最適な組み立てと信頼性のためのフレックスおよびリジッドフレックスPCB設計

電子機器の世界が急速に進化する中、フレキシブルおよびリジッドフレックスプリント基板（PCB）への需要は増え続けています。フレキシブルな材料は、パッケージングの制約と耐久性に別のレベルの多用性を提供し、ウェアラブルから航空宇宙システムまで、幅広いアプリケーションに理想的です。しかし、フレックスおよびリジッドフレックスPCBの設計と組み立ては、最適な性能と信頼性を確保するために慎重な検討が必要な独自の課題を提起します。このブログ投稿では、組み立てと信頼性のためのフレックスおよびリジッドフレックスPCB設計の重要な考慮事項を見ていきます。

設計決定の重要性を理解する

フレックスおよびリジッドフレックスPCBは、従来のリジッドPCBと比較して独自の設計上の考慮事項を提示します。材料選択から導体のルーティングに至るまで、すべての設計決定は、組み立ての収率、信頼性、および全体的な製品品質に大きな影響を与える可能性があります。ここでは、考慮すべき主要な要因を詳しく見ていきます：

材料選択：フレックスおよびリジッドフレックスPCBに適した基板材料を選択することが重要です。材料は、曲げや厳しい運用条件に耐えるために十分な柔軟性、耐久性、および熱安定性を提供する必要があります。一般的に使用される材料について、製造業者と相談してください。

• 基板材料：優れた機械的柔軟性を提供するフレキシブル基板材料、例えばポリイミド（PI）や液晶ポリマー（LCP）を選択します。これらの材料は、繰り返し曲げられたりフレキシングされたりしても性能を損なうことなく耐えることができる高い引張強度と寸法安定性を持っているべきです。
• 接着剤およびカバーレイ：層間の強力な結合を提供し、湿気、温度変化、化学的曝露などの環境要因からトレースを保護する接着剤およびカバーレイ材料を選択します。リジッドおよびフレキシブル基板の両方に良好な接着性を持つ材料を選択して、堅牢な構造を確保します。ポリイミドベースのカバーレイやフォトイメージャブルカバーレイを検討する際のコストと信頼性のトレードオフについて、製造業者と話し合ってください。
• 誘電率および損失角：高速およびRFアプリケーションでの信号整合性を維持し、信号減衰を最小限に抑えるために、基板材料の誘電率および損失角を考慮します。広い周波数範囲にわたって安定した電気特性を持つ低損失材料が好まれます。

部品配置： 任意のPCB設計と同様に、最適な組み立てと信頼性を確保するためには、戦略的な部品配置が不可欠です。曲げや折りたたみが加わる設計は、組み立てプロセス中の損傷のリスクと複雑さの別の層を追加します。

• 曲げ領域およびストレスポイント：運用または組み立てプロセス中に曲げが発生するフレックスおよびリジッドフレックスPCBの領域を特定します。これらの曲げ領域に部品、ビア、またはトレースを配置しないようにして、機械的ストレス集中を防ぎ、時間の経過とともに疲労や故障につながる可能性があります。理想的には、トレースは曲げ領域に対して垂直に走り、遷移がありません。
• キープアウトゾーン：曲げ領域の周りにキープアウトゾーンを定義して、部品やトレースが干渉なく曲げるための十分なクリアランスを確保します。曲げや取り扱い中の接触や衝突を防ぐために、部品間の適切な間隔を維持します。
• 重要な部品：信号整合性、熱管理、およびアクセシビリティを最適化するために、IC、コネクタ、および受動デバイスなどの重要な部品の配置を優先します。機械的ストレスが発生しやすい領域や頻繁に曲げが発生する領域から部品を配置します。
• ルーティングおよびトレースジオメトリ：フレックスおよびリジッドフレックス設計における信号整合性と信頼性を維持するためには、慎重なルーティングとトレースジオメトリが重要です。鋭い曲がり角を避け、トレース幅を最適化し、インピーダンスの変動を最小限に抑えることが重要な考慮事項です。

ルーティングおよびトレースジオメトリ

• トレース幅と間隔：回路の電流容量とインピーダンス要件に適したトレース幅と間隔を使用します。高電流または高速信号経路では、抵抗、クロストーク、および信号歪みを最小限に抑えるためにトレース幅を広げ、間隔を狭めることを検討してください。製造業者の能力を理解し、理想的には境界を押し広げないように、それらの能力に合わせて設計してください。
• コーナーと曲げ半径：トレースの鋭角コーナーや狭い曲げ半径を避け、基板材料の機械的応力集中や亀裂、剥離の可能性を防ぎます。ストレスを均等に分散させ、構造的完全性を維持するために、滑らかな遷移を持つ曲線トレースを使用してください。
• レイヤースタッキングとビア配置：多層フレックスおよびリジッドフレックス設計において、信号反射、インピーダンスミスマッチ、および信号スキューを最小限に抑えるためにレイヤースタッキングとビア配置を最適化します。リジッドフレックス設計では、可能な場合にはブラインドビアや埋め込みビアを使用して信号経路の長さを短縮し、信号整合性を向上させます。

コネクタ設計

• コネクタタイプと向き：フレックスおよびリジッドフレックスPCBと互換性のあるコネクタ、例えばFPC/FFCコネクタ、ZIFコネクタ、またはコンプライアントピンを持つボード間コネクタを選択します。低プロファイルの設計と確実なロック機構を備えたコネクタを選択して、信頼性の高い電気接続と機械的安定性を確保します。
• 補強とストレインリリーフ：フレキシングや振動中の剥離、はんだ接合部の疲労、またはコネクタの取り外しを防ぐために、リジッドスティフナーやポリイミドスティフナーでコネクタ取り付けエリアを補強します。機械的ストレスを分散させ、コネクタの寿命を延ばすために、ストレインリリーフ構造を取り入れてください。

組み立てと信頼性のためのフレックスおよびリジッドフレックスPCB設計は、主要な意思決定ポイントの理解と、PCB設計、PCB製造、およびPCB組み立てチーム間の強力な協力を必要とします。これらの主要領域は良い出発点ですが、設計およびプロトタイププロセス中にすべての関係者からフィードバックを得る意図的なクローズドループプロセスが最善の方法です。