ヒーター、電力制御回路、電力ハイブリッド回路、インテリジェント電力部品、高周波スイッチング電源、ソリッドステートリレー、エレクトロニクス、通信、航空における自動車分野 航空宇宙や軍事用電子部品などの分野は、エレクトロニクス産業のほとんどの分野を占めており、目に見えない形でエレクトロニクス産業の発展を促進していると言える。
セラミック基板とは、酸化アルミニウム（Al2O3）または窒化アルミニウム（AlN）のセラミック基板の表面（片面または両面）に銅箔を高温で直接接合した特殊なプロセス基板を指す。製造された超薄型複合基板は、優れた電気絶縁性、高熱伝導性、優れたはんだ付け性、高い接着強度を有し、PCB基板のように様々なパターンをエッチングでき、大きな通電容量を持つ。そのため、セラミック基板は大電力パワー電子回路構造技術と相互接続技術の基本材料となっている。
セラミック基板の分類
製造工程による分類：
セラミック基板は、主に平面セラミック基板と立体セラミック基板に分けられる。
主なフラットセラミック基板プロセスは、薄膜セラミック基板（TFC）、厚膜印刷セラミック基板（TPC）、直接接合銅セラミック基板（DBC）、活性金属溶接セラミック基板（AMB）、直接電解銅セラミック基板（DPC）に分けることができます。
主な三次元セラミック基板は、高温同時焼成セラミック基板（HTCC）と低温同時焼成セラミック基板（LTCC）に分けられる。
現段階で一般的なセラミック放熱基板の種類には、以下のようなものがある：HTCC、LTCC、DBC、DPC、AMBなど。
HTCC (高温同時焼成セラミック）：先に開発された技術である。セラミックスに融点の高いWやMoなどの金属パターンを共焼成して得られる多層セラミック基板である。しかし、焼結温度が高いため電極材料の選択肢が限られ、製造コストも比較的高いことから、LTCCの開発が進められてきた。
LTCC (低温同時焼成セラミック）：LTCC技術により、同時焼成温度を約850℃まで下げることができる。金属パターンを印刷したセラミック振動板を複数枚積層して同時焼成することで、3次元空間に回路を配線することができる。LTCCはパッシブ集積の分野で優れた利点を持ち、3C、通信、自動車、軍事などの市場で広く使用されている。三大受動素子（抵抗器、コンデンサ、インダクタ）および各種受動素子（フィルタ、トランスなど）を多層配線基板に実装し、能動素子（パワーMOS、トランジスタ、ICモジュールなど）と一体化して完全な回路システム（SiPなど）にすることができます。現在では、各種携帯電話、ブルートゥース、GPSモジュール、WLANモジュール、WIFIモジュールなどに広く使用されている。さらに、製品の高い信頼性により、カーエレクトロニクス、通信、航空宇宙・軍事、マイクロエレクトロメカニカルシステム、センサー技術などに広く使用されている。その他の分野での応用も増加している。
データ処理センター (Direct Plating Copper）：セラミック薄膜加工をベースに開発されたセラミック回路加工技術。回路基板にセラミックスを用い、スパッタリング法で基板表面に金属層を複合化し、電気めっきやフォトリソグラフィ工程で回路を形成する。
デービーシー (Direct Bonded Copper）：Al2O3やAlNセラミックスの表面に銅箔を高温でホットメルトボンディング法により直接焼結した複合基板。
エーエムビー (アクティブ・メタル・ブレージング）：AMBはDBC技術をベースに開発された。約800℃の高温で、活性元素であるTiとZrを含むAgCuはんだがセラミックスと金属の界面を濡らし、反応してセラミックスと金属の異種接合を実現する。
まとめると、上記5大プロセスのうち、HTCCLTCCはいずれも焼結プロセスであり、コストは高くなる。DBCとDPCは、近年中国で開発・成熟した量産可能な専門技術である。DBCは高温加熱でAl2O3とCu板を結合させる。技術的なネックは、Al2O3板とCu板の間の微細孔の問題を解決するのが容易ではないことである。これは、この製品の量産エネルギーと歩留まりに、より大きな課題を投げかけている。DPC技術は、Al2O3基板上にCuを析出させる直接銅めっき技術を使用します。このプロセスは、材料と薄膜プロセス技術を組み合わせたものである。その製品は、近年最も一般的に使用されているセラミックヒートシンク基板である。しかし、その材料制御とプロセス技術の統合能力は比較的高く、DPC産業に参入し、安定生産を達成するための技術的な敷居は比較的高い。
従来の製品に比べ、AMBセラミック基板は高温でセラミックと活性金属はんだペーストの化学反応により接合されます。そのため、接合強度が高く、信頼性に優れています。コネクタや大電流容量のものに非常に適しています。高い放熱性が要求される場面。特に、新エネルギー自動車、鉄道輸送、風力発電、太陽光発電、5G通信など、厳しい性能が要求されるパワーエレクトロニクスやハイパワー電子モジュールは、AMBセラミック銅張積層板に対する大きな需要があります。
素材による分類：
セラミック基板の主な材料には、酸化ベリリウム（BeO）、酸化アルミニウム（Al2O3）、窒化アルミニウム（AlN）、窒化ケイ素（Si3N4）などがある。
セラミック粉末は、セラミック基板の物理的・機械的特性に影響を与える重要な要素です。粉末の純度、粒子径、相、酸素含有量などは、セラミック基板の熱伝導率や機械的特性に重要な影響を与えます。その特性はまた、基板の形成プロセスや焼結プロセスの選択も決定します。
BeO セラミックは熱伝導率が高いが、毒性があり、製造コストが高いため、生産と応用が制限されている。
Al2O3 セラミック基板は、安価で耐熱衝撃性に優れているため、広く使用されてきた。しかし、熱伝導率が比較的低く、熱膨張率が不揃いであるため、高出力化・小型化の方向にあるパワーデバイスの発展にはもはや十分に対応できない。
の利点 窒化アルミニウム そして Si3N4 膨張係数と熱伝導率の点で、セラミック基板は将来の開発方向と考えられている。Si3N4の曲げ強度は大幅に改善され、設計者はその恩恵を受けている。その破壊靭性はジルコニアドープセラミックスのそれをも上回り、90W/mKの熱伝導率で6.5~7MPa/√mに達する。
主要セラミック基板プロセス技術の今後の成長と市場分析
HTCCセラミック基板の将来市場分析：
中国は現在世界最大の消費者市場であり、2022年には市場の26.8%を占め、次いで北米が17%、日本が16.0%、ヨーロッパが15.8%となる。今後数年間は中国が最も急成長すると予想される。
世界のHTCC市場の売上高は、2022年には196億元に達し、2029年には289億元に達すると予想され、年平均成長率（CAGR）は5.67%（2023-2029）となる。
地域別に見ると、中国市場はここ数年で急速に変化している。2022年の市場規模は52億元で、世界市場の約26.8%を占める。2029年には91.9億元に達し、世界シェアは31.7%に達すると予想される。
LTCCセラミック基板の将来市場分析：
5G通信は、小型化、軽量化、低コスト化、高性能化など、端末電子部品に求められる技術開発要件を前面に押し出している。LTCCには、低コスト、多様で柔軟な設計、優れた高周波マイクロ波性能という利点がある。5GやInternet of Everythingの時代にも適用できる。車載エレクトロニクス、コンピューター、遠隔医療、スマートホーム、高周波通信など、さまざまな応用シナリオと高周波通信モバイル端末。5GとInternet of Everythingの時代には、高性能LTCC製品の開発が急務となる。今後、5Gアプリケーション、Internet of Everything、その他の市場の発展に伴い、LTCC製品に対する国内需要はさらに高まるだろう。Guanyan Tianxiaの予測によると、国内のLTCC市場規模は2025年までに90億3800万元に達する。
DBCセラミック基板の将来市場分析
APOの統計と予測によると、世界のDBCセラミック基板市場の売上高は、2022年にUS$4億300万ドルに達し、2029年にはUS$7億6,700万ドルに達すると予測され、年平均成長率（CAGR）は9.71%（2023-2029年）である。
世界のDBCセラミック基板の中核メーカーには、Rogers Corporation、Ferrotec、KCC、Hefei Shengda、Heraeusなどが含まれる。上位5社の世界市場シェアは約80%である。アジア太平洋地域が約68%のシェアで最大市場であり、次いで欧州が24%、北米が7%である。製品の種類では、アルミナとZTA DBCセラミック基板が最大セグメントで、市場シェアの約85%を占めている。川下製品では、新エネルギー自動車が最大の川下分野で、市場シェアの59%を占めている。
現在、DBCセラミック基板の川上のセラミックパウダーとホワイトボードは、主に日本のメーカーが独占している。現在、窒化アルミニウムセラミック基板ホワイトボードとアルミナセラミック基板ホワイトボードでは国内メーカーが重要なシェアを占めているが、ハイエンド分野では依然として日本メーカーが優勢である。
DPCセラミック基板の将来市場分析
世界のDPCセラミック基板市場規模は、2022年にUS$2億6,000万ドルとなり、2023年にはUS$2億7,300万ドルに達すると予想される。DPCセラミックパッケージ基板は、高密度、高精度、高信頼性という将来の発展方向により合致している。世界のDPCセラミック基板市場は、今後数年間成長を続けるだろう。
DPCセラミック基板は主にLED分野で使用されており、69%を占めている。世界には多くのDPCセラミック基板メーカーがあり、上位4社で世界のDPCセラミック基板市場の59%を占めている。
AMBセラミック基板の将来市場分析
現在、AMBプロセスを用いた窒化アルミニウム・セラミック基板（AMB-AlN）は、主に高速鉄道、高電圧コンバータ、直流送電などの高電圧・大電流のパワー半導体に使用されており、AMBプロセスを用いた窒化ケイ素・セラミック基板（AMB-SiN）は、主に電気自動車（EV）やハイブリッド車（HV）のパワー半導体に使用されている。今後数年間で、窒化ケイ素セラミック基板（AMB-SiN）はさらに急成長すると予想される。[AMBセラミック基板] 新エネルギー自動車の旺盛な需要のおかげで、パワーモジュールの需要が急成長し、AMBセラミック基板の需要が増加しています。さらに、新エネルギー発電、特に太陽光発電、風力発電などは、ロシア・ウクライナ戦争を背景に、エネルギー安全保障は世界の重要な国の核心的な関心事の一つであり、急速な成長を維持するでしょう。
SiCMOSがメインドライブインバータに供給され始めると、インバータに必要なSiCMOS面積の増加に伴い、セラミック基板の生産能力消費量が急増する。2024年には、炭化ケイ素車種の普及率が急速に上昇し、新エネルギー車分野がAMBセラミック基板の最大需要分野になると予想される。その中で、世界のAMBセラミック基板市場の売上高は、2022年に$4億3,300万USドルに達し、2029年には$28億7,200万USドルに達すると予想され、年平均成長率（CAGR）は26.0%（2023-2029）となる。AMBセラミック基板産業が新技術を研究した後、2029年には174億元に達すると予想される。
