DPC、DBC、LTCC、HTCCの中から最適なセラミック基板製造プロセスを選択する

DPC、DBC、LTCC、HTCCは、同じセラミック基板の互換性のあるバージョンではありません。DPCとDBCは、焼成済みの基板に銅を積層します。LTCCとHTCCは、導体、ビア、セラミック層を一体化してから同時焼成します。DPCは微細な表面構造に、DBCは厚い銅層と放熱性に、LTCCはコンパクトな多層構造に、HTCCは非常に高い動作温度や高い気密性が求められる用途に適しています。

最終的な選択は、基板材料、銅の厚さ、回路密度、パッケージ形状、動作条件、および体積によっても左右されます。セラミックが果たすべき機能に合わせて製造方法を選択してください。

最初の決定事項は、表面金属化か同時焼成かである。

まず、設計において、完成したセラミックプレート上に回路を実装する必要があるのか​​、それとも埋め込み構造を備えた一体型ボディが必要なのかを検討します。DPCとDBCは、焼成後にアルミナまたは窒化アルミニウム上に銅回路を形成するプロセスです。セラミックが絶縁性、安定性、および短い熱伝導経路を提供する多くの電源、LED、レーザー、およびRFアセンブリに適しています。

LTCCとHTCCは、未焼成のセラミックテープから始まります。パターン化された層が積層され、セラミックと金属化層が一緒に焼成されます。これにより、埋め込み配線、空洞、チャネル、およびコンパクトな3次元パッケージが可能になります。 フラウンホーファーIKTSによるLTCCおよびHTCCの概要 多層構造、気密性、高周波性能、温度安定性を特長としています。

4種類のセラミックPCB製造プロセスの違い

金属の添加方法、各経路で有利な導体構造、多層構造が必然的に採用されるかどうかを比較してください。表は標準的な設計適合性を示しています。最終的な制限値はメーカーによる確認が必要です。

微細な表面形状と制御された銅の堆積のためのDPC

DPCは、アルミナまたは窒化アルミニウム上に比較的細い配線、小さなパッド、または高精度な表面形状を形成するための優れた出発点となります。シード層の堆積、イメージング、および電気めっきにより、パターニング後に銅を形成できます。DBCスタイルの厚銅を必要としないセンサーキャリア、光電子モジュール、RF回路、および小型電源デバイスに適しています。めっきは電流容量と実現可能な間隔に影響するため、最終的な銅の厚さを指定してください。

厚い銅と熱拡散のためのDBC

DBCは、比較的厚い銅をセラミックに直接接合し​​ます。放熱性と電流処理能力が配線密度よりも重要なIGBT、SiC、GaN、インバータ、充電器、高出力LED構造に適しています。銅の厚さ、絶縁距離、銅のバランス、エッジクリアランス、ヒートシンクとの接合面を確認してください。基板に非常に細い配線、高密度パッド、または埋め込み配線が必要な場合、厚い銅が制限要因となる可能性があります。

コンパクトな多層集積化のためのLTCC

LTCCは、配線層、ビア、受動素子、空洞、または流体構造を統合したパッケージに適しています。低い同時焼成温度により、小型RFフロントエンド、センサー、マイクロ波モジュールで使用される導体システムに対応できます。設計者は、テープの収縮、誘電体特性、ビアの形状、およびセラミックと金属が一体のシステムとして認定されている点を考慮する必要があります。材料を変更すると、より広範な再認定が必要になる場合があります。

高温対応および気密パッケージ用HTCC

HTCCは、より高い焼成温度と耐火金属化システムを用いて、緻密な多層構造を形成します。高温または過酷な環境にさらされる密閉パッケージ、フィードスルー、センサー、電子機器などに適しています。LTCCと比較すると、導体や統合オプションは限られますが、温度範囲と材料の種類が異なります。セラミック本体、内部導体、密閉パッケージが一体構造として機能する場合に、HTCCは高い価値を発揮します。

それぞれのプロセスが実際にどのように使用されるか

製品と結びついている場合、プロセス名を判断するのは容易です。4つの製造プロセスはセラミック基板市場の異なる分野で優位を占めており、それぞれのプロセスが既に実績のある分野を把握することで、選択に関する議論を大幅に短縮できます。

DPCの実践例。 直接めっき銅は、銅の質量よりも表面の微細な形状が重要なRFおよび光アセンブリ、センサーパッケージ、LED基板、熱試験基板などに最もよく用いられます。金型が比較的軽量であるため、DPCは試作品や少量生産のセラミック製品の製造も数多く手掛けており、より厚い銅めっき工程に入る前に実施される設計検証用試作品の製造も行っています。

DBCの実践例。 ボンディング銅は、電気自動車のトラクションインバータ、車載充電器、太陽光発電用ストリングインバータ、産業用モータードライブ、そしてそれらに内蔵されるIGBTやSiCモジュールなど、パワーエレクトロニクス分野で主流となっています。大電流と基板を通して熱を逃がす必要性を両立させる設計は、通常ボンディング銅を採用することになり、銅の厚さがミクロン単位ではなくミリメートル単位の場合には、ボンディング銅が依然として標準となっています。

LTCCの実践例。 同時焼成テープは、コンパクトな多層構造の集積に適しています。例えば、車載レーダーのフロントエンド、RFおよびミリ波モジュール、埋め込み型医療機器、空洞やチャネルを備えたMEMSセンサーパッケージ、そして小型フットプリントに埋め込み型受動部品を活用する航空電子機器アセンブリなどが挙げられます。また、電気配線と流体または機械的な機能を単一の筐体内に組み合わせる必要がある場合にもよく用いられます。

HTCCの実践例。 耐火金属化は、最も過酷な環境に対応します。例えば、密閉型センサーおよび検出器パッケージ、石油・ガス用坑内電子機器、航空宇宙・防衛機器、高温自動車用センサー、マイクロ波管アセンブリなどです。パッケージが数百℃の高温に耐え、真空状態を維持し、繰り返しの熱衝撃に耐える必要がある場合、HTCCは多くの場合、唯一実用的なセラミックプロセスとなります。

コスト要因：4つのプロセスを比較すると

セラミック基板のコストは通常​​、単一の数値として議論されますが、これは4つの工程でそれぞれ異なる費用が発生しているという事実を覆い隠しています。試作品段階では、金型、セットアップ、検査が主な費用項目となりますが、量産段階では、歩留まり、パネル利用率、仕上げ工程が費用の主要因となります。

実際的な結果として、試作品の見積もりは量産価格についてほとんど何も示さない。初期費用が低い方法でも、層数、銅箔厚、気密性要件が増加すると、コストが高くなる可能性がある。比較が意味を持つのは、両方の量産品について、同じ積層構成、パネルサイズ、検査レベルで見積もりを行った場合のみである。

そのため、UMECではセラミック基板プロジェクトを2段階で検討します。まず、金型、セットアップ、小規模生産を含む試作見積もりを作成し、次に、目標生産量における歩留まり、パネル利用率、テストコストを予測する生産モデルを作成します。プロセスに着手する前に両方を検討することで、試作段階ではうまくいった方法が量産には不向きだったというよくある事態を回避できます。

プロセス選択におけるよくある間違い

負荷の優先順位付けを行う前に、処理方法を選択する。 厚い銅線、細い配線、そして気密性という3つの要素は、一つの設計の中で必ずしも両立するとは限りません。電力処理能力を重視してDBC（デジタル・ブラック・コンポジション）を選択しながら、極めて細い配線を要求するようなプロジェクトは、不必要な矛盾を生み出します。通常、レイアウト段階に入る前に、最も負荷の大きい要素を優先的に考慮することで、こうした矛盾は解消されます。

LTCCとHTCCを、DPCとDBCのプレミアムバージョンとして扱う。 同時焼成プロセスでは、材料系、収縮挙動、使用可能な導体の選択肢が変わります。表面金属化基板から引き継がれた設計ルールは、修正なしには適用できず、同時焼成中にこのことが判明した場合のコストは、再描画ではなく、金型費用で測られます。

異なる前提に基づいた見積もりを比較する。 セラミックの見積もりは、積層構成、銅板の厚さ、最小仕様、パネルサイズ、検査基準が一致する場合にのみ比較可能です。異なる前提条件に基づいて作成された見積もりは、同じ設計であっても異なる数値を示すため、価格が安いほどリスクが高くなります。

ダイアタッチ、ワイヤボンディング、はんだ付け、ヒートシンク接点、気密性試験など、あらゆる工程がセラミックの選択を制約します。回路に適合しても組み立て手順に合わないプロセスでは、結局は失敗に終わり、しかも金型費用を支払った後に失敗することになります。そのため、UMECはセラミック金型を出荷する前に、回路と組み立ておよび試験手順を綿密に検討します。

これらのミスはどれも、設計段階で回避すれば費用はかかりません。しかし、金型製作や材料投入が始まってしまうと、ほぼすべてが高額な費用につながります。

実際のデザインのための選択ワークフロー

1. アーキテクチャを定義します。表面金属化を選択します。線幅やコストを比較する前に、基板と同時焼成多層パッケージを比較検討する必要があります。
2. 最も負荷が大きいものをランク付けしてください。 設計が電流、熱流束、RF損失、絶縁電圧、動作温度、またはパッケージサイズによって制限されているかどうかを明記してください。
3. 形状と導体ターゲットを設定します。 最小線幅と間隔、銅箔厚、パッドサイズ、ビア構造、基板寸法、および埋め込み層や空洞の有無を指定してください。
4. セラミックシステムを選択してください。 アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、および独自のLTCCまたはHTCCテープは、それぞれ異なる熱特性、機械的特性、誘電特性、および加工特性を有しています。
5. 組み立てと信頼性を確認する。 ダイアタッチ、はんだ付けまたはワイヤボンディング、ヒートシンク接触、熱サイクル、気密性、表面仕上げ、および検査要件を含めます。
6. 生産経済性を検証する。 工具、パネル利用率、プロセス歩留まり、検査、および生産量を比較してください。必要な形状や信頼性を維持できないプロセスでは、単価が安くても意味がありません。

材料と形状が依然として製造可能性を左右する。

プロセスラベルは、その設計上の限界から切り離すことはできません。UMECの 公開されているセラミック基板の性能表 標準材料としてアルミナと窒化アルミニウム、DPCと電気めっき、0.8/0.8ミルまでの高度なラインとスペース、最大28オンスの外側銅、0.06mmまでの高度なレーザー穴あけ加工が挙げられています。これらは個別の制限であり、あらゆる極端な仕様を1つの製造で組み合わせられることを保証するものではありません。

積層構造に特化したDFMレビューを依頼してください。銅箔の厚さはエッチングと間隔に影響を与え、セラミックの厚さと基板サイズは取り扱いと平面度に影響を与えます。製造元は、どの制限が同時に適用されるかを確認する必要があります。

プロセス選定前にサプライヤーに送るべきもの

Gerber または ODB++ データ、機械図面、基板および銅仕様、最小特徴、穴チャート、表面仕上げ、動作条件、冷却方法、組立工程、信頼性試験、および数量を送信します。アーキテクチャがまだオープンな場合は、 PCB設計およびレイアウトレビュー 構造がDPC、DBC、LTCC、またはHTCCのいずれの方向を向いているかを示すことができます。

サプライヤーの評価では、材料のトレーサビリティ、金属化管理、寸法および電気的テスト、表面仕上げ、亀裂、反り、銅欠陥の管理を網羅する必要があります。製造業者の 品質保証および検査プロセス そして、選択したルートと生産受入基準に適用される検査項目を尋ねてください。

結論

微細表面回路にはDPC、厚銅箔や放熱用途にはDBC、集積多層膜にはLTCC、高温用途や気密パッケージにはHTCCを選択してください。この選択は、材料、形状、電気負荷、熱伝導経路、組み立て、信頼性、および生産量と関連付けて検討する必要があります。

よくある質問

電源モジュールにおいて、DPCはDBCの代替となり得るか？

場合によっては。DPCはより微細な構造に適していますが、銅の厚さ、電流、放熱性、および熱サイクルに関する目標値を満たす必要があります。厚い銅が電源経路を定義する場合は、DBCの方がより良い出発点となります。

RF設計において、LTCCは常にHTCCよりも優れているのでしょうか？

いいえ。LTCCは小型RF多層膜に適している場合が多く、HTCCは温度安定性、気密パッケージ、または環境耐久性に適している場合があります。使用周波数と温度において、適合する材料システムを比較してください。

どのセラミック基板製造プロセスが最も微細な配線に対応しているか?

DPCは一般的に最も精緻な表面パターンを実現します。実際のラインとスペースは、銅箔の厚さ、基板、イメージング、基板サイズ、歩留まり目標によって異なるため、レイアウトについてはメーカーにご確認ください。

セラミック材料は、工程前に選択すべきでしょうか？?

これらを一緒に選択してください。アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、および同時焼成テープは、それぞれ異なる熱的、機械的、誘電的、金属化、およびコスト上の制約を課します。

プロセス適合性チェック

プロジェクト固有の決定については、 セラミック基板の製造工程レビューを依頼する UMEC社から、図面、積層構成、基板、銅厚、最小仕様、動作条件、組立方法、信頼性目標、数量に関する情報を提供してください。