窒化アルミニウムPCB

窒化アルミニウム(ALN)は、特殊な窒化アルミニウムである。 セラミックPCB基板 は、その卓越した熱伝導性、耐薬品性、絶縁耐力で有名な材料である。その驚くべき熱伝導率は 120~200 W/m-Kそのため、高電力損失、高周波動作、過酷な環境条件にさらされることを特徴とする、要求の厳しい電子機器アプリケーションに特に適している。

FSテクノロジーは、以下のような専門知識と能力を備えています。 1-2層 窒化アルミニウムPCBは、包括的な電子アセンブリサービスとともに、お客様の調達プロセスを合理化します。以下のセクションでは、この最先端のPCB技術について詳しく紹介し、その特徴と利点を包括的に理解できるようにします。

窒化アルミニウムセラミックPCBの材料特性

  • 熱伝導率: 窒化アルミニウムセラミック基板は、通常120~200W/m・Kの高い熱伝導率を示します。この優れた特徴により効率的な熱放散が可能となり、パワーエレクトロニクスやRF/マイクロ波デバイスなど、効果的な熱管理を必要とするアプリケーションに最適です。
  • 電気絶縁: これらの回路基板は優れた電気絶縁特性を有しています。高耐圧と低電気損失により、信頼性の高い絶縁を実現し、電磁干渉(EMI)を最小限に抑えます。この特性は、電気部品の完全な絶縁が必要な用途に極めて重要です。
  • 誘電率: 窒化アルミニウム・セラミック基板はまた、8から10の範囲で高い誘電率を示します。この特性は高周波用途に特に有利で、信号伝搬を高め、信号損失を低減します。
  • 熱膨張: 窒化アルミニウムの熱膨張係数(CTE)はシリコンの熱膨張係数に似ているため、シリコンベースの部品との互換性が容易です。これにより、基板材料とシリコンデバイスの両方を使用する電子部品アセンブリにおいて、熱応力と故障のリスクを最小限に抑えることができます。
  • 機械的強度: これらの基板は強固な機械的強度を有し、機械的ストレスに耐え、構造的安定性を提供する。この弾力性により、自動車用電子機器、航空宇宙システム、および、自動車用電子機器に適しています。 産業用PCBA 耐久性と信頼性を必要とする
  • 化学的安定性: 窒化アルミニウムは化学的に不活性で、腐食条件に対して耐性があり、AlNセラミックPCBの安定性と寿命を保証します。この特性は、基板が湿気、化学物質、または他の腐食剤にさらされる可能性のある過酷な動作環境において非常に貴重です。
  • 機械加工性: 基板上の複雑な形状や特徴を実現するための機械加工が可能です。この機能により、複雑な形状やヒートシンク構造を持つカスタマイズされたPCB設計の製造が容易になり、特定のアプリケーション要件に対応できます。
  • 密度が高い: これらの基板材料は密度が低く、通常約3.26g/cm³である。この軽量特性により、軽量な基板の設計が可能になり、携帯電子機器や航空宇宙システムなど、軽量部品が重要な用途で有利になります。
  • 耐紫外線性: 窒化アルミニウムセラミック回路は、紫外線(UV)に対して優れた耐性を示し、劣化や損傷なしに長時間のUV照射に耐えることができます。この特性は、屋外で使用される電子機器やUV殺菌装置で威力を発揮します。
  • 温度耐性: これらの基板は卓越した熱安定性を示し、高温に耐えることができます。約2200℃という高い融点を持ち、高温環境下でも構造的完全性と電気的性能を維持します。

窒化アルミニウムプリント基板の作り方

窒化アルミニウムは高純度の基板材料であるため、その製造を成功させるためには特殊な技術が必要です。FSテクノロジーでは、現在1-2層セラミックPCBの製造能力を提供しています。多層PCB製造については、当社の ロジャース・セラミックPCBこのような要求には、より適している。

窒化アルミニウムプリント基板を製造する場合、当社では直接窒化とカーボサーマル窒化・還元という2つの主要な製造技術を採用しています。それぞれの技術について詳しく説明し、包括的な理解を深めていただきましょう。

直接窒化

プロセスの流れ

直接窒化は、窒化アルミニウムPCBの製造に使用される主な技術である。このプロセスでは、制御された雰囲気の中でアルミニウムを高温にさらし、窒化アルミニウム基板を形成します。

  1. アルミニウム・ソース このプロセスは、粉末、ペレット、または構造化された基材の形態とすることができるアルミニウム源の利用から始まる。
  2. 窒素環境: 次に、アルミニウム材料は窒素リッチな環境にさらされる。これは、窒素ガス(またはアンモニア、NH3)を反応チャンバーに導入することによって達成される。
  3. 加熱と反応: その後、アルミニウムと窒素は高温反応を起こし、通常摂氏1000度から2000度(華氏1832度から3632度)の範囲で行われる。この発熱反応により熱が発生し、アルミニウムの窒化アルミニウムへの転換が促進される。
  4. 管理された雰囲気: 酸化やコンタミネーションを防ぐため、全プロセスは制御された条件下で入念に行われる。反応室は窒素またはアンモニアでパージされ、窒素リッチな環境を確立し、望ましくない副生成物の生成を最小限に抑える。
  5. 冷却と凝固: 反応が完了したら、温度を徐々に下げ、窒化アルミニウムを冷却して固化させる。こうしてできた固形材料はさらに加工され、窒化アルミニウムプリント基板に成形される。

特徴

  • Purity: Direct nitridation enables the production of highly pure aluminum nitride. The direct reaction between aluminum and nitrogen gas yields a product with minimal impurities, ensuring a high level of purity.
  • Control: This technique offers precise control over the creation of aluminum nitride, allowing for meticulous adjustment of process parameters to achieve the desired features and characteristics.
  • 効率性です: It is a streamlined and efficient プリント基板製造工程, requiring fewer steps and resources compared to carbothermal nitridation and reduction.
  • 高品質: The direct nitridation process consistently produces aluminum nitride with excellent thermal conductivity and electrical insulation properties. These qualities make it highly suitable for demanding high-performance applications.
  • High-Temperature: This process is a temperature-sensitive process, typically performed within the range of 1000-2000 degrees Celsius (or 1832-3632 degrees Fahrenheit), ensuring optimal results and material properties.

Carbothermal Nitridation and Reduction

プロセスの流れ

As an alternative to the direct nitridation process, a method involving the use of mixtures comprising alumina and carbon-based materials such as carbon black or graphite is employed.

  1. Mixture Preparation: Aluminum oxides and carbon-based materials, such as carbon black or graphite, are meticulously blended in the specified ratio. The carbon component acts as a reducing agent, facilitating the removal of oxygen from the aluminum oxide.
  2. Heating and Nitridation: The prepared mixture is subjected to high temperatures within a nitrogen-rich atmosphere. Under these conditions, the carbon and oxygen within the aluminum oxide react, resulting in the formation of aluminum nitride. Nitrogen gas is utilized during the nitridation process.
  3. 冷却と凝固: Upon completion of the reaction, the material is gradually cooled to allow for the solidification of the formed aluminum nitride or other nitride ceramics. The solidified material is then further processed into an aluminum nitride ceramic PCB board.

Features​

  • 汎用性がある: Carbothermal nitridation and reduction offer the capability to produce various nitride ceramics, including Aluminum Nitride and Alumina Nitride. This technique provides versatility in manufacturing different types of nitride materials.
  • 費用対効果です: Utilize readily available and cost-effective materials such as aluminum oxide and carbon-based substances. These materials are more economical compared to other precursor materials.
  • Impurities: It is important to note this process may introduce impurities into the final product due to the utilization of carbon-based materials as reducing agents. These impurities can potentially affect the thermal conductivity and electrical properties of the material.
  • Control Challenges: Achieving precise control over reaction conditions, such as temperature, composition, and gas environment, can be more challenging in carbothermal nitridation and reduction compared to direct nitridation. This can result in variations in the characteristics of the final product.
  • Additional Processing Steps: Manufacturers may need to incorporate additional processing steps during production, such as purification or refining, to remove impurities and achieve desired material properties.
  • Carbon Contamination: The presence of carbon in carbothermal nitridation can lead to carbon contamination within the Aluminum Nitride material. This contamination can impact the electrical properties and potentially compromise the performance of the PCB board.

Aln PCB VS Other Ceramic Substrates

Ceramic MaterialThermal Conductivity (W/m·K)Dielectric ConstantDielectric Strength (kV/mm)Coefficient of Thermal Expansion (ppm/°C)コスト
ALN PCB120-2008-1015-204.5-5.5
Al2O3 PCB20-359-1015-256-8ミディアム
Beryllium Oxide200-2306-712-157-9
Silicon Carbide200-4009-1015-204-5
窒化ホウ素25-1504-625-302-6
Aluminum Silicate1-34-54-84-7

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