静的および動的フレックス設計の比較：リジッドフレックスPCBの曲げ半径およびその他の機械的考慮事項

好むと好まざるとにかかわらず、フレックスPCBとリジッドフレックスPCBはここに留まり、ますます多くの柔軟な電子機器が研究フェーズから産業界に移行しています。フレックスPCBは、あなたの磁気ハードドライブのモーターを動かすためだけに使われる時代を超え、折りたたみ可能な要素や可動部分を含むどんなデバイスにも、動的フレックスPCBが含まれている可能性が高いです。

フレックスPCB市場の成長が数十億に達するにつれて、PCBデザイナーは静的および動的フレックスPCBデザインについてできるだけ多くを学ぶ動機付けがあります。あなたの会社の次の製品や既存の製品の再設計がそれに依存するかもしれません。

静的対動的フレックスPCB

あらゆるフレックスPCBは、フレックス層に同じ材料を使用するという点でリジッドフレックスPCBと関連しています。フレックスPCBは、ポリイミドコアに囲まれた銅とプレプレグで構成されるリジッドセクションを持つのではなく、完全に柔軟な材料から構築されます。ポリイミドは、リジッドフレックス製造プロセスに容易に適応でき、比較的安価であるため、通常使用されますが、ポリエチレンナフタレート（PEN）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、アラミドなどのポリマー材料もフレックスリボンに使用できます。

フレックスPCBは、動的または静的PCBとして設計することができます。どちらのタイプのフレックスPCBを設計するにしても、それは機械的な作業であると同時に電気的な作業でもあります。ECAD/MCAD collaboration機能を備えたPCB設計ソフトウェアは、どちらのタイプのフレックスPCBの設計にも適しています。スタックアップを計画し、フレックスPCBにトレースを配置する際、ボードの曲がった部分は機械解析中に曲がった長方形の板として扱うべきです。これは、亀裂や故障を防ぐために適切なトレースの厚さを決定するために重要です。

静的または動的なフレックスPCBを設計する場合、全体的に厚いフレキシブルなスタックアップは、より大きな曲げ半径を必要とします。これにより、PCBを所望の角度に形成する際に、曲げ部分に沿って集中する引張りおよび圧縮応力の量が減少します。厚いPCBに小さな曲げ半径を配置すると、曲げ内側の表面層でカバーレイが束になることがあります。これにより、中立曲げ軸内にあるトレースに対してより多くの圧縮せん断応力がかかります。全体的な厚さを減らしたい場合は、接着剤を必要としない柔軟なカバーレイが利用可能です。

静的フレックスPCB：製造上の考慮事項

静的フレックスPCBが製造されると、通常は組み立て中に所望の曲率半径と曲げ角度に沿って圧縮成形ツールを使用して曲げられます。このツールはバイスのように機能し、カスタマイズされた成形ツールを使用して、単一のフレックスリボンに同時に複数の曲げを施すことができます。

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静的フレックスPCBは通常、降伏点を超えて過成形されます。つまり、形成中にある程度の塑性変形を確実にするために、意図された曲げ半径を超えて曲げられます。これにより、成形ツールから取り外された後にフレックスPCBが元の形状に戻るのを防ぎます。静的PCBに静的曲げ半径と角度が指定されている場合、過成形中の微細な亀裂や故障を防ぐために、トレースの厚さに安全余裕を持たせる計画を実際に立てるべきです。

医療機器用の静的フレックスリボン、Electronics Weeklyに掲載。

直感では、過成形中に必要なストレスに耐えるためにトレースを厚くすべきだと思われがちですが、直感が常に正しいわけではありません。単純に言えば、回路が厚ければ厚いほど、損傷なく柔軟に曲げることができる範囲は狭くなります。厚いフレックスPCBは、所望の曲げ半径と角度に適合するために、より大きな過成形を必要とします。これにより、成形中にトレースにさらに多くのストレスがかかります。

まるで曲がった長方形の板のように、曲がったボード全体に中立曲げ軸が存在し、これは縦方向の引張り応力や圧縮応力がない曲線を定義します。薄いトレースは、厚いトレースよりも大きな圧縮応力に耐えることができるため、薄いトレースは中立曲げ軸の内側に配置することができます。中立曲げ軸のシフトは曲げ半径に依存します。最小曲げ半径についての良い経験則は、次の方程式を使用することです：

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スタックアップとトレースの厚さが適切に選択されていれば、このルールに従うことで、中立曲げ軸がPCBの中心線から顕著にシフトすることはありません。層数が増えるにつれて、これによりフレックスPCBの曲げ比率（曲げ半径を厚さで割った値）に関するIPC 2223C基準を遵守することが保証されます。

ダイナミックフレックスPCB：耐久性

静的フレックスPCBに適用される多くの同じ設計考慮事項が、ダイナミックフレックスPCBにも適用されます。ダイナミックフレックスPCBでの重大な問題は、繰り返し曲げることによるワークハードニングです。銅は繰り返しのサイクリングの下でワークハードニングし、最終的には脆くなり、破断しやすくなります。耐久性を延ばすためには、単により大きな曲げ半径を許容することが一般的に勧められます。ダイナミックフレックスPCBは90°の曲げ角度を超えないことが一般的に勧められます。

PCBが曲がると、中立曲げ軸は曲げの内側に向かって移動します。これは、動的フレックスPCBにおいて非常に重要であり、許容される銅層の数を低い数値、通常は中立曲げ軸と一致する単一層に限定します。銅は延性がありますが、繰り返しストレスを受けると加工硬化を起こします。フレックスPCBで複数の層を使用する場合は、トレースが隣接層で重ならないように、つまり、トレースを交互に配置することで、中立曲げ軸から遠いトレースにかかる不当なストレスを避けるべきです。

トレースに不当なストレスをかけないように、十分な安全余裕を確保し、最小曲げ半径に注意してください。ボードの端でのストレスを防ぐために、最小曲げ半径が意図した曲げ半径よりも小さいことを確認してください。これにより、作業硬化が遅くなり、PCBの使用可能寿命が延びます。

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