初版

アルミ基板の基本構造と主要特性解析

セットアップや使用方法

アルミ基板は特殊な金属基板プリント回路基板であり、アルミ合金を基材としています。優れた放熱性能、機械強度、コスト効率を兼ね備えることから、高出力電子機器において従来のFR-4基板に代わる選択肢として注目されています。アルミ基板の基本構造と特性を理解することは、最適なPCB設計と選定の前提であり、他の基板との違いを明確にする重要なポイントです。  PCBアルミ基板は「銅箔－絶縁層－アルミ基材」の三層サンドイッチ構造を採用しており、それぞれの層が明確な役割を持ち、相互に機能することで基板全体の性能を決定しています。銅箔層は導電回路のキャリアとして機能し、厚さは通常18μm、35μm、70μmで、特殊な高出力用途では105μmも選択可能です。銅箔は高導電性（抵抗率≤1.72μΩ・cm）と優れたエッチング性を備え、線幅精度（±0.05mm）を確保します。表面処理は裸銅、スズめっき銅、金めっき銅があり、スズめっき（Sn 2-5μm）が最も一般的で、はんだ付け性とコストのバランスに優れています。 絶縁層は銅箔とアルミ基材の間に位置するPCBアルミ基板の技術的核心であり、絶縁性と導熱性を両立する必要があります。厚さは50μm、75μm、100μmが一般的で、主成分はエポキシ樹脂、セラミック充填剤（酸化アルミ、窒化ホウ素など）、硬化剤です。高品質の絶縁層は体積抵抗率≥10¹⁴Ω・cm、熱伝導率λ=1.0-5.0W/m・K（FR-4は約0.3W/m・K）、ガラス転移温度Tg≥150℃で高温下でも性能が安定します。 アルミ基材層は放熱と支持体として機能し、純度99.3%以上のアルミ合金（1050、1060、6061など）が主に使用されます。厚さは1.0mm、1.5mm、2.0mmが一般的で、特殊用途では最大5.0mmに達することもあります。1050アルミは純度が高く（99.5%）、導熱性（λ=201W/m・K）に優れ、高放熱要求に最適です。6061アルミはMg・Si合金元素を含み、機械強度が高く（引張強度≥205MPa）、自動車電子など衝撃耐性が必要な用途に適しています。表面はクロメートパッシベーションなどで処理され、絶縁層との接着強度（剥離強度≥1.5N/mm）を向上させます。 PCBアルミ基板は絶縁層材料や導熱性能、用途に応じて分類されます。一般型アルミ基板（導熱率1.0-2.0W/m・K）は、絶縁層にエポキシ樹脂と低充填酸化アルミ（30%-40%）を使用し、コストが低めで中低出力用途に適しています（例：LEDランプ、小型電源）。耐温範囲は-40℃～120℃、絶縁破壊電圧≥2.5kV/mmで、パワー密度＜5W/cm²の機器に対応可能です。高導熱型アルミ基板（導熱率2.0-4.0W/m・K）は、絶縁層に高導熱セラミック充填剤を追加し、放熱性能を向上させます。中高出力用途（LED街路灯、工業用電源モジュール）に適し、パワー密度5-15W/cm²に対応可能です。超高導熱型アルミ基板（導熱率＞4.0W/m・K）は、特殊絶縁材料や微小導熱チャンネルを採用し、極高出力用途（EVインバータ、レーザー装置）に適しています。導熱率は5.0-8.0W/m・K、熱抵抗≤0.5℃・in/W、耐温範囲-55℃～200℃、UL 94 V-0難燃認証取得品もあります。 PCBアルミ基板は従来のFR-4基板や他の金属基板（銅基板、鉄基板）と比較して、放熱性能、コスト、機械強度の面で優れています。アルミ基材の高導熱性（λ=100-230W/m・K）と絶縁層の設計により、放熱効率はFR-4の5-10倍に達します。1.5mm厚アルミ基板で1W LED使用時、結温はFR-4比25-40℃低下し、寿命が30%-50%延長されます。アルミの密度は2.7g/cm³で、銅の約1/3、重量は銅基板より60%軽く、輸送・設置コストを低減します。価格は銅の約1/5で、高導熱アルミ基板は銅基板の30%-50%で提供可能です。機械強度も高く、曲げ強度≥150MPa、衝撃耐性（Izod衝撃強度≥20kJ/m²）に優れ、振動や落下に耐えます。アルミ基材は金属のシールド性能（40dB@1GHz）を持ち、外部電磁干渉や内部信号の放射を低減できるため、追加シールド不要で設計を簡略化できます。 他基板との比較では、FR-4基板は導熱率0.3W/m・Kでパワー密度＜1W/cm²向けであるのに対し、アルミ基板は高出力対応、機械強度・耐温性に優れますが、コストは1.5-3倍です。銅基板は導熱性が優れますが、重量大・コスト高で極端高出力用途向けです。鉄基板は機械強度が高いものの導熱性が低く、重量も大きいため、放熱より衝撃耐性を重視する用途向けです。アルミ基板​は放熱、軽量性、コストのバランスに優れ、幅広い電子機器に適しています。