先に結論を述べます。セラミック基板で先に壊れるのは、たいていセラミックでも銅でもなく、図面のどこにも描かれていない両者の間の界面です。 セラミック本体は有機基材より強く硬く、金属層そのものも心配の対象ではありません。問題は境界にあります。セラミックは緻密な無機の酸化物または窒化物で、その表面には樹脂が錨を打てる空隙もなく、化学的粗化で削り出せる層間物質もありません。FR-4 の「粗化し、錨着させ、引き剥がし強度で判定する」という論の鎖は、どの環でも切れます。したがって密着は別の機構で成立させる必要があり、メタライズの各方式は実際に異なる機構を選んでいます。その選択がこの基板がどこで壊れるかを決め、出荷判定で何を求めるべきかを決めます。
一、FR-4 の密着の論理が持ち込めない理由
有機基材上の銅箔密着は、機械的作用と化学的作用が混ざった結果です。銅箔裏面には処理による微細形状があり、プリプレグの樹脂が積層時にその形状へ流れ込んで硬化し、錨着が成立します。同時に処理層と樹脂の間には化学的結合も働きます。この機構には前提が二つあります。基材側が流動し硬化する有機物であること、金属側に埋められる粗さがあることです。
セラミックはその両方を取り去ります。流動せず、硬化せず、表面も同種の埋められる構造を与えません。さらに厄介なのは、通常の引き剥がし判定の前提も消えることです。引き剥がし試験は、たわみ変形する母材から箔を持ち上げるのに要する力を測ります。セラミックは変形せず、持ち上げも許しません。同じ試験をセラミック上で行えば多くの場合セラミックが先に欠け、得られる数値は界面強度ではなく、セラミックの破壊強度と界面強度が混ざった何かになります。つまり変わったのは機構だけでなく、判定基準と試験方法も併せて替える必要があります。 放熱基材系統ごとの工学的な取捨の対照としては アルミ MCPCB の熱管理 を参照してください。
二、各メタライズ方式が密着を何に預けているか
本節が全体の核心です。これらは「工程が違うだけで結果は似ている」ものではなく、密着を異なる物理機構の上に置いています。したがって弱点もそれぞれ別です。
厚膜方式：高温でガラス相がセラミックを濡らすこと。 ペーストには金属粒子のほかにガラスフリットや酸化物添加相が含まれます。焼成時にこの分が軟化してセラミック表面を濡らし反応し、冷却後に金属粒子の網目をセラミックへ繋ぎ止めます。密着は焼成段階で生じた中間相から来ます。弱点は焼成そのもの、すなわち雰囲気、昇降温の履歴、ペーストとセラミックの適合性です。焼き上がれば界面は確定し、後工程での手直しはほぼ効きません。逆に、無機で高温由来の結合であるため、この種の界面は後続の熱過程には概して鈍感です。
直接接合方式（DBC 系）：高温で生じる共晶あるいは反応層。 銅とアルミナを制御雰囲気中で高温に保つと、界面に両者を繋ぐ反応生成物が育ちます。密着はこの反応生成物の連続性と緻密さに依ります。弱点は局所的な未反応・反応むらで、上から見れば周囲と区別がつかないにもかかわらず、熱サイクルが始まれば起点になります。この方式には構造的な性質もあります。銅層とセラミックの熱膨張差は全面にわたって存在するため、端部と角部の応力は本質的に高くなります。
薄膜方式（DPC 系）：密着層の化学的親和性と、その後のめっき増厚。 まずセラミックへの化学的親和性をもつ遷移金属をごく薄く物理的に成膜し、その上に導電の下地層を付け、最後に必要な導体断面までめっきで増厚します。密着は密着層とセラミックの化学結合、および密着層とその上の金属との結合に依る直列の鎖で、どこか一箇所が弱ければ全体が弱くなります。弱点は成膜前の表面状態です。残留汚染、吸着水分、前洗浄の不足はそのまま界面欠陥に変わり、しかもその欠陥は肉眼や通常の外観検査ではほぼ見えません。四方式のうち前処理に最も敏感なのがこの方式である理由です。
活性金属ろう付け方式（AMB 系）：ろう材中の活性元素がセラミックと反応すること。 ろう材にはろう付け温度でセラミックと反応する元素が含まれ、反応層を生じて金属学的な接合が成立します。密着はその反応層から来ており、熱サイクル耐性では概してこの方式が最も強くなります。弱点はろう材の濡れ広がりと反応のむら、およびろう層内部の空洞です。
四方式に共通するのは一点だけです。密着は「塗って押し付けて」得られるものではなく、ある制御された高温あるいは真空の工程の中で中間生成物として生み出されるものであること。この中間生成物が在るか、連続しているか、均一かが、密着の実体です。方式と基材を含む選定全体の取捨については アルミナと窒化アルミ、DPC と DBC の工程ルート を参照してください。
三、界面が工程のどこで試されるか
界面が出来上がっても安全圏に入るわけではありません。応力や化学作用を加える後工程のたびに一度ずつ試され、しかも試す工程は通常それを作った工程ではありません。現場で責任の所在が揉めるのは、ちょうどこの隙間です。
回路形成。 全面の金属を配線にする過程で、エッチング液や現像液がパターンの端ごとに界面へ届きます。そこがもともと弱ければ、薬液は界面に沿って横方向へ侵入し、線の端のわずかな浮きや変色として現れます。欠陥は回路形成の後に現れますが、原因はメタライズ段階にあります。
穴あけと分割。 機械的応力が最も集中する工程です。レーザーでも機械加工でも、加工点の近傍には局所的な熱衝撃または機械衝撃が生じ、すぐ隣の金属とセラミックの界面がそれを受け止めます。端部付近の金属浮きの多くはここで誘発されます。成形と分割そのものの工程制約については セラミック基板の穴あけと分割 を参照してください。
表面処理とはんだ付け。 この二工程は熱と化学の負荷を同時に加えます。めっき工程は界面をもう一度薬液にさらし、はんだ付けは構造全体を熱に通します。外を向く面をどう処理するか、はんだ付けとワイヤボンディングがそれぞれどんな面を要求するかは別の主題で、セラミック基板の表面処理とはんだ／ボンディング界面 で扱っています。本稿が見ているのは内を向く面で、この二工程では受け身でしかありません。良くなることはなく、もとからの欠陥が露わになるだけです。
実装後の熱負荷。 ここまで来ると界面は金属、はんだ、部品で拘束されています。熱膨張差による応力は逃げ場がなく、界面と角部に集中します。
四、使用中に試すのは別の条件群
工程での負荷は回数が少なく振幅が大きく、使用中の負荷は回数が多く振幅が小さい。両者がふるい分ける欠陥の種類は異なります。工程を通ったことは、寿命を通ったことを意味しません。
主たる使用条件は繰り返される温度変化です。昇降温のたびに、金属とセラミックは膨張量が違うために界面を往復でせん断します。もともと連続していなかった箇所は、この繰り返しのなかでゆっくり伸びていき、見えない点から見える分離の帯へと育ちます。この過程の特徴は、初期には外部徴候がまったく無いことです。電気的機能は正常、外観も正常、熱抵抗の変化も初めは測れないほど小さい。熱抵抗が明らかに動くころには、分離面積はもう小さくありません。
だからこそセラミック基板の密着は「納入時に一度測る」では管理できません。納入時の測定が語るのは界面の現在の状態であり、知らなければならないのはその界面が繰り返しの熱応力で広がるのかです。両者は別の問いであり、同じ報告書で答えるべきものではありません。
五、外観報告が出荷判定の根拠にならない理由
実際に受け取るセラミック基板の検査報告書は、相当な部分が外観項目で占められています。傷なし、汚染なし、欠けなし、寸法公差内。いずれも確認すべき項目ですが、密着との関係は弱い。本稿が繰り返し戻ってくる理由と同じです。密着の実体は金属層の下に埋まっており、外観検査が見られるのは金属層の上面だけだからです。
具体的に外観では見えないものを挙げると、少なくとも次のとおりです。密着層成膜前の表面汚染（すでに上の金属で覆われている）、反応層の局所的な不連続（上の金属の外観は完全に正常）、ろう層内部の空洞（光を通さない）、そして端部まで届いていない界面の微小な分離（外部への開口がない）。系統的な界面欠陥をもつ基板が、外観項目と電気項目を全部すんなり通ることがあり得ます。
電気試験も助けになりません。導通と絶縁は導電経路の連続性を測るもので、界面の分離は相当の期間、導電断面に影響しません。「金属がまだそこに在る」と「金属がまだ強く付いている」は別の主張で、前者は電気試験が証明でき、後者は証明できません。 これは品質保証の一般的な論理と一致します。品質と検証 を参照してください。
六、出荷判定で求めるべき証拠の種類
外観も電気試験も覆わないのですから、出荷判定では証拠の種類で求める必要があり、報告書の枚数で求めるものではありません。以下は各々が答える問いで整理したもので、それぞれ別の問いに答えます。
第一種、界面の断面証拠。 試料を切り、金属とセラミックの結合が連続しているか、空洞がないか、密着層あるいは反応層が存在し均一かを見ます。これは密着の実体を直接見られる唯一の証拠種で、他はすべて間接的な推論です。破壊を伴うため抜き取りにしかできませんが、抜き取りであることは省略の理由になりません。
第二種、界面強度の力学的証拠。 セラミックに適した方法で、金属をセラミックから分離するのに要する力と、どこで破断したかを測ります。破断位置は数値より情報量が多いことがよくあります。界面で破断すれば界面が最弱環であり、セラミック内部で破断すれば界面はセラミック本体より強く、金属層内で破断すれば界面は律速ではない。求める際は、判定結果だけでなく破断位置の記録を明確に要求してください。
第三種、熱応力後の再測定の証拠。 第四節に対応します。試料を規定の回数の温度変化にさらしたうえで第一種と第二種を再度行い、未負荷の試料と比較します。この種が答えるのは「広がるのか」であり、前二種では答えられない問いです。これが無ければ、密着の結論は納入当日にしか有効ではありません。
第四種、工程が管理されていた証拠。 前三種は事後の抜き取りですが、界面はある高温あるいは真空の工程で一度に出来上がります。ロットの揃いを本当に決めるのは、その工程が監視されていたかどうかです。前処理と洗浄の管理記録、雰囲気と温度履歴の監視記録、そしてロットに同行させる試験片の取り決めを求めます。抜き取りはロットを証明できず、工程記録がロットを証明します。
第五種、変更の境界。 上記の検証をやり直すべき変更を明示的に取り決めます。セラミック供給元の変更、基材の銘柄や厚さの変更、メタライズ方式の変更、前処理薬液の変更、焼成やろう付けの熱履歴の変更です。界面はこれらの直接の関数であり、どれか一つが黙って変われば、以前の証拠はもう現在の製品を代表しません。
七、設計側が図面と資料一式で宣言すべき項目
上記の証拠を得る前提は、要求を図面に書くことであって、入荷時に初めて持ち出すことではありません。抜けやすいのは次の項目です。
メタライズ方式を宣言する、または指定しない代わりに開示を要求すると宣言する。 第二節のとおり方式ごとに故障モードが異なり、検証は故障モードに従います。「セラミック基板、銅層いくら」とだけ書いて方式に触れないのは、故障モードを決める選択をそのまま渡すことであり、受け取る報告も正しい故障モードに対応づけられません。
密着を何で検証するか、合格判定をどう表現するかを宣言する。 断面を要求するか、力学試験を要求するか、破断位置の記録を必須とするか、熱応力後の再測定を要求するかを含みます。宣言しなければ、既定で得られるのは外観と電気試験です。
どの領域が重要領域かを宣言する。 大電力部品の下、熱流が集中する箇所、端部と角部に近い金属領域は、基板中央の大面積領域とは受ける条件が違います。重要領域を示しておけば抜き取りと切断の位置に根拠ができます。示さなければ、切断位置は最も切りやすい場所に落ち着きます。
端部と加工部近傍の要求を宣言する。 第三節で、穴あけと分割が端部の浮きを最も誘発しやすいと述べました。金属から基板端まで、金属から穴端までの扱いの要求を明確に書き、受入検査でもこれらの位置を専ら確認する必要があります。基板中央だけを見るのでは足りません。
変更管理と追跡性の要求を宣言する。 第五種に対応します。あわせて、ロットがセラミックの入荷とメタライズの工程記録まで追跡できることを要求してください。でなければ不具合時に範囲を切れません。公差と宣言の実務全般は 公差と技術規定、材料側の入力は 材料と層構成 を参照してください。
八、工程を押すのをやめて設計を変えるべき場面
界面の問題の一部は工程能力の不足ではなく、界面に担えないことを担わせている構造そのものです。次のような場合は設計に戻るべきです。
セラミック上の大面積の連続金属が、同時に大きな温度変化を受ける。 面積が大きいほど界面に積み上がる膨張差の変位は大きく、端部応力は高くなります。この場合に工程を押しても得るものは限られ、大面積の金属を分割し、応力を逃がす隙間を設け、角が鋭くならないように金属領域の形を整えるほうが効果的です。
金属領域の端が、ちょうど外形線上あるいは穴端の近くに載っている。 二種類の応力を同じ場所に重ねることになります。金属の端を加工領域から後退させるほうが、工場にもっと穏やかな加工を求めるより確実です。
両面の金属分布が大きく非対称。 片面だけ拘束された構造は温度変化で全体が反り、反りは界面に追加の曲げモーメントを加えます。対称化のほうが界面の強化より容易なのが通例です。
方式の選択が使用条件に合っていない。 使用条件が大振幅の熱サイクルの繰り返しを主とするのに、選んだ方式が熱サイクル耐性で強みを持たないなら、検査を厳しくするのではなく方式を替えるべきです。検査はすでに悪く作られたものをふるい落とせるだけで、合っていない組み合わせを適合させることはできません。
セラミック方案の製品レベルの境界と適用範囲は セラミック基板 製品ページ、多層構造と組み合わせる際の技術的前提は 多層基板、工程能力の全体像は 製造能力 を参照してください。
FAQ
問：セラミック基板上の金属層の密着は、実際には何に依っているのですか。
答：制御された高温あるいは真空の工程のなかで、金属とセラミックの間に生じる中間生成物に依っています。厚膜方式は焼成時にガラス相がセラミックを濡らす結合、直接接合方式は高温で生じる反応層、薄膜方式は遷移金属のセラミックへの化学的親和性、活性金属ろう付けはろう材中の活性元素とセラミックの反応層です。共通するのは、密着は押し付けて得るものではなく、生み出されるものだという点です。
問：銅張積層板の引き剥がし強度の判定基準を、セラミックにそのまま使えますか。
答：そのままの適用は勧められません。引き剥がし試験はたわみ変形する母材から箔を持ち上げられることを前提としますが、セラミックはそのどちらも満たしません。そのまま行えばセラミックが先に欠け、得られる数値はセラミックの破壊強度が混ざって界面強度を表しません。セラミックに適した力学的方法に替え、破断位置の記録を要求してください。
問：外観検査は合格、電気試験も全数良好です。それで出荷判定にならない理由は何ですか。
答：密着の実体が金属層の下に埋まっており、外観検査は金属層の上面しか見られないからです。電気試験は導電経路の連続性を測るものですが、界面の分離は長い期間その断面に影響しません。系統的な界面欠陥をもつ基板が外観項目と電気項目のすべてを通ることがあり得ます。
問：最低限どの証拠種を揃えるべきですか。
答：五種です。界面の断面（結合が連続かを直接見る）、破断位置を記録した界面強度の力学試験、繰り返し熱応力後の再測定と比較、メタライズ工程の管理記録とロット同行試験片、そして再検証を要する変更の境界の取り決め。前三種は事後の抜き取りで、ロットの揃いを語れるのは第四種だけです。
問：なぜ「熱応力の後にもう一度測る」ことを必須とするのですか。
答：納入時の測定は界面の現在の状態を述べるにとどまり、実際の使用負荷は多数の小振幅の温度変化による界面欠陥のゆるやかな拡大です。この拡大は初期に外部徴候がありません。電気的機能は正常、外観は正常、熱抵抗の変化は初めは測れない。熱応力後の再測定がなければ、結論は納入当日にしか有効ではありません。
問：界面の問題はどの工程で見つかるのが普通ですか。
答：それを作った工程ではないのが普通です。回路形成で薬液が弱い界面に沿って横に侵入する、穴あけと分割の機械的・熱的衝撃が端部の浮きを誘発する、表面処理とはんだ付けがもう一度熱と化学の負荷を加える。これらの工程は欠陥を露わにしますが、原因はメタライズ段階にあります。
問：設計側が最も抜かしやすい宣言はどれですか。
答：メタライズ方式、そして密着の検証方法と合格判定です。方式を宣言しなければ故障モードを決める選択を渡すことになり、検証方法を宣言しなければ既定で得られるのは密着をどちらも覆わない外観と電気試験です。
問：工程を押すのをやめて設計を変えるべきなのはどんな場合ですか。
答：大面積の連続金属が同時に大きな温度変化を受ける場合（分割し、逃げを設け、角を緩める）、金属の端が外形線上や穴端の近くに載っている場合（後退させる）、両面の金属分布が大きく非対称な場合（対称化する）、方式が使用条件に合っていない場合（方式を替える）です。検査は悪く作られたものをふるい落とすだけで、合っていない組み合わせを適合させることはできません。