フレックスおよびリジッドフレックスPCBアプリケーション

製品にフレックス回路を設計する基本的な理由は2つあります。コンパクトで効率的に組み立てられるデバイスを構築するため、または製品の機械的機能と動的に統合するためです。もちろん、これらの理由の両方をフレックス回路の使用を正当化するために頼ることもできます。この点に注目して、フレックス回路を設計する際に頭に浮かぶ問題を見てみるために、いくつかのリジッドフレックスPCBアプリケーションと設計例を見てみましょう。

ダイナミックフレックスアプリケーション例

メカトロニクスガントリー

3DプリンターやCNCマシンヘッドで見つかるような、非常に典型的なダイナミックフレックスアプリケーションはメカトロニクスガントリーです。電子部品が機械要素と同じ動きを追う必要がある物理的に大きなシステムでは、これは別々のリジッドボードやモジュールで実現され、これらはケーブルで接続されます。より小さく、スリムなパッケージでは、フレックスリボンがより意味をなします。これは低プロファイルの組み立てを提供するとともに、必要な動きも実現します。

自然に、以下の例はX軸ガントリーに沿って配置され、Z軸ツールヘッドがそれに沿って移動します。以下の例ではここでの動きは2軸のみを示しており、ガントリー自体はY軸で動きます。

フレックスリボンの全長は、角と曲がりに加えて必要な最も極端な端距離です。動くz軸ツールヘッドの後ろにある角は、ガントリーに沿って動くx軸シャトル（おそらくスリーブベアリング上）に固定されます。端には、フレックスリボンセクションを終了するために剛性を追加します。このタイプのアプリケーションでは、単層の圧延焼鈍銅を使用し、実用的に可能な限り曲げ半径を大きく保つのが最善です。これにより、フレックスリボンの長さに沿って曲げ領域が転がされるため、寿命を最大限に延ばすことができます。

ガントリーフレックスデザインの例。

ガントリー製造考慮事項：パネル化

上記の例は、製造とコストについて良い質問を提起します。このような直角のL字型回路を使用すると、議論のために、製造パネルに6つの同一のフレックスリボンを収めることができます。これにより、パネルスペースの約50％が無駄になり、この特定のフレックス回路にコンポーネントが取り付けられる場合、工具のコストと時間も追加されます。組み込みボードアレイで作成された特定のフレックス回路のパネルの例を以下に示します。

CNCガントリーフレックス回路の組み込みボードアレイパネル化。

フレックスの良い点は、適切な材料を使用し、全体の組み立てを正しく計画することで、低半径の取り付け折り目も作成できることです。上のパネルで示されているような曲がったフレックス回路を使用する代わりに、恒久的な折り目を持つ静的フレックスセクションを配置することは、特定の状況下での良い代替手段です。次の図は、同じガントリーデザインを示していますが、前のバージョンで示された90°の角を置き換えるために、折り目を45°にしたものです。

静的な折り目を持つ再設計されたガントリーフレックス。

この折り目が明らかに便利になるのは、パネルを見たときです（下に示されています）。このタイプの折り目を持つフレックス回路を製造するには、ボードに曲げを設計する必要はありません。代わりに、フレックスPCBの直線セクションを使用できるので、今では単一のパネルでフレックスリボンの全配列を揃えることができます。この方法では、収率が大幅に向上します。パネルごとの増加した収率とピックアンドプレース組み立てのための工具の容易さにより、ボードごとの総コストが減少します。しかし、折り目のために組み立ての一方の端で反対側にコンポーネントを配置する必要があるため、これが相殺される可能性があります。

再設計されたガントリーボードを持つパネル。

回転装置

以下に示すリジッドフレックスPCBレイアウトをご覧ください。このレイアウトでは、フレックス層が恒久的な折り目ではなく、曲げによって作成されています。PCBエディターでの水平作業ガイドの使用に注目してください。これにより、現場でのフレックス回路セクションの曲線周囲に基づいたボードアウトラインの正確な設計が可能になります。また、PCBエディター内のボードプランニングモードでフレックス回路の曲げ線の正確な配置を可能にし、3Dモードでの正確なフレックス回路曲げシミュレーションを実現します。 

回転動的フレックス設計のためのPCBレイアウト。フレックスリボンは、固定ハウジングまたはアセンブリ内の中心軸とともに回転する別のコンポーネントに取り付けることができます。

この例では、ステッパーモーターがアセンブリに取り付けられ、モーターとその制御プリント回路基板が動いている間、シャフトは静止しています。フレックス回路は、固定ベースアセンブリの極端な端部で終端され、円筒形状に折りたたまれ、双方向の動きを可能にするために折り返されて設計されています。この設計の3Dビューは以下に示されています。

回転するステッパーモーター制御基板の3Dビュー。より長い「アーム」を使用することで、モーターとその制御基板の360°を超える回転が可能になります。

ステッパーモーターの3Dボディを含む、組み立ての完全に折りたたまれたビュー。

この組み立てがどのように動作するかのアイデアを得るために、動きの方向と固定されたフレックス回路の終端を見ることができます。このような配置により、360°を超える回転を比較的簡単に達成することができます。この例は仮想的なもので、ステッパーモーターを示していますが、この種の設計は回転センサーアプリケーションに適しているでしょう。終端されたリジッドフレックスセクションは、エンクロージャが回転している限り、エンクロージャ上のいくつかのコンポーネントにも取り付けることができ、リジッド制御基板セクションに接続を提供する簡単な方法を提供します。

静的フレックスアプリケーションの例

平面磁気（トランスフォーマーとインダクター）

統合平面磁気用のフレックス回路とリジッドフレックス回路の使用が人気を集めています。平面磁気用のフレックス回路を使用することには、いくつかの明確な利点があります。ポリイミドフィルムは、非常に高い巻線の絶縁を可能にする厚さで提供されるほか、高温安定性も備えており、熱いエナメルポッティングプロセスに適しています。損失の観点から見ると、エッチングされた銅トレースを使用する場合、トレースを広くする必要がありますが、これにより追加のインピーダンスがスキン効果から減少するため、渦電流損失を簡単に減少させることができます。

4巻きのインダクタの展開されていないソレノイドターン。

以下に示される巻かれた空芯インダクタの興味深い入出力スキーム。この巻かれたフレックスPCBアセンブリでは、各巻線の終わりが次の巻線の始まりと重なります。これは、単に複数の別々の巻線を持つのではなく、ターン数を増やすために行われる可能性があります。

巻かれたインダクタの巻線。

2の価格で18層

このコンセプトの自然な拡張として、折り重ねる意図でコンバータ設計にいくつかのフレックス層を含めることが考えられます。下に示された例では、2層フレックス回路トランスフォーマー設計が示されており、単一のE18平面フェライトコアがエンドターミネーター領域（左側）の切り抜きを通して突出しています。このアイデアは、最終的に折りたたまれたボードの厚さの実用的な限界があるものの、任意に拡張することができます。図11では、両面フレックスの上下の銅層がトランスフォーマー巻線用の18の使用可能な層を提供します。

コアの中心脚の切り抜きの周りには、インダクタ巻線のための単一のターンを作ることができます。側脚の周りにトラックをスネークさせると半ターンを得ることができ、復路がトランスフォーマーコイルのもう半ターンを提供します。一緒に、折りたたまれた導体セクションは、磁場を生成および受信できる一連の積み重ねられた電流ループを形成します。

フレックス回路トランスフォーマーの上面図。上層には単一の大電流巻線が示され、下層には6つの小電流巻線がルーティングされています。

これは混乱するかもしれませんが、フェライトコアのジオメトリーに対する各折りたたみセクションの関係に応じて、適切な巻き方向を追跡する必要があります。この全体のフレックス回路が直交して折りたたまれることを考慮して、隣接する巻き層と反対方向を向く矢印をデザインのMechanical 1レイヤーに追加し、銅をどのようにルーティングするかを思い出させるようにしました。これは下に示されています明確にするために。

Mechanical 1レイヤーは、ボードのアウトラインとガイダンスのための巻き方向矢印を示しています。

最終的なコアアンドフレックス組み立ては下に示されています。これは、回路の大部分がリジッド2層プリント基板上にあり、追加の層がすべてのコア巻線に必要なフレックス部分が使用されるリジッドフレックスデザイン内に統合される可能性があります。もちろん、大きなフレックス領域を使用するか、リジッドオンリーデザインに多くの層を追加するかの間には、コストのトレードオフが生じるでしょう。

最終的に完全に折りたたまれたトランスフォーマー、カットアウトを通してのFerroxcube E18フェライト磁気コアの3Dモデル。

多層リジッドフレックス

軍事、航空宇宙、または同様の高密度設計において、狭いスペースでコンパクトで信頼性のあるアセンブリを必要とする場合、リジッドボードエリア間に複数のフレックス回路層を使用することを避けるのは難しいです。特に、高速デジタル設計では、フレックス領域を横切るバス間のシールドやプレーン層が必要であるため、これが必要です。ここでの課題は、十分な柔軟性を維持することです。フレックス回路の層数は最小限に抑える必要があり、通常は単一のポリイミド基板の上に2つの銅層が必要です。

「通常の」設計では、フレックス回路セクションの長さは重なり合うフレックス領域で同じです。これは、最終的なアセンブリに配置されると、リジッドボード間のフレックス領域に重大なテンションが生じる状況になります。

外側のフレックス回路におけるテンションと、内側の回路の圧縮は、複数の重なり合うフレックス層が同じ長さで設計されたときに発生します。この設計で使用される接着ビードの「押し出し」を注意してください。ちょうどフレックスがリジッドセクションに入るところです。

この時点で、ほとんどの専門的なリジッドフレックス基板製造業者は、「ブックバインダー」構造を使用するように言うでしょう。ブックバインダー構造は、フレックス回路の曲がりのその場での半径を使用して、層スタック内の各フレックス回路と基板の組み合わせに対して正しい長さを決定する実行可能な方法です。この概念の例を示す図は、以下のIPC-2223bの抜粋に示されています。

ブックバインダー構造 [出典: IPC-2223B, 2008 p26]。

この方法がお金がかかり、設計の挑戦を増やすことになるのはすぐにわかります。しばしば、より良い代替案は、同じ長さと半径のフレックス回路を使用することですが、異なるフレックス回路層を分離して、それらが重ならないようにします。この例は以下に示されています。

代替ブックバインダー構造。通常、フレックスセクションは重なる可能性があり、低い張力/圧縮を維持するために異なる長さが必要になります。この代替案では、フレックスセクションがリジッドセクションの端にわたって異なる領域に配置されるため、もはや重なる必要がありません。

層数を犠牲にすることなく超タイトな曲げ

曲げ領域に沿ったいくつかの創造的な設計選択をすることで、銅層を失うことなく非常にタイトな曲げを実現することが可能です。

以下に示された小さな基板は、「S」形のリボンを使用して曲げを定義し、補強された領域の端に沿って最小曲げ半径を減少させています。この写真では見えませんが、基板の裏側に薄い補強材が貼り付けられた部分にはコンポーネントが取り付けられています。

複数の銅層を持つ基本的に180°の曲げ半径。

このコンセプトは複数の方向に拡張することができます。以下に示されたPCB設計は、超柔軟なPCBディスプレイ基板です。より広く、より硬いセクションにある多数のLEDをマトリックス上で見ることができます。銅とPIフィルムの層が多数積層されているため、そのセクションのみで全体が剛性を持っています。再び、S曲げをそれらのLEDマトリックス領域の間に使用することで、このアセンブリを曲線的なハウジングにより容易に曲げることができます。

X-Y S曲げフレックスアレイ。

このコンセプトをさらに推し進めると、以下に示す非常にコンパクトな設計が得られます。この例のフレックス回路セクションには8層が含まれています。通常、フレックス回路は、剛性セクション間に直接リボンとして配置された場合には柔軟性を持たないでしょう。しかし、S字曲がり（上部のフレキシブル素材層がすべてシールド用の無地の銅であることに注目！）の多用により、数百もの高速メモリおよびディスプレイ接続があっても、最終的な機械的ハウジングに十分に曲げて入れることができます。

フレックスの8層に加え、さらに4層の剛性PCB層があります。フレックスの最上層がシールドのために完全に銅プールであることに注目してください。また、剛性とフレックスのインターフェースの端にある保護用接着剤にも注目してください。

Altium Designer®にある完全なPCB設計および製造機能セットを使用すれば、どんな剛性-フレックスPCBアプリケーションの設計も簡単です。設計データを製造業者にリリースする準備ができたら、Altium 365™プラットフォームを通じて設計を簡単に共有および協力することができます。高度な電子機器を設計および生産するために必要なすべてが、1つのソフトウェアパッケージに含まれています。

私たちは、Altium 365上でAltium Designerを使用して可能なことの表面をかすめただけです。今日、Altium Designer + Altium 365の無料トライアルを始めましょう。