セラミック基板｜高耐熱・高放熱で信頼性を支える

2025.08.28

セラミック基板

セラミック基板は、アルミナや窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの無機材料を焼結して得られる高剛性・高耐熱・高絶縁の配線用基板である。プリント配線板と比較して熱伝導率と絶縁耐圧に優れ、パワーエレクトロニクス、LEDパッケージ、RFモジュール、センサーなど熱・信頼性要求の高い用途で用いられる。厚膜印刷や薄膜形成、ダイレクトボンデッド銅（DBC）、活性金属ろう付け（AMB）など多様なメタライズ手法に対応し、小型高密度実装と高放熱の両立を可能にする点が特長である。

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材料と基本特性

セラミック基板に使われる代表材料はアルミナ（Al2O3）、窒化アルミニウム（AlN）、窒化ケイ素（Si3N4）である。アルミナはコストと加工性に優れ、比誘電率が中程度でRFにも使いやすい。AlNは熱伝導率が150〜200 W/m·Kと高く、パワーデバイスの放熱に有利である。Si3N4は曲げ強度や靭性が高く、機械的衝撃・熱衝撃に強い。いずれも絶縁耐圧が高く、体積抵抗率が大きい。熱膨張係数（CTE）は一般に5〜8 ppm/K程度でシリコンや金属とのマッチング設計に寄与する。

製造プロセス

セラミック基板の製造は、粉末調製→成形→焼成→研磨の流れが基本である。グリーンシート法では有機バインダーを含むシートにビアを打ち抜き、導体ペーストを充填して多層化し、ラミネート後に焼成する。低温同時焼成（LTCC）は約850℃でガラス相を含ませ厚膜回路と同時焼成し、高温同時焼成（HTCC）は>1600℃で高密度焼結を行う。単層板では焼成後に表面をラップ・ポリッシュし、寸法精度・平面度・表面粗さを整える。

回路形成とメタライズ

  • 厚膜印刷：スクリーン印刷でAg、Ag/Pd、Au、Cuペーストを印刷し焼成する。実装性とコストのバランスが良い。
  • 薄膜配線：Ti/Pt/Auなどをスパッタ成膜し、フォトリソ・エッチングで微細配線を形成する。高周波特性に優れる。
  • DBC（Direct Bonded Copper）：酸化銅反応を介してCuをセラミックに直接接合し、大電流・高放熱に対応する。
  • AMB（Active Metal Brazing）：Ti等の活性金属を含むろう材でCuやAlをAlN・Si3N4へ強固に接合する。
  • 表面仕上げ：Ni/Au（ENIG、電解Ni/Au）やAg、Sn等で実装信頼性を確保する。

これらメタライズはセラミック基板の熱抵抗低減と電気的性能の両立に直結する。導体厚・線幅線間・ビア径・スルーホール抵抗、さらには表面粗さや界面反応層の管理が、実装強度や高周波損失を左右する。

熱設計と信頼性

セラミック基板は熱拡散性に優れるが、デバイスとヒートシンク間の熱抵抗（Θjc、Θjb、TIMの寄与）を総合的に最小化する設計が要となる。CTEミスマッチによるはんだクラック、メタライズ剥離、セラミック割れを防ぐため、パッド形状の丸み付け、フィレット確保、応力緩和材の選定が重要である。熱衝撃（−40〜125℃など）や通電サイクル、湿熱、絶縁破壊（耐トラッキング）、クリープ距離・空間距離の規定を満たすことで長期信頼性を確保できる。

代表値の目安

  • 熱伝導率：Al2O3≈20〜30 W/m·K、AlN≈150〜200 W/m·K、Si3N4≈70〜90 W/m·K
  • 比誘電率（1 MHz付近）：Al2O3≈9〜10、AlN≈8〜9、Si3N4≈7〜8
  • 曲げ強度：Al2O3は中程度、Si3N4は高強度で衝撃に強い
  • 絶縁耐圧：材料・厚みに依存するが数kV/mm級が一般的

用途と実装形態

  • パワーモジュール（IGBT、SiC MOSFET）：DBC/AMB構造のセラミック基板で放熱と絶縁を両立する。
  • 高輝度LED：AlNの高熱伝導を活かし、光束維持率と寿命を向上する。
  • RF/ミリ波モジュール：薄膜配線と低損失材の組合せが有効である。
  • センサー・医療機器：化学的安定性・耐薬品性を活かし高信頼化する。
  • 真空装置・高温環境：ガラスエポキシでは難しい環境に適する。

他基板との比較

FR-4等の有機基板は低コスト・量産性に優れる一方、熱伝導率と耐熱性に制約がある。金属基板（MCPCB）は放熱性に優れるが絶縁層の厚み・熱抵抗が支配的となる。これに対しセラミック基板は高絶縁かつ高熱伝導を同時に満たし、高温・高電圧・高周波領域で優位性を示す。ただし材料費・加工費は高く、寸法や穴加工、厚銅化の条件に応じてTCO評価が必要である。

設計・実装の留意点

  1. ランド・スルーホール設計：応力集中を避けるR付与、フィレット確保、ビアのサーマルリリーフ設計。
  2. 表面仕上げ：ENIGやAg仕上げの選択は実装プロセスと保管性で決める。
  3. ワイヤボンディング：Al/Auワイヤのボンド条件とパッドメタルの相性管理。
  4. クラック対策：基板裏面の段差・角部を面取りし、固定ねじ周りの座面平滑化。
  5. 耐湿・汚染対策：コーティングやシールでリーク防止、クリープ距離確保。
  6. 洗浄・残渣管理：フラックス残渣のイオン汚染を抑え、絶縁劣化を回避。

これらを踏まえセラミック基板の熱・電気・機械のバランスを最適化すれば、高信頼かつ高性能なモジュール設計が可能となる。材料選定、メタライズ、実装・評価まで一連のプロセスを整合させることが肝要である。

規格・評価の枠組み

セラミック基板の評価では、絶縁抵抗・耐電圧、はんだ付け性、はんだ耐熱性、熱衝撃（JESD22-A104等の枠組み）、通電疲労、表面絶縁破壊（IEC 60664の考え方）などを参照し、用途別に限界値を定義する。RFではSパラメータや伝送損失、パワー用途では熱抵抗・熱拡散、機械では曲げ・衝撃・振動耐性を確認する。製造にあたってはロット間のばらつき管理、トレーサビリティ、クリーン度の確保が実用上の品質を左右する。

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