フレックス回路設計ガイド：フレキシブル回路の基礎

最近、学生たちにプリント基板の製造について話をした際、硬質プリント基板を設計したことがある人は手を挙げてくださいと尋ねました。室内の約75%が手を挙げました。続いて、フレキシブル回路を設計したことがある人に手を挙げてもらうと、手を挙げる数が劇的に減りました。これには驚くべきことではありません。フレックス回路はプリント基板業界の成長セグメントであるにもかかわらず、多くの経験豊富なPCBデザイナーがまだフレックス材料を使用したことがありません。大学時代を振り返ると、私のフレキシブル回路に関する知識は「プリンターの中で前後に動くその白いリボン」についてのみだったと思います。

ポリエステル上のそのフレキシブル回路は、間違いなくフレックス市場の大きな部分を占めています。RFIDタグによって駆動されるボリュームを否定することはできません。これらはしばしば、フレキシブルなポリエステル材料上にアルミニウムを使用します。しかし、フレックス回路の製造や設計について話を求められるとき、それはほとんど常にフレキシブルなポリイミド材料を利用する市場セグメントを対象としています。これらの材料は、フレックスおよびリジッドフレックスの世界で標準とされており、PCBスタックアップと統合し、標準的なインターコネクトを使用してリジッド領域とフレキシブル領域の間のルーティングを簡素化します。このガイドでは、設計から始まり、製造に使用されるさまざまな材料やプロセスをカバーして、フレックスPCBがどのように作られるかを見ていきます。

フレックスPCB設計プロセス

フレックスPCBとリジッドフレックスPCBの設計とレイアウトは相互に関連しています。フレックスとリジッドフレックスの主な違いは、ボードのリジッドな端に跨るインターコネクトです。標準的なリジッドPCBと同様に、フレックス設計プロセスはスタックアップの設計、コンポーネントの配置、トレースのための経路の計画とルーティング、そして製造の準備のためにレイアウトをクリーンアップすることから始まります。フレックスセクションが必要な機械的特性を持つようにするためには、スティフナーの追加、カバーレイやフォトイメージャブルはんだマスク材料の選択、または設計内での静的な曲げの設定など、いくつかの追加のステップが必要です。

フレックスリボンの設計プロセスの多くがスタックアップとそのリジッドセクションとの統合を中心に展開されるため、スタックアップの設計はフレックス/リジッドフレックスPCBの設計プロセスにおいて重要な部分です。さらに、ボードの特定の領域における銅の重さやコンポーネント/ルーティングの密度などが柔軟性を制限することがあり、リジッドフレックスボードが好ましい選択となることがあります。フレックスまたはリジッドフレックスの設計を始めるにあたり、最終組み立ての以下の側面と、その設計がどのようにエンクロージャに統合されるかを考えてみてください：

• フロアプランニング： フレックスリボンがPCBA内でどのように曲がる必要があり、どのようにしてその設計がエンクロージャに取り付けられるか？ 曲げられる領域と取り付けられる領域はコンポーネントがない状態である必要があり、高ピンカウントのICや高密度の回路にはリジッドセクションを使用することを検討するかもしれません。フレックスリボンが高コンポーネント数のボードエリアに対してどの位置にあるべきかを決定します。
• レイヤー数：ルーティングに必要なレイヤー数はいくつで、その中でいくつかは剛性セクションに必要ですか？剛性セクションがある場合、フレックスリボンはスタックアップの中央に配置する必要がありますが、これは（例えば、高速設計の場合など）多くのプレーンが必要な場合にルーティングを難しくする可能性があります。
• 剛性：より剛性の高いボードを受け入れることができますか、それとも非常に柔軟なアセンブリが必要ですか？これは、コンポーネントの密度、銅の重さ、またはフレックスリボンの特定の部分にスティフナーを追加することで制御できます。非常に剛性の高いポリイミドセクションが必要な場合、完全に剛性のあるセクションを配置する価値があるかもしれません。スティフナーは、フレックスリボン上の高いコンポーネント密度をサポートするために使用でき、剛性セクションを統合するよりも費用がかかりません。
• 高ピン密度コンポーネント：小さなSMDコンポーネントのような受動部品は、ポリイミドフレックスリボン上に簡単に配置できます。BGAパッケージの他のコンポーネントは、より高度なビア構造と、ルーティングをサポートするためのより多くの内部レイヤーを必要とします。高速またはRF設計の場合、必要なインピーダンスやグラウンドの連続性（例えば、単端信号用）を提供するために、ハッチングされたプレーンレイヤーが必要になる場合があります。また、隔離のためにも必要です。

アプリケーションの要件によっては、これらの要件のバランスを取る必要があるかもしれません。その間、設計者はリジッドフレックスまたはフレックス設計が製造可能であり、現場での信頼性があることを確認する必要があります。

• 設計ツールでのリジッドフレックスPCBスタックアップの設計についてもっと学ぶ

フレックス/リジッドフレックスPCBの材料

フレキシブルな回路設計を進めることに決めたら、念頭に置くべき主要な項目は何でしょうか？これらについては将来のブログで詳しく検討しますが、プロセスを開始するためには材料セットを考慮する必要があります。フレックスPCBに必要な材料には、基材（ポリイミド、銅箔）、カバーレイ材料（ポリイミドまたは液体フォトイメージャブル）、そして最後にスティフナー材料が含まれます。

• フレキシブルPCB材料についてもっと学ぶ

フレキシブル基材とカバーレイ材料

基材自体とカバーレイを理解することが重要です。アプリケーションは接着剤なしの材料を必要としますか？それとも接着剤ベースの材料を必要としますか？アプリケーションにはUL要件を考慮する必要がありますか？アプリケーションに最適な銅の重さとポリイミドの厚さは何ですか？製造業者はどのような材料を常備していますか？（ヒント：材料に柔軟性がある場合、常備されているフレキシブル材料はコストを抑えるのに役立ちます）

一部のアプリケーションには、非常に狭いパッド開口部を形成する能力を提供する柔軟な液体フォトイメージャブルカバーレイが最適です。設計が動的な屈曲を要求する場合、アプリケーションはフィルムベースのポリイミドカバーレイ材料を使用すべきです。フィルムベースは、必要なパッドサイズに応じて、レーザーカット開口部または穴あけ開口部のいずれかを持つことができます。

補強板

アプリケーションが重いコンポーネントをサポートし、追加の補強板の堅牢性から恩恵を受けることができますか？異なるコンポーネントとアプリケーションは、フレックスリボンやPCBAでの機械的挙動をサポートするために異なる補強板を必要とします。一般的な補強板には以下が含まれます：

• FR4補強板：剛性のあるFR4エポキシ含浸ガラス繊維は、フレックス領域にラミネートとして効果的に適用される最もシンプルな補強板です。
• 剛性ポリイミド：剛性化されたポリイミド層は、追加のポリイミドシートを積み重ねて局所的な厚みの増加を生じさせることにより、領域を補強するために使用できます。これは通常、ZIF（ゼロ挿入力）コネクタで終端する場合に使用され、適切な厚みを構築するためにポリイミド補強板が使用されます。
• コネクタ/コンポーネント補強板：このアプリケーションに使用する材料オプションには、金属、FR4、またはポリイミドが含まれ、フレックス接着剤または圧力感応性接着剤で熱的に接合されます。

フレックスおよびリジッドフレックススタックアップ

フレックスおよびリジッドフレックスPCBスタックアップは、上記の材料をフレックス領域とリジッド領域に混合し、単層または多層ボードとして構成します。フレックス基板上に構築された多層PCBは、リジッドセクションとのインターフェースの方法、フレックスセクションでのルーティング方法、コンポーネントを配置できる場所という点で、やや異なる設計ルールに従います。フレックスPCBスタックアップは、通常、接着剤-銅-接着剤層を重ねてレイヤースタックを構築し、その後、プリプレグを使用してリジッドスタックにラミネートするか、下層のフレックスポリイミド層を保護するためにカバーレイ層でトッピングします。以下に示すのは、両端にリジッドセクションを含むフレックスPCBスタックアップの例です。

• フレックスPCBレイヤースタック構築プロセスについてもっと学ぶ

上記の画像では、リジッドセクションを省略して、基本的に同じプロセスで同タイプのフレックススタックアップを構節することができます。違いは、フレックス領域を結合するリジッドセクションの省略にあります。代わりに、カバーレイでトップされたフレックス材料を使用します。はんだ付け中に上部/下部のカバーレイ層を保護するために使用できるはんだ抵抗もあります。

製造業者の能力

既存の優先製造業者は、柔軟な材料を定期的に扱っていますか？あなたのデザインの複雑さは、優先製造業者の能力とよく合っていますか、それとも彼らの専門分野を超えてしまっていますか？これは考慮すべき事項の全てを網羅しているわけではありませんが、柔軟な回路を設計する際の思考プロセスを開始することを目的としています。PCB製造業者は重要なリソースとなりますので、信頼性の高い製造が可能かどうかを確認するために提案されたスタックアップで彼らに連絡するべきです。彼らは材料と製造プロセスを理解しており、柔軟なPCBに関する学習曲線を顧客が乗り越えるのを常に喜んで支援します。

• フレックス/リジッドフレックスPCB製造プロセスについてもっと学ぶ

フレックスPCBとリジッドフレックスPCBデザインのメリット

柔軟な回路設計に慣れていない方のために、設計者が柔軟な材料を使用することを推進するいくつかの主要なメリットを見てみましょう。フレックスまたはリジッドフレックスPCBデザインが意図した通りに製造可能であることを確実にするためには、特定の設計上の考慮が必要ですが、これらのデザインは、リジッド回路基板では見られない多くのメリットを提供します。

• 空間と重量：今日の電子設計では、最終製品のサイズと重量を削減することが課題となっています。柔軟な材料は、よりかさばるワイヤーやはんだ接続を置き換えることができ、その節約効果は適切な状況下で最大60%にも達するとよく言われています。これは非常に大きなことです。
• パッケージングの利点：柔軟な回路を角を曲がったり、三軸接続を提供できる能力は、従来のワイヤーやケーブル、硬質プリント基板材料と比較して、PCB設計者に大きな利点を与えます。実際、これらの利点を最大限に活用する能力は、想像力によってより制限されていると言えます。
• 組み立ての簡素化：かさばるワイヤーやケーブルと比較して、シンプルなフレキシブル回路は組み立て作業を大幅に短縮できます。1つのフレックス回路で、部品表の複数の項目を置き換えることができます。
• 熱管理：ポリイミド材料は高熱アプリケーションに耐えることができ、薄いポリイミドは厚く、熱伝導性の低い材料よりも熱をはるかによく放散するため、高電力、高周波設計に最適な選択肢となっています。
• 生体適合性：ポリイミドとLCPは、生体適合性に優れた選択肢であり、そのために医療用途やウェアラブルデバイスに定期的に使用されています。興味深いことに、銅ではなく金を導体として使用する柔軟な回路への関心が高まっているのを見ています。これは完全に生体適合性のあるオプションを提供します。

製造後、フレックス部分の回路基板アセンブリは、静的な曲げでそのエンクロージャに配置することができるか、またはエンクロージャや他の機械要素と動的にフレックスさせることができます。時には、柔軟な回路が「設置時にフレックス」と設計されることがあります。つまり、最終的な電子機器に回路が取り付けられる際に、曲げられたり折りたたまれたりすることを意図しています。その他の場合、アプリケーションでは回路が数百回、数千回、あるいは数百万回フレックスすることが求められます。ディスクドライブは、ダイナミックにフレックスするアプリケーションの一般的な例としてよく挙げられますし、私たちのラップトップコンピューターのヒンジにある柔軟な回路もそうです。設計プロセスは、静的および動的なフレックスアセンブリでわずかに異なり、主な考慮事項は曲げ中に発生する変形です。

• 静的および動的なフレックスリボンの設計についてもっと学ぶ

フレックスおよびリジッドフレックスPCBの設計エンジニア、レイアウトエンジニア、そしてSI/PIエンジニアは、設計およびレイアウトのニーズに対してAltium Designer®の高度な設計ツールを信頼しています。設計が完成し、製造に移行する準備ができたら、Altium 365™プラットフォームを使ってプロジェクトの共有やコラボレーションを簡単に行うことができます。Altium Designerは、人気のあるMCADおよびシミュレーションアプリケーションとも統合されており、マルチボードシステム内の電力と信号の挙動をよりよく理解することができます。

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