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PCB Blog - LTCC材料の分類と長所と短所

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PCB Blog - LTCC材料の分類と長所と短所

LTCC材料の分類と長所と短所
2023-05-05
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Author:Sabrina      文章を分かち合う

材料組成と構造区分から、これまで発展してきたLTCC材料は大きく3つの種類に分けることができる。


異種LTCC材料の相対誘電率

1、LTCC材料はガラスセラミックス系であり、すなわち前駆体はガラス材料であり、焼結過程で結晶化し、結晶相がガラスから析出し、自己成長の二相構造を形成する。このような材料のガラス相の体積率は50%〜80%である。ガラス相はこのような材料機能の主要な担体であり、少量の結晶化成分が果たす主要な役割は材料の力学的性質と熱的効果を改善することである。


このような材料は米国Ferro社が開発したFerro A 6を代表とし、その特徴は材料の微細構造が均一で、低誘電率と低損失、熱効率と力学性能を保証することができることである。その欠点は材料が単一であり、効能の調節とシリーズ化を容易に実現できないことである。


2、LTCC材料は伝統的な意味でのセラミック-ガラス複合材料であり、すなわちガラス粉体と結晶セラミック粉体を前駆体として採用し、2相複合のブロック材料を焼結する。そのうち、ガラス相が占める体積分率は20%〜50%である。その焼結特性は主にガラス相に決定され、物理特性はガラス相と結晶相の2相によって決定される。このような材料の典型的な代表は、米国デュポン社が開発したDuPont 951であり、その利点は一定の効果的な制御空間があることである。


3、LTCC材料は「ガラス結合セラミックス(Glass Bonded Ceramics)」と呼ばれ、その前駆体は結晶セラミックス粉を主体とし、低融点セラミックスを焼助剤として添加する。その構造は伝統的な意味でのセラミックス焼結体と比較的に似ているが、結晶界としてのガラスの相成分はやや高く、一般的に材料の10%〜20%(体積分率)を占めている。


このような材料の性質は主に結晶相成分に決定される。現在、このような材料に関する研究は多く報告されているが、実際の応用を得ることは少ない。このような材料は比較的に高い誘電率を得ることができる材料であり、効能の調整空間も大きく、その主な問題は比較的に強い焼助作用を持つ低溶融ガラスが材料の効能を大きく劣化させることである。

LTCC.jpg

LTCC

LTCC材料の利点

1、セラミック材料は優れた高周波、高速伝送及び広い通過帯域の特性を有する。材料の違いによって、LTCC材料の誘電率は広い範囲で変動することができ、導電率の高い金属材料を導体材料として使用することに合わせて、回路システムの品質因子を高めることに有利で、回路設計の柔軟性を追加した、


2、大電流及び耐高温特性の要求に適応でき、そして普通のPCB回路基板より優れた熱伝導性を備え、電子機器の放熱設計を大幅に最適化し、信頼性が高く、劣悪な環境に応用でき、その使用寿命を延長した、


3、層数の高い回路基板を作ることができ、そして複数の受動素子をその中に埋め込むことができ、パッケージ部品のコストを免除し、層数の高い三次元回路基板上で、受動と能動の集積を実現し、回路の組立密度を高め、体積と重量をさらに減少することに有利である、


4、他の多層配線技術と良好な適合性を有し、例えばLTCCと薄膜配線技術を結合することにより、より高い組立密度とより良い効率を実現できる混合多層基板と混合型多ウェハモジュール、


5、非連続式の生産技術は、完成品の製造前に各層の配線と相互接続孔に対して品質検査を行い、多層基板の歩留まりと品質を高め、生産周期を短縮し、コストを下げることに有利である。


6、省エネ、節材、グリーン、環境保護はすでに部品業界の発展の勢いが止まらない潮流となっており、LTCCもまさにこの発展の需要に迎合し、原料、廃棄物、生産過程でもたらした環境汚染を最大限に低減している。

LTCC.jpg


LTCC

LTCC材料の欠点

1、収縮率の問題。LTCC材料には信頼性に関する多くの難点があり、基板と配線の共焼成時の収縮率と熱膨張係数の整合問題はその中の重要な課題であり、多層金属化配線の品質に関係している。LTCC共焼時、基板とスラリーの焼結特性の不一致は主に3つの方面に現れた:


焼結緻密化完了温度が一致しない。

基板とスラリーの焼結収縮率は一致しない。


焼結緻密化速度が不整合である。これらの不整合は焼成後の基板表面の平坦さ、反り、層状化を招きやすい。不整合のもう1つの結果は、金属配線の付着力が低下することである。


2、放熱問題。LTCC基板は従来のPCB基板よりも放熱面で大きな改善が見られたが、集積度が高く、層数が多く、デバイスの動作電力密度が高いことから、LTCC基板の放熱は依然として重要な問題であり、システムの動作安定性に影響を与える決定要素の一つとなっている。


マイクロエレクトロニクス技術の進歩に伴い、デバイスの動作エネルギー密度はますます高くなり、どのようにして熱をタイムリーに効果的に放出し、デバイスの安定した動作を保障するかは、パッケージが直面する困難な挑戦である。熱伝導率の高い材料と新しいパッケージ設計を採用することは、パッケージ部品の放熱効率を高めるための一般的な方法である。


しかし、LTCC材料にとって、基板の熱伝導率が低く(2-6 W/m・K)、窒化アルミニウム基板の熱伝導率(≧100 W/m・K)よりはるかに低く、アルミナ基板の熱伝導率(15-25 W/m・K)よりもかなり低いことが明らかになった。これにより、大規模で高性能なコンピュータシステムへのLTCC材料の使用が制限されます。