高周波PCB技術 - 金属セラミック基板とは

5G通信、新エネルギー自動車、航空宇宙などのハイエンド分野が電子部品の性能に厳しい要求を提出している背景の下で、伝統的なPCB材料はすでに高出力密度、高周波信号伝送及び極端な環境適応性の需要を満たすことが困難になっている。金属セラミックス基板は、第3世代電子パッケージ基板技術として、金属の熱伝導性能とセラミックスの電気絶縁特性とを有機的に結合することにより、パワーエレクトロニクス、無線周波回路、高温応用シーンのコアキャリアとなりつつある。

一、材料革新：金属と陶磁器の完璧な融合

金属セラミックスPCBの核心はその独特な複合構造にあり、通常は金属基板、セラミックス絶縁層と導電性銅層から構成される。窒化アルミニウムセラミックス（AlN）と銅基板の複合を例にとると、窒化アルミニウムの熱伝導率は170〜230 W／m・Kに達し、銅（383 W／m・K）と勾配伝熱チャネルを形成し、セラミックスの誘電損失（0.001〜0.1）と誘電率（8〜10）特性は、ミリ波周波数帯でも信号完全性を維持できるようにした。

この材料の組み合わせは、従来のPCBの3つの痛みを解決します。

熱管理ボトルネック：一般的なFR-4基板の熱伝導率は0.3-0.4W/m・Kにすぎないが、金属セラミックスPCBは10-30W/m・Kの等価熱伝導率を実現でき、IGBTモジュールの接合温度を15-20℃低下させる。

高周波信号減衰：28GHz 5G基地局の応用において、セラミックス基板の媒体損失は伝統材料より60%減少し、信号伝送効率は3倍向上した。

環境適応性：窒化ケイ素セラミックス（Si8323 N8324）の曲げ強度は600-800 MPaに達し、銅基板のCTE（16-18 ppm/℃）とSiチップ（3-4 ppm/℃）のマッチング設計に合わせて、パワーモジュールを-55℃〜+200℃の広い温度域で5桁の信頼性を向上させた。

図　セラミック基板

二、製造技術：精密制御の複合技術

金属セラミックスPCBの製造には、3つの重要なプロセスが関与している：

直接銅被覆技術（DBC）：1065-1083℃の共晶反応により、アルミナセラミックス表面に0.3-0.5 mmの銅層を形成し、結合強度は20 MPa以上に達した。このプロセスはすでに800μm厚の銅層の安定した製造を実現し、新エネルギー自動車モータコントローラの大電流需要を満たす。

活性金属ろう付け（AMB）：Ag-Cu-Tiろう材を用いて850℃で窒化アルミニウムと銅基板の冶金結合を実現し、せん断強度が35 MPaを突破し、炭化ケイ素（SiC）パワーモジュールのパッケージに特に適している。

レーザー活性化金属化（LAM）：紫外レーザーを用いてセラミックス表面に金属ナノ粒子を励起し、0.1μm級金属化層を形成し、線幅/ピッチ（L/S）分解能が10μmに達し、高周波無線周波回路の精密配線需要を満たす。

比亜迪IGBT 6.0モジュールを例に、AMBセラミックス基板を用いて実現：

熱抵抗を0.12 K/Wに低減（従来のDBCは0.25 K/W）

パワーサイクル寿命100万回突破（DBCは30万回）

モジュールの体積が40%縮小し、システム効率が2%向上

三、応用シーン：ハイエンド製造の賦能者

新エネルギー自動車電気駆動システム：テスラModel 3 Plaidの炭化ケイ素インバータは窒化アルミニウムセラミックス基板を採用し、800 V高圧プラットフォーム下のスイッチング損失を30%低減し、航続距離を5%増加させた。

5 G通信基地局：ファーウェイ64 T 64 R AAU設備は低温共焼セラミックス（LTCC）フィルタを応用し、挿入損失は0.2 dBに減少し、帯域外抑制は15 dB上昇し、基地局カバー半径は20%拡大した。

航空宇宙分野：SpaceX星鎖衛星の位相制御アレイアンテナは窒化ケイ素セラミックス基板を採用し、-180℃から+120℃の宇宙環境で信号位相安定性±1°を維持し、アンテナ利得は3 dB上昇した。

医療レーザー設備：科医人M 22超光子計のレーザー発生器は酸化ベリリウムセラミックス基板を採用し、熱伝導率は330 W/m・Kに達し、パルスエネルギー密度を50 J/cm²に高め、治療効率を40%高める。

四、技術的課題と発展傾向

金属セラミックスPCBは顕著な優位性を示しているが、その商業化は3つの課題に直面している：

コストのボトルネック：窒化アルミニウム基板の価格はFR-4の8-10倍で、主に高純度セラミックス粉末（99.6%AlN）と精密加工設備（例えばドイツLPKFレーザードリル）に制約されている。

プロセスの複雑性：AMBプロセスは真空環境下で完成する必要があり、単線生産能力はDBCの1/3未満であり、納品サイクルは8週間以上に延長された。

信頼性の検証：自動車業界では、セラミックス基板はAEC-Q 200標準中-40℃〜+150℃の1000回の温度サイクル試験に合格しなければならないが、現在の業界の良率は85%程度にすぎない。

将来の技術発展は3つの方向に焦点を当てる：

材料のコストダウン：ナノセラミック粉末の改質技術により、アルミナ基板の熱伝導率を40 W/m・Kに引き上げ、コストを窒化アルミニウムの1/3に下げる。

技術革新：3Dプリントセラミックス基板技術を開発し、複雑なキャビティ構造の一次成形を実現し、製造周期を6週間から2週間に短縮する。

システム集積：セラミックス基板と埋め込み容量、抵抗の一体化パッケージを研究し、モジュールの体積を60%縮小し、寄生インダクタンスを2 nH以下に低下させる。

金属セラミックスPCBはハイエンドの特殊応用から主流市場に浸透している。Yole Développementの予測によると、2025年の世界セラミック基板市場規模は12億ドルに達し、年複合成長率は18%に達する。炭化ケイ素、窒化ガリウムなどの第3世代半導体装置の普及に伴い、金属セラミックスPCBはパワーエレクトロニクスシステムの性能突破の鍵となるエネルギー使用技術となり、新エネルギー自動車、スマートグリッド、工業インターネットなどの分野の技術革命を推進する。