リジッドフレックスにおける銅箔重量：1つの仕様ですべてに対応できない理由
At a Glance
剛性フレックス設計で単一の銅箔重量仕様が通用しない理由を学びましょう。剛体部、フレックス部、そして移行領域それぞれに適したゾーン別ガイドラインをご紹介します。
数年前、現場に回る前に何度も設計レビューを通過したリジッドフレックス基板がありました。チームは優秀で、プロセスも綿密、見た目に明らかな問題はありませんでした。ところが基板が戻ってくると、フレックス部が曲がらなかったのです。まったく。曲がるはずの領域全体が硬いままでした。短すぎるスパンに対して、積層された層が多すぎたのです。
リスピンでは、フレックス領域でそれらの層を非接着にして、それぞれが独立して動けるようにしました。その1つの変更が、動作する基板と動作しない基板の分かれ目になりました。
この案件を思い出すのは、基板全体に単一の銅箔厚が指定されたリジッドフレックス設計を目にしたときです。誤解のないように言えば、それが常に間違いというわけではありません。ですが、もう一度確認する価値のあるサインではあります。というのも、リジッドフレックスにおける銅箔厚は実際には1つの判断ではなく複数の判断であり、それらはスタックアップと相互に関係し、想定どおりに動かないという問題が起きて初めて表面化することがあるからです。
重要なポイント
- リジッドフレックスにおける銅箔厚はゾーンごとに考える必要があります。リジッド部で有効なものが、フレックス部では深刻な問題を引き起こすことがあります。
- リジッド部とフレックス部の移行領域には、独自の検討事項があります。
- 圧延焼鈍銅は、フレックス用途では電解銅とは異なる挙動を示し、曲げ寿命が要求される場合にはその違いが重要になります。
- スタックアップと銅仕様は、片方を決めてからもう片方を決めるのではなく、同時に作り込む必要があります。
リジッドゾーン
リジッドフレックスのリジッド部では、銅箔厚の判断は一般的なPCB設計とかなり似ています。1 ozは一般的な出発点です。電流容量やインピーダンス要件によっては2 ozが選ばれることもあります。設計ルール、ビア構造、めっきに関する考慮点も似ています。このあたりは、これまでにリジッド基板を設計したことがある人にとってはおなじみの内容です。
ただし注意点があります。リジッド部で選んだ銅箔厚は、同じ積層システムの一部であるため、フレックス部で実現可能なことにも影響します。リジッド部の外層銅が厚い場合、その銅は意図したかどうかにかかわらずフレックス部にも持ち込まれます。それ自体が直ちに問題になるとは限りませんが、十分に検討しておくべきです。
フレックスゾーン
このゾーンでは、銅箔厚の判断が基板の性能に最も直接的な影響を与えます。
銅が厚いほど回路は硬くなります。これは当然のように聞こえますが、実際上の影響がレイアウト段階で十分に考慮されていないことは少なくありません。0.5 oz銅がフレックス部で一般的なのは、まさにこのためです。より曲がりやすく、断面全体に応力をより均一に分散でき、重い銅よりも繰り返しの屈曲サイクルに対して優れた耐久性を示します。動的フレックス用途で1 ozを使うなら、設計を出図する前に製造業者と相談する価値があります。2 ozがフレックス部で適切となるのは、曲げ要求がほぼ静的で、かつ電流容量の都合上ほかに選択肢がない場合に限られることがほとんどです。
銅箔の種類も重要で、私が目にする製造図面では特に指定不足になりがちな項目の1つです。電解銅は多くのリジッド基板製造で標準ですが、リジッド部ではそれで問題ありません。しかし、繰り返し曲げられるフレックス部では、圧延焼鈍銅の方が適しています。結晶粒の方向がED銅よりもフレックス応力への耐性に優れています。もしあなたの用途で曲げ寿命が重要で、しかもフレックス部にRA銅が指定されていないのであれば、そこは再考すべきポイントです。
配線形状も銅箔厚と見落としやすい形で相互作用します。薄い銅であれば、所定のインピーダンス目標に対してより細い配線が可能になり、回路と一緒に動く銅の質量も少なくなります。曲げ軸に対して直交する配線、直角ではなく曲線的なルーティング、断面全体でのバランスの取れた銅分布。いずれも標準的なフレックス設計の考え方であり、適切な銅箔厚の上でこそ、よりうまく機能します。
移行ゾーン
リジッド部とフレックス部が接する領域こそ、多くのリジッドフレックス問題が実際に始まる場所であり、銅箔厚もその一因です。定義上、移行ゾーンには応力集中が生じます。回路は拘束され支持された構造から、柔軟な構造へと移行し、その機械的挙動はまさにその境界で急激に変化します。移行部に厚い銅が通っていると、その急激さはさらに増します。フレックス部が必要な動きをするのを妨げる、より硬いポイントが生まれるからです。まさに、先ほど触れた基板で起きたのがこれでした。層は移行部からフレックス部まで接着されたままでした。銅箔厚がその剛性をさらに高めました。その結果、物理的に曲がらない回路になってしまったのです。
ここで役立つことはいくつかあります。リジッド部の端で急に厚くするのではなく、リジッド部とフレックス部の間で銅箔厚をできるだけ一貫させること。高銅箔厚のプレーンをリジッド領域の端まで延ばさないこと。そして設計上許されるなら、移行ゾーンに必要と思われる以上の物理的長さを少し持たせること。応力分布は距離があるほど改善し、その効果は多くの人が想像する以上です。
スタックアップ確定前に製造業者と話す
これは、スタックアップが確定する前の方が、後からよりもはるかに正しく判断しやすい項目です。層数、積層材料、銅箔厚が決まってしまうと、そのどれかを変更するだけで、板厚、インピーダンス、場合によってはその基板を製造できる業者にまで影響が及びます。
早い段階で確認する価値があるのは、フレックス構造で標準的に使っている銅箔の種類は何か、RA銅を指定すると納期やコストにどう影響するか、あなたの曲げ要件に対して最もよく使われる銅箔厚は何か、どこで問題が起きやすいのか、といった点です。移行ゾーンに懸念がある場合、類似設計でどう対処してきたのかも聞いておくとよいでしょう。
日常的にリジッドフレックスを製造している業者は、こうした判断が後工程でどんな結果を招くかを、設計レビューでは再現しにくい形で見てきています。ぜひ質問してください。
設計をリリースする前に
製造に出す前に確認しておきたい点をいくつか挙げます。
- 基板全体に単一の銅箔厚が指定されているだけではなく、リジッド部、フレックス部、移行領域が実際に別々に検討されているか。
- フレックス部で銅箔の種類が指定されているか、それとも製造業者のデフォルトに任されているか。
- 動的フレックス用途に対して、0.5 ozのRA銅が指定されているか、あるいは明示的に不採用とされているか。
- スタックアップは、初品が届いた後ではなく、リリース前に製造業者とレビューされているか。
曲がらなかったあの基板から学んだのは、スタックアップと銅仕様が1つのシステムとして作り込まれていなければ、どれだけレビューを通過しても設計は機能しないことがある、ということです。フレックス部は実際に曲がれなければなりません。
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よくある質問
リジッドフレックス設計のフレックス部では、どの銅箔厚を使うべきですか。
0.5 ozが、フレックス部で最も一般的な出発点です。より曲がりやすく、応力をより均一に分散し、重い銅よりも繰り返しの屈曲サイクルに対して優れた耐久性を持ちます。1 ozは静的用途であれば使用可能ですが、採用前に製造業者と相談する価値があります。2 ozがフレックス部で適切になることはまれで、曲げ要件がほぼ静的で、かつ電流容量の都合上ほかに選択肢がない場合に限られます。
フレックス用途における圧延焼鈍銅（RA）と電解銅（ED）の違いは何ですか。
電解銅はリジッドPCB製造における標準であり、リジッド部では良好に機能します。圧延焼鈍銅は、繰り返し曲げの応力により適した方向に結晶粒構造を持つため、曲げ寿命が要求されるフレックス部では優先される選択肢です。製造図面でRA銅が明示的に指定されていなければ、多くの製造業者はEDをデフォルトとするため、指定しておく価値があります。
リジッド部の銅箔厚はフレックス部に影響しますか。
はい。リジッド部とフレックス部は同じ積層システムの一部であるため、リジッド部の重い外層銅は、意図していたかどうかに関係なくフレックス部にも持ち込まれます。これが自動的に問題になるわけではありませんが、製造後に気づくのではなく、スタックアップ作成時に考慮しておく必要があります。
リジッドフレックス設計の銅箔厚を決める際、いつ製造業者を巻き込むべきですか。
スタックアップを確定する前です。層数、積層材料、銅箔厚が固まってしまうと、そのどれかを変更するだけで、板厚、インピーダンス、さらにはその基板を製造できる業者そのものにまで影響が及ぶ可能性があります。日常的にリジッドフレックスを製造している業者は、こうした判断が後工程でどう効いてくるかを把握しており、早期に関与してもらうことはコストのかかるリスピンを避ける最も確実な方法の1つです。
筆者について
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目次
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