TEC科学普及教室 | よく使われる半導体冷却チップ基板を1記事で徹底分析！
熱電冷却器（TEC）の内部構造において、基板は最も重要な部品の一つです。基板は半導体ダイを支え、熱伝達の中心的なチャネルとして機能します。高品質の基板は冷却器の性能と寿命を向上させる一方で、不適切な基板の選択はTECシステム全体の冷却効率を低下させる可能性があります。この記事では、様々な種類の基板の特性と適用可能なシナリオについて説明します。
I. DBC基板：コスト、性能、プロセスのバランス
DBC基板は、銅箔をセラミック基板（アルミナ、Al₂O₃など）と高温で強固に焼結するダイレクト銅張セラミック技術を採用しており、優れた熱伝導性、絶縁性、構造安定性を実現します。成熟した技術と適度なコストにより、DBC基板は冷蔵庫、除湿器、携帯電話の冷却バッククリップなどの民生用電子機器に広く使用されており、性能と経済性のバランスが取れた理想的な選択肢となっています。
1. 低コスト:材料コストと製造コストが比較的低いため、コストパフォーマンスが高く、大規模なアプリケーションに適しています。
2. 成熟した技術：製造プロセスがシンプルで安定しているため、大規模生産が容易です。
3. 強力な電流容量：厚い銅層は数アンペアから数十アンペアの電流を流すことができ、高電流駆動のニーズを満たします。
4. 優れた放熱性能：高熱伝導率セラミック基板を搭載しており、熱を効果的に伝導し、ほとんどの消費者製品の放熱要件を満たします。
II. DPC基板：高い熱伝導率と高コスト
DPC基板の製造は、薄膜プロセスとフォトリソグラフィーを組み合わせたもので、まずセラミック表面に金属シード層をスパッタリングし、次に電気めっきで厚くして微細回路を形成します。真空蒸着、フォトリソグラフィー、電気めっきなどの複数の工程を経るため、技術的なハードルが高く、設備投資も大きく、DBC基板に比べて総コストが高くなりますが、高精度と高信頼性を特長とするため、光通信レーザーや医療機器の温度制御など、温度制御精度とデバイスサイズに対する要求が高いハイエンド分野で広く利用されており、精密電子機器の放熱に最適な選択肢となっています。
1. 複雑なプロセス：プロセスには、真空コーティング、フォトリソグラフィー、電気メッキなどの複数のステップが含まれており、技術的なハードルが高いです。
2. コストが高い:設備への多額の投資と複雑なプロセスのため、全体的な製造コストは通常、DBC 基板よりも高くなります。
3.高精度配線：線幅と間隔は10〜50μmに達し、線の平坦度が優れており、高密度配線と小型TEC設計をサポートします。
4. 優れた熱伝導性： AlNセラミックス（熱伝導率約180W/m·K）を使用すると、熱伝導性が優れています。
III. 接合基板：過酷な作業条件向けに設計
ボンディング基板は、過酷な環境向けに設計された特殊な構造基板です。弾性接着層を用いてセラミック導体と銅導体を接合することで、熱応力を効果的に緩和し、高温、高湿度、振動などの複雑な環境下でもTECの安定性と耐久性を向上させます。主に医療機器など、長期安定性、耐疲労性、製品寿命が極めて重要な分野に適しています。熱膨張・収縮によるひび割れや故障のリスクを大幅に低減し、デバイスの長期安定動作を保証します。
1. 特殊緩衝構造：セラミックシートと銅ガイドプレートは直接溶接されるのではなく、特殊な弾性接着剤で接着されています。
2. 優れた熱応力耐性： TEC（誘電温度係数）は、加熱と冷却の繰り返しサイクル中に熱膨張と収縮による応力を受けます。弾性接着層は、この応力を効果的に吸収・緩和することで、基板やチップの割れリスクを大幅に低減し、耐用年数を大幅に延ばします。
3. プロセスとコスト:自動化のレベルが低いため、手作業での貼り付けが必要となり、人件費が高くなります。
4. 高い信頼性:高温高湿保管や温度サイクルなどの厳しい信頼性テストにおいて、接合基板の性能は従来の剛性接続基板よりもはるかに優れています。
IV.金属基板：低コスト・軽量
金属基板は、金属ベース、絶縁層、導電性銅箔の3層構造で構成されており、軽量、加工性、低コストといった利点があります。熱伝導率はセラミック基板ほど高くないものの、従来のほとんどの放熱ニーズを満たすことができます。特に、放熱要件が低く、軽量設計が重視され、コスト管理が求められる用途に適しています。
1. 低コスト：主にアルミニウム基板と銅基板の2種類に分けられます。アルミニウム基板はコストが低く、より経済的です。銅基板は、同じ体積で見ると高価ですが、熱伝導性に優れています。これら2つの材料は、他の基板よりもコストが低くなっています。
2.加工しやすい：機械加工性が良く、切断や打ち抜き加工が容易で、大量生産に適しています。
3. 表面が傷つきやすい：アルミニウムや銅は比較的柔らかい素材なので、加工や取り扱い中に傷が付いたり、ぶつかったりしやすくなります。
4. 電気絶縁性が限られている：絶縁層の絶縁強度はセラミック基板の絶縁強度よりも低いため、高電圧や高信頼性が求められる用途には適していません。
5. 超軽量:同じ面積の場合、金属基板は上記の他の基板よりも軽量です。
選択の推奨事項：
☑️コストパフォーマンスの追求
DBC 基板が推奨されます。コストが適度で、技術が成熟しており、パフォーマンスが安定しているため、コスト、パフォーマンス、製造可能性の間で最適なバランスが実現されます。
☑️回路精度と小型化に対する高い要求
DPC 基板が推奨されます。線幅と間隔は 10 ～ 50μm に達し、表面は平坦で、高密度配線をサポートし、高精度の小型 TEC 設計に適しています。
☑️過酷な動作条件と頻繁な温度サイクルへの対応
粘着基材の使用をお勧めします。弾性粘着層は熱応力を効果的に緩和し、ひび割れのリスクを大幅に低減します。高温、高湿度、大きな温度差などの過酷な環境下でも、より長い耐用年数と高い信頼性を実現します。☑️軽量設計とコスト管理を重視し、低い熱伝導率が必要です。
金属基板が推奨されます。軽量で加工しやすく、コストが低いため、放熱要件が高くない低～中程度のアプリケーションに適しています。
半導体冷却デバイスの世界的リーディングサプライヤーであるFerroTecは、電力、材料、外観をカスタマイズ可能な高性能半導体冷却チップを提供しています。製品の詳細とソリューションについては、0571-89712612までお問い合わせください。
