アルミニウム基板とは？
アン アルミニウム基板 は、放熱性に優れた銅張りの金属コア基板である。一般的な片面基板は、回路層（銅箔）、誘電体（絶縁体）層、金属ベース層の3層構造になっている。ハイエンド向けには、回路層、誘電体層、アルミベース、誘電体層、回路層というスタックの両面基板もある。いくつかの特殊なケースでは、普通の基板を積層した多層基板が使用される。 多層PCB 誘電体層とアルミニウムベースで構成されている。.
アルミニウム基板の仕組み
パワー部品は回路層に搭載される。部品によって作られた熱は、誘電体層を通って金属ベースに素早く移動する。そして金属ベースが熱を拡散し放出する。こうして部品が冷却される。.
アルミニウム基板の構造
アルミクラッド銅板は、銅箔、熱伝導性誘電体層、金属ベースからなる金属回路基板材料です。代表的な3つの層は以下の通りです：
- 回路レイヤー（CIRCUIT LAYER）:通常のPCBの銅被覆層と同じ。銅の厚さは1オンスから10オンス（約35μmから280μm）。銅をエッチングしてプリント回路を形成する。基板は大電流を流す必要があることが多いため、より厚い銅が使われる。.
- 誘電体層（DIELECTRIC LAYER）:低熱抵抗、熱伝導性の絶縁層。これがコア技術。通常は特殊ポリマーにセラミックスを充填したもの。熱抵抗が低く、粘弾性に優れ、耐熱老化性がある。機械的および熱的ストレスを受けることができる。この層により、基板は良好な熱伝導性と高い電気絶縁性を併せ持つ。.
- ベースレイヤー（BASE LAYER）:通常はアルミニウム、場合によっては銅（銅の方が熱伝導率が高い）。金属ベースは基板を支える。熱伝導率が高く、穴あけ、打ち抜き、切断に適していなければならない。.
従来のPCB材料と比較して、アルミニウム基板には明確な利点があります。それは、別個のヒートシンクなしでパワー部品をSMT実装するのに適しており、製品サイズを縮小し、優れた冷却効果を発揮し、なおかつ良好な絶縁性と機械的強度を維持できることです。.
アルミニウム基板の性能
- 表面実装技術（SMT）をサポート.
- 回路設計において非常に効果的な熱拡散。.
- 動作温度が低く、電力密度と信頼性が高く、寿命が長い。.
- 製品サイズを縮小し、ハードウェアと組み立てコストを削減する。.
- 壊れやすい部品の交換 セラミック基板 より優れた機械的耐久性を持つ。.
製造能力（典型的なプロセス仕様）
| 項目 | 能力／スペック |
|---|---|
| ボードの種類 | アルミ基板、銅ベース、鉄ベース |
| 表面仕上げ | 無電解ゴールド（ENIG）, スプレー錫、無電解錫、化学銀、, せいやくじゅうそくもんだい |
| レイヤー | 片面、両面、4層 |
| 最大サイズ | 1185 mm × 480 mm |
| 最小サイズ | 5 mm × 5 mm |
| 最小ライン/スペース | 0.1 mm |
| ボードの反り | ≤ 0.5%（厚さ1.6mm、サイズ300mm×300mmの場合） |
| 加工された厚さ | 0.3 - 5.0 mm |
| 銅の厚さ | 35 µm - 240 µm |
| 成形公差 | ±0.15 mm |
| Vカットのアライメント精度 | ±0.1 mm |
| 生産能力 | 7000 m²/月 |
| 穴位置偏差 | ±0.076 mm |
| 成形公差の例 | CNC加工外形：±0.1mm、パンチ/ダイ外形：±0.15mm |
プロセス用語と説明
- サイドエッチング:レジストパターン下の側壁で発生するエッチング。サイドエッチは横方向のエッチ幅で測定される。エッチャントの種類、組成、プロセス、装置によって異なる。.
- エッチング係数:サイドエッチング量に対する導体厚さ（メッキを含まない）の比。エッチファクター＝V／X（V＝導体厚、X＝サイドエッチ）。エッチファクターが高いほど、サイドエッチが少ないことを意味する。高密度の微細トレースは高いエッチファクターを必要とする。.
- メッキビルドアウト（メッキ拡幅）:パターンめっきでは、金属層がレジストより厚くなることがあり、トレース幅が増加する。メッキビルドアウトは、レジストの厚みとメッキ全体の厚みに関係するため、最小限に抑える必要がある。.
- メッキプロジェクション（メッキの張り出し）:メッキビルドアウトとサイドエッチングの合計。メッキビルドアウトが存在しない場合、メッキプロジェクションはサイドエッチ量と等しくなる。.
- エッチング率:単位時間（通常μm/min）当たりのエッチング液による金属の溶解深さ、または所定の厚さを除去する時間。.
- 銅溶解能力:一定のエッチレートの下で、エッチャントが溶解できる銅の量。通常g/L単位で表示される。各エッチング液の銅溶解量は決まっている。.
アルミニウム基板用パッケージング（LEDパッケージング）
LEDパッケージング は、LEDチップに光学的、電気的、熱的性能を向上させるプラットフォームを提供する。優れたパッケージはLEDの効率と放熱を高め、寿命を延ばします。LEDパッケージの設計は、光取り出し効率、熱抵抗、電力放散、信頼性、費用対効果（Lm/$）の5つの中核要素に基づいています。.
すべての要素が重要。光取り出しはルーメンあたりのコストに影響する。熱抵抗は信頼性と寿命に影響します。電力損失は顧客のアプリケーションに影響します。優れたパッケージングは、これらの要素のバランスをとり、顧客のニーズを満たします。.
通常、ヒートシンクには単層または二層のアルミニウム基板が使用される。アルミニウム（または銅）ベース上には、1つ以上のチップが直接ダイ・アタッチされている。チップのp電極とn電極は、基板表面の薄い銅層にワイヤーボンディングされる。基板上のチップ数は必要なパワーに依存し、パッケージを組み合わせて1W、2W、3WのハイパワーLEDを作ることができる。最後に、光学設計に従って、高屈折率材料がLEDの上に成形または塗布される。.
アルミニウム母材グレード
基板に使用される一般的なアルミニウム・シリーズは、1000、5000、6000シリーズである：
- 1000シリーズ:例1050、1060、1070。これらはほぼ純アルミニウム（≧99% Al）である。製造が容易で低コストです。一般工業に広く使用されている。.
- 5000シリーズ:例5052、5005、5083、5A05。これらはアルミニウム-マグネシウム合金（Mg～3-5%）である。密度が低く、引張強度が高く、伸びが良い。同じ面積で重量が軽い。航空用（燃料タンク）や一般工業用に使用される。.
- 6000シリーズ:例6061。MgとSiを含有し、4000系と5000系の長所を併せ持つ。熱処理が可能で、耐食性、機械加工性、塗装性が良く、強度が高い。航空機部品、カメラ部品、カプラー、船舶金具、金物、電子部品、コネクターなどに使用される。.
LEDアルミニウム基板とPCBアルミニウム基板の比較
LED用アルミ基板はLED業界に特化し、ヒートシンク用途を牽引してきました。高い熱伝導性、低い熱抵抗、長寿命、耐電圧性を提供します。LEDアルミ基板は、家電製品の表示灯、自動車のヘッドライト、街灯、大型屋外標識などのLED用途を拡大しました。.
LEDアルミ基板の熱伝導性は、中間誘電体（多くの場合、熱伝導性ポリマーまたは熱接着剤）に大きく依存します。熱伝導率、熱抵抗、耐電圧は3つの重要な品質指標です。ラミネートの後、熱伝導率を測定器で測定します。セラミックや銅の方が熱伝導率は高いのですが、コスト面からほとんどの市場ではアルミ基板が使われています。熱伝導率の数値が高ければ高いほど、通常は性能が向上します。.
LEDアルミ基板は、基本的にFR-4ガラスエポキシの代わりにアルミ合金を基板材料とするプリント基板である。.
アルミニウム基板価格
生産技術と設備の向上により、アルミニウム基板の価格はよりリーズナブルになっている。サプライヤーは通常、価格を公表していません。具体的な見積もりについては、ベンダー（宜芳電子など）にお問い合わせください。.
アルミニウム基板のリードタイム
(A) オーダー・プランニング・ノート
- リードタイム試作3-5日、量産5-7日。.
- 品質に関する要求事項：顧客の詳細（サイズ、厚さ、工程、請求書、出荷、特別な要望）を明確にする。.
- 協力の計画：フォローアップの大量注文か長期的な協力かを確認する。.
(B) リードタイムを短縮する方法
- 一般的なアルミニウム基板をストックしておく。.
- 日勤と夜勤を追加し、生産スピードを上げる。.
- 顧客との納期調整交渉.
高熱伝導アルミニウム基板と熱伝導率
熱伝導率は放熱のための重要なパラメータであり、3つの主要な品質指標の1つである（他は熱抵抗と耐電圧）。熱伝導率は積層後に測定されます。セラミックや銅の方が導電率は高いが、コスト面からアルミニウムが主流となっている。熱伝導率は核となるパラメータであり、通常、値が高いほど性能が高いことを意味する。.
アルミニウム基板は、優れた耐熱性、電気絶縁性、機械的加工性を兼ね備えている。LEDやその他の電子機器設計に広く使用されている。LEDの熱設計では、CFD（数値流体力学）シミュレーションや基本的な熱計算を使用することが多く、基板製造において重要です。.
流体の流動抵抗（水圧抵抗）は、流体の粘性と固体境界によるものである。これには、流路に沿った摩擦抵抗と急激な変化（急激な面積変化、エルボ）における局所抵抗が含まれる。.
典型的なLEDヒートシンクの設計ステップ：
- 制約の下でヒートシンクのプロファイルを設計する。.
- ヒートシンクの設計ルールに従って、フィンの厚さ、フィンの形状、フィンの間隔、基板の厚さを最適化する。.
- 冷却性能が目標を満たすように計算をチェックする。.
アルミニウム基板の熱設計
(A) 熱設計が必要な理由
絶縁体の劣化、部品の故障、材料の老朽化、低融点はんだ接合部の亀裂、はんだ接合部の脱落などだ。.
部品への温度の影響：
- 温度が高いと抵抗値が下がる。.
- 高温はコンデンサの寿命を縮める。.
- 高温はトランスとチョークの絶縁を劣化させる。.
- 過度の温度ははんだの金属間化合物（IMC）を変化させ、接合部を脆く弱くする。.
- 接合部温度（Tj）が高くなるとトランジスタの利得が増加し、コレクタ電流が増加してTjがさらに上昇し、故障につながる可能性がある。.
(B) 熱設計の目標
想定される使用環境において、すべてのコンポーネントを最大定格温度以下に保つ。最大許容温度は応力解析に基づくもので、製品の信頼性目標や各部品の故障率に適合していなければなりません。.
(C) 熱問題の解決策
LEDの熱は大きな問題です。熱伝導率の高いアルミ基板は、熱を効果的に引き出すことができる。PCBをアルミ基板に密着させ、ポッティングや封止材による熱抵抗を減らす設計が必要だ。.
アルミニウムPCBの修理とメンテナンス
PCB技術者の典型的な修理手順：
- 故障解析:基板の故障を特定し、絞り込む。.
- 目視検査:入出力、機能、制御領域を研究する。.
- サーキットテスト:大まかな故障を除外し、修理の指針とするための初期テストを行う。.
- コンポーネント・テスト:はんだを除去した部品を装置でテストすることがよくあるが、これは外装ボードの外観を損なう恐れがあるため、技術者は不必要な除去を避ける。.
- 故障修理:トレースの修正、部品の交換、回路の変更。.
- 機能テスト:修理したボードをテストし、電気的チェックに合格したらシステムテストを実行する。.
アルミニウム基板の廃棄物処理
PCBはガラス繊維、エポキシ樹脂、多くの金属化合物でできている。使用済みアルミ基板を不適切に廃棄すると、臭素系難燃剤やその他の発がん性物質が放出され、深刻な汚染と健康被害を引き起こす可能性がある。同時に、廃板は高い経済価値を持っています。金属含有量は天然鉱石の何倍にもなります。金属含有量は、銅を中心に金、銀、ニッケル、スズ、鉛、レアメタルなど10～60%にもなる。天然鉱石の金属品位は3～5%程度に過ぎない。.
調査によれば、1トンのコンピューター部品には、およそ0.9kgの金、270kgのプラスチック、128.7kgの銅、1kgの鉄、58.5kgの鉛、39.6kgのスズ、36kgのニッケル、19.8kgのアンチモン、さらにパラジウムとプラチナが含まれている。このように、廃PCBは “開発すべき鉱山 ”と呼ばれている。”
調査によると、ほとんどのPCB廃棄物やフレームスクラップは、焼却や水洗処理のために遠隔地に送られ、深刻な二次汚染を引き起こしている：
- 燃やすと強い臭気と有毒な臭素化合物が発生する。これは環境当局によって禁止されているが、遠隔地ではいまだに行われている。.
- 水洗いは安くて簡単で、広く使われている。大量の残渣（非金属、ボード重量の～80%）が発生する。残渣の処理は難しく、多くの企業が一般廃棄物として捨てている。.
アルミニウム基板の用途と特徴
(A) アプリケーションの特徴
- 優れた熱伝導性。.
- 片面銅とは、部品を銅の面にしか配置できないことを意味する。.
- 片面基板のようにジャンパー用の配線穴を開けることはできない。.
- 通常、表面実装デバイスに使用される。整流器やパワーデバイスはベースを通して放熱するため、熱抵抗が低く信頼性が高い。.
- トランスは、平らなSMD形状を使用し、ベースを通して熱を放散させることができるため、同じサイズでも温度上昇が少なく、高出力を得ることができる。.
(B) 手はんだ付けの注意事項
アルミニウム基板は熱伝導がよいため、小規模な手はんだ付けでは、はんだの冷却が速すぎて問題が発生する可能性があります。実用的なヒント
- 家庭用の温度調節可能なアイロンを使用する。平らな面が上を向くように裏返して固定する。.
- 温度を150℃近くに設定し、アルミ板を短時間温める。.
- その後、通常どおり部品を配置し、はんだ付けする。はんだ付けしやすい温度を使用する。高すぎると部品が破損したり、銅が剥離したりすることがあり、低すぎるとはんだ接合部が悪くなる。必要に応じて調整してください。.
