パワーエレクトロニクス基板

パワーエレクトロニクスにおける基板の役割は、電気回路（プリント基板など）を形成するための相互接続を提供し、コンポーネントを冷却することです。低電力マイクロエレクトロニクスで使用される材料や技術と比較して、これらの基板はより高い電流を流し、より高い電圧絶縁（最大数千ボルト）を提供する必要があります。また、広い温度範囲（最大 150 または 200 °C）で動作する必要があります。

直接接合銅（DBC）基板

DBC基板は熱伝導率が非常に優れているため、パワーモジュールでよく使用されます。^{[1] DBC基板は、高温酸化プロセスによって片面または両面に}銅シートが接着されたセラミック材料タイルで構成されています（銅と基板は、約30 ppmの酸素を含む窒素雰囲気中で注意深く制御された温度に加熱されます。これらの条件下では、銅と基板として使用される酸化物の両方にうまく接着する銅酸素共晶が形成されます）。上部の銅層は、焼成前に事前に形成するか、プリント回路基板技術を使用して化学的にエッチングして電気回路を形成できますが、下部の銅層は通常はプレーンなままです。基板は、下部の銅層をはんだ付けすることでヒートスプレッダに接続されます。

関連技術としては、シード層、フォトイメージング、そして追加の銅メッキを使用して、細い線（最小50マイクロメートル）と前面と背面を接続する貫通ビアを可能にします。これをポリマーベースの回路と組み合わせると、パワーデバイスをヒートシンクに直接接続する必要がなくなる高密度基板を作成できます。^[2]

DBCが他のパワーエレクトロニクス基板と比較した主な利点の1つは、熱膨張係数が低いことです。これはシリコンに近い値です（純銅と比較）。これにより、優れた熱サイクル性能が保証されます（最大50,000サイクル）。^[3] DBC基板は、優れた電気絶縁性と優れた熱拡散特性も備えています。^[4]

DBC で使用されるセラミック材料には以下のものがあります。

アルミナ（Al ₂ O ₃）は、低コストのためよく使用されます。しかし、熱伝導率はあまり良くなく（24～28 W/mK）、脆いです。^[5]
窒化アルミニウム(AlN) はより高価ですが、熱性能がはるかに優れています (> 150 W/mK)。
窒化シリコン（SiN）（90 W/mK）
_{HPS (9% ZrO 2}ドープのアルミナ) (26 W/mK)
酸化ベリリウム(BeO) は熱性能に優れていますが、粉末を摂取したり吸入したりすると毒性があるため、避けられることが多いです。

活性金属ろう付け（AMB）基板

AMB は、はんだペーストと真空下での高温 (800 °C ～ 1000 °C) を使用してセラミックベースプレートにはんだ付けされた金属箔で構成されています。AMB は電気的には DBC と非常に似ていますが、独自のプロセス要件があるため、通常は小ロット生産に適しています。

絶縁金属基板（IMS）

IMS は、薄い誘電体層(通常はエポキシベースの層) と銅層 (厚さ 35 μm ～ 200 μm 以上)で覆われた金属ベースプレート (低コストで密度が低いため、アルミニウムが一般的に使用されます) で構成されています。FR -4ベースの誘電体は、DBC 基板で使用されるセラミックに比べて熱伝導率が低いため、通常は薄くなっています (約 100 μm)。

IMS は構造上、片面基板です。つまり、銅面のコンポーネントのみを収容できます。ほとんどのアプリケーションでは、ベースプレートは、通常、熱グリースとネジを使用して、ヒートシンクに取り付けられ、冷却を行います。一部の IMS 基板には、より優れた熱性能のために銅ベースプレートが付属しています。

従来のプリント基板と比較して、IMSはより優れた放熱性を備えています。これは、表面実装部品を効率的に冷却する最も簡単な方法の1つです。^[6] ^[7]

その他の基質

パワーデバイスが適切なヒートシンクに取り付けられている場合は、熱効率の高い基板は必要ありません。従来のプリント回路基板（PCB）材料を使用できます（この方法は通常、スルーホール技術コンポーネントで使用されます）。これは、低電力アプリケーション（数ミリワットから数ワット）にも当てはまります。PCBは、熱ビアまたは幅広のトラックを使用して対流を改善することで熱的に強化できるためです。この方法の利点は、多層PCBでは複雑な回路を設計できるのに対し、DBCとIMSはほとんどが片面技術であることです。^[8]

フレキシブル基板は、低電力アプリケーションに使用できます。誘電体としてカプトンを使用して構築されているため、高温と高電圧に耐えることができます。その固有の柔軟性により、熱サイクルによる損傷に耐性があります。
セラミック基板（厚膜技術）は、信頼性が最も重要視されるアプリケーション（自動車など）にも使用できます。^[9] DCBと比較すると、厚膜技術は設計の自由度が高いですが、コスト効率は低くなる可能性があります。
IMS、DBC、厚膜基板の熱性能は、高出力モジュールの熱解析で評価されています。Van Godbold、C.、Sankaran、VA、Hudgins、JL、IEEE Transactions on Power Electronics、Vol. 12、N° 1、1997年1月、3～11ページ、ISSN 0885-8993 [4]（アクセス制限）

参考文献

^ 「Rogers DBC データシート」(PDF)。
^ 出典: Hytel Group、セラミック基板上の銅の製造業者。Wayback Machineに 1999 年 2 月 22 日にアーカイブ。
^ 出典: DBC の製造元 Curamik
^ 出典: Liu, Xingsheng (2001 年 2 月)。「パワーチップのはんだ接合部相互接続の処理と信頼性評価」バージニア工科大学学位論文 [1]
^ 出典: Liu, Xingsheng (2001 年 2 月)。「パワーチップのはんだ接合部相互接続の処理と信頼性評価」バージニア工科大学学位論文 [2]
^ 出典: The Bergquist company 2006年2月8日アーカイブ、Wayback Machineより
^ 出典: AI Technology, Inc 2007年9月28日アーカイブ、Wayback Machineより
^ 高密度電力コンバータの熱管理、Martin März、国際産業技術会議 ICIT'03 マリボル、スロベニア、2003 年 12 月 10 ～ 12 日「アーカイブコピー」(PDF)。2007 年 6 月 13 日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。2006年5 月 6 日に閲覧。{{cite web}}: CS1 maint: アーカイブされたコピーをタイトルとして (リンク)(pdf 文書、最終アクセス日 2006 年 6 月 5 日)
^ 厚膜基板のいくつかの用途と特徴の簡単な紹介 [3]

[1] 「Rogers DBC データシート」(PDF)。

[2] 出典: Hytel Group、セラミック基板上の銅の製造業者。Wayback Machineに 1999 年 2 月 22 日にアーカイブ。

[3] 出典: DBC の製造元 Curamik

[4] 出典: Liu, Xingsheng (2001 年 2 月)。「パワーチップのはんだ接合部相互接続の処理と信頼性評価」バージニア工科大学学位論文 [1]

[5] 出典: Liu, Xingsheng (2001 年 2 月)。「パワーチップのはんだ接合部相互接続の処理と信頼性評価」バージニア工科大学学位論文 [2]

[6] 出典: The Bergquist company 2006年2月8日アーカイブ、Wayback Machineより

[7] 出典: AI Technology, Inc 2007年9月28日アーカイブ、Wayback Machineより

[8] 高密度電力コンバータの熱管理、Martin März、国際産業技術会議 ICIT'03 マリボル、スロベニア、2003 年 12 月 10 ～ 12 日「アーカイブコピー」(PDF)。2007 年 6 月 13 日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。2006年5 月 6 日に閲覧。{{cite web}}: CS1 maint: アーカイブされたコピーをタイトルとして (リンク)(pdf 文書、最終アクセス日 2006 年 6 月 5 日)

[9] 厚膜基板のいくつかの用途と特徴の簡単な紹介 [3]