セラミックが金属と完全に結合する場合のセラミックメタライゼーションについてのご案内

セラミック材料は、高硬度、高耐摩耗性、高耐腐食性などの優れた特性を備えていますが、導電性と溶接性が低いため、用途が限られています。一方、メタライゼーションはセラミックの表面に金属をコーティングするプロセスであり、セラミックの導電性と溶接性を向上させ、用途を拡大することができます。メタライゼーション後のセラミックは、高い熱伝導性、絶縁性、耐熱性、強度、チップに適合する熱膨張係数を備えており、新世代の集積回路やパワーエレクトロニクスモジュールに最適なパッケージング基板へと徐々に発展してきました。

金属化できる一般的なセラミック基板材料には、Al2O3、SiC、AlN、Si3N4 などがあります。

1. 厚膜メタライゼーション

厚膜メタライゼーションは、スクリーン印刷法を用いてセラミック表面に金属ペーストを塗布し、高温乾燥と熱処理を経てメタライズドセラミック基板を形成する技術です。この技術の利点は、プロセスがシンプルで費用対効果が高いことです。一方、欠点は、導電線の電気性能が低いため、低消費電力と小型化が求められる電子機器にしか使用できないことです。

2. ダイレクトボンド銅

DBC（ダイレクトボンド銅、DBC）は、厚さ0.1mm以上の銅箔をAl2O3セラミック基板の表面に直接接合する技術です。窒素雰囲気下、1065℃～1083℃の温度範囲で処理します。溶融状態の純銅はAl2O3を濡らす必要はなく、反応過程で酸素元素を取り込む必要があります。高温で生成されるCu-Cu2O共晶液はAl2O3に対して良好な濡れ性を有し、遷移層としてCuAlO2を生成することで、Al2O3セラミック基板上に銅箔を直接積層することができます。

3. 薄膜メタライゼーション

薄膜メタライゼーションは、高真空条件下で固体材料表面のイオン化という物理的手法を用いて行われ、その後、低圧ガスを用いてセラミック基板表面に必要な膜を堆積するプロセスです。具体的には、主にマグネトロンスパッタリングコーティングを含む物理蒸着技術（PVD）を用いて、セラミック表面にシード層として薄いCu層を堆積し、その後、めっき工程を実施します。その後、シードCuを厚く（保護するために）電気めっきを行います。その後、露光、現像などの工程を経てグラフィック転写を行い、その後、Cu層が必要な厚さまで成長するようにめっきを行い、最後に、フィルムをエッチングして導電線を完成させます。

このような薄膜プロセスを使用したセラミック基板は、近年、パワー LED パッケージングにおいて大きな競争力を示しています。

要約するとセラミックメタライゼーションにより、セラミック材料が金属の電気伝導性と熱伝導性を持つことが保証され、電子機器、自動車センサー、光学機器、医療機器、航空宇宙などの用途が拡大します。