フレキシブルプリント基板設計のベストプラクティス

複数のフレキシブルサブスタック

リジッドとフレキシブルのセクションからは、ほとんどのスタックアップの構築が可能ですが、関係する製造手順と材料の性質を十分に考慮しないと、製造が非常に高価になる可能性があります。フレキシブル回路について留意しておくべき重要な要素の1つは、回路が折れ曲がるときに材質内に発生する負荷です。非鉄金属である銅は加工硬化が起こりやすく、また小さな半径で繰り返し折り曲げられると、やがて疲労破断が起きることが知られています。この問題を軽減する方法の1つは、単層フレキシブル回路のみを使用することです。それにより、下記に示すように、銅箔は折り曲げ半径中央値の中央に位置するため、フィルム基層とカバーレイが最大の圧縮および張力を受けることになります。

同様の方法として、複数の別のフレキシブル回路も多くの場合に必要となりますが、重なっているセクションで、フレキシブルセクションの長さが折り曲げ半径を制限する場所を曲がり目にするのを避けることをお勧めします。ポリイミドは非常に高い弾力性があるため、これは問題とならず、繰り返し動作を行った場合の寿命は、複数の銅レイヤーの場合よりもはるかに長くなります。銅箔は折り曲げ半径中央値の中央に位置するため、フィルム基層とカバーレイが最大の圧縮および張力を受けることになります。

折り曲げが多く発生する回路の場合、シングルレイヤーフレキシブルにRA銅箔を使用して、回路内の銅箔の疲労寿命(障害が発生するまでの折り曲げ回数)を増やすのが最良です。

接着性ビーズ、補強板および終端

フレキシブル回路がリジッド基板から出ていく部分で補強材の使用の検討が必要なことがあります。エポキシ、アクリル、またはホットメルトのビーズを追加すると、アセンブリの寿命を延ばすため役立ちます。しかし、これらの液体を塗布して硬化させる場合、製造プロセスに面倒な手順が加わり、コストが増えることになります。PCB設計ではつきものですが、ここでもトレードオフがあります。

液体の自動塗布を使用することもできますが、接着剤の塊がアセンブリの下に垂れることがないよう、アセンブリ技術者と十分注意して共同作業を行う必要があります。場合によっては接着剤を人手で塗布する必要があり、さらに時間とコストが必要です。いずれの場合も、製造やアセンブリの担当者に明確なドキュメントを渡す必要があります。

フレキシブル回路の最終端には、一般的に、メインのリジッド基板アセンブリに接続するのでなければ、コネクタが接続されます。このような場合、終端に補強板 (接着剤付きの厚いポリイミドまたはFR-4) を貼付できます。その際、一般的には、フレキシブルの終端はリジッドフレキシブル部分内にも埋め込んだ状態にするのが便利です。

リジッドフレキシブルPCBパネル

リジッドフレキシブル回路はアセンブリプロセスのためパネル内に維持されるので、硬い終端部にコンポーネントを配置して半田付けできます。一部の製品では、フレキシブル部分の一部の領域にもコンポーネントの取り付けが必要となり、この場合はアセンブリ時にフレキシブル部分を支持するため、パネルに追加のリジッド領域を取り付ける必要があります。これらの領域はフレキシブルに接着されず、深さのコントロールされたルータービット(「マウスバイト」付き)で外にルーティングされ、最終的にアセンブリ後にパンチ加工されます。

リジッドフレキシブルPCBパネルの例。この例には前面および背面の基板エッジとフレキシブル回路があり、外にルーティングされていることに注意してください。リジッド側はV字型の溝が付けられており、後で切り離されます。これにより、筐体への組み込みの時間を節約できます（出典: YYUXING Shenzhen Electronics Co., LTD.）。

レイヤースタック設計、部品配置、カットアウトの点を見ると、問題が解決したかのようにも思えますが、フレキシブル回路には、厄介な材料の癖がいくつかあることも忘れないようにしましょう。接着剤のZ軸方向の膨張係数が比較的高いことや、PI基層やカバーレイと銅箔の接着性が低いこと、銅の加工硬化や疲労に至るまで、材料にはさまざまな癖があります。こうした癖も、いくつかの「すべきこと」と「してはいけないこと」に従うことで大部分を補うことができます。

フレキシブル基板を柔軟に保つ

当たり前のことのように思えるかもしれませんが、改めて言っておきましょう。どの程度の屈曲が必要なのか、また繰り返しの屈曲が必要なのか、それとも静的に曲がる設計にするのかを事前に決定します。ハンドヘルド式超音波装置のように、フレキシブル回路のセクションが組み立ての際に折り曲げられ、固定された状態で置かれるだけであれば、レイヤー数や銅箔の種類（RAかEDか）などはかなり自由になります。一方、フレキシブル回路セクションが継続的に動いたり、曲がったり、回転したりする場合は、フレキシブルの各サブスタックのレイヤー数を減らし、接着剤のない基板を選択する必要があります。

そして、IPC-2223にある式（片面なら式1、両面なら式2など）を使って、銅箔の許容変形量と他の材料の特性から、フレキシブル部の最小許容曲げ半径を決めることができます。

この例の式は、片面フレキシブル部用です。組み立てられたフレックスPCBで使用できますが、折り曲げ線の位置が間違っていると、コンポーネントのリード線の半田付け箇所に応力がかかる可能性があります。対象用途に基づいてEBを選択する必要があり、RA銅箔を1回折り曲げて取り付ける場合16%、「折り曲げて取り付ける」場合は10%、「動的」なフレックス設計の場合は0.3%となります（出典:IPC-2223B、2008 http://www.ipc.org/TOC/IPC-2223B.pdf）。ここでの動的とは、モバイルDVDプレーヤーのTFTパネル接続など、製品の使用中の連続的な屈曲と回転を意味します。

角を曲げず、曲線のトレースを使用する

一般的に、銅配線はフレキシブル回路の曲げに対して直角に保つようにするのがベストですが、設計状況によってはこれができない場合もあるでしょう。そのような場合は、トラックの作業ではできるだけ緩やかに曲げ、機械製品の設計に応じて、円錐半径の曲げを使用してください。また下の画像のように、急な直角のあるトラックワークを避けることがベストであり、45°のハードコーナーを使用するよりも、アークコーナーモードでトラックを配線することをお勧めします。これにより、折り曲げ時の銅の負荷が減少します。

望ましい折り曲げ位置。

急な幅の変更を避ける

トラックがパッドに入るたびに、特にフレキシブル回路ターミネーター（下図）のようにトラックが一列に並んでいる場合には、時間の経過とともに銅が疲労し、脆弱な箇所が生じます。補強板を適用したり、トレース幅の遷移付近に一度だけ折り目を付けたりしない限り、パッドから先細りにすることをお勧めします（ヒント: フレキシブル回路のパッドとビアにティアドロップを配置します）。

トレース幅の変更とパッドへの接続により、脆弱な箇所が生じる可能性があります。

パッドのサポートを追加する

フレキシブル回路上の銅箔は、折り曲げに伴う繰り返しの負荷と、銅の基板への接着力の低さ（FR-4と比較）のため、ポリイミド基板から剥離する可能性が高くなります。そのため、露出した銅箔をサポートすることが特に重要になります。スルーホールメッキは、あるフレキシブル層から別のフレキシブル層への適切な機械的アンカーを提供するため、ビアは本質的にサポートされています。このため（Z軸の拡張と同様）、多くの製造業者は、リジッド回路基板の従来のメッキに加えて、リジッドフレキシブルおよびフレキシブル回路には、最大1.5milのスルーホールメッキを追加することを推奨しています。表面実装パッドおよび非メッキスルーパッドは非サポートと呼ばれ、剥離を防ぐために追加の対策が必要です。

メッキ、固定スタブ、および小さくしたカバーレイのアクセス開口部により、スルーホールパッドをフレキシブル基板でサポートします。

SMTコンポーネントパッドは、特にフレキシブル回路がコンポーネントのリジッドピンと半田フィレットの下で曲がる可能性があるため、最も脆弱です。以下のパッドとトレースの配置は、 カバーレイの「マスク」開口部 を使用してパッドを2つの側面に固定することで、問題を解決する方法を示しています。適切なはんだ量を確保しながらこれを行うには、パッドを一般的なリジッド基板のフットプリントよりもいくらか大きくする必要があります。これにより、フレキシブル回路部品の実装密度は明らかに低下しますが、フレキシブル回路の密度は性質上リジッド回路に比べてそれほど高くはありません。

各パッドの両端に固定されているSOWパッケージのカバーレイ開口部。

PCB設計ソフトウェア内には、「カバーレイ」層は特にありません。マスク層を使用して、カバーレイの開口部をパッドの周囲に定義する必要があります。これは、フレキシブル部分内の最上部のソルダーレイヤーで行うことができます。ソルダーマスクの場合と同様に、マスクレイヤーに開口部を配置してカバーレイ開口部を定義するだけです。正確な実装を確実に行い、固定に十分なカバーを追加するために、フットプリントのパッドも変更する必要があります。0603コンポーネントのフットプリントの例を以下に示します。

このフットプリントでは、パッドサイズと上部のはんだ層を使用して、SMDパッシブのパッドとカバーレイ開口部をリジッドフレキシブルPCBに取り付けるために配置する方法を示しています。上部のランドパターンは公称0603パッケージ用で、下部は同じコンポーネントのフットプリントですが、カバーレイ開口部が変更されています。

はみ出しを可能にする

カバーレイが銅箔および基板上にラミネートされる場合、カバーレイを適用するときに、一部の接着剤がパッド周囲のカバーレイ開口部から「はみ出す」ことがあります。はみ出しを可能にするためには、パッドのランドとアクセス開口部が、接着剤のはみ出しに十分な大きさでありながら、強力な半田フィレットのために十分な銅箔の露出を残している必要があります。IPC-2223では、高信頼性設計の場合は穴の周囲で360°の半田濡れを推奨し、中程度の信頼性のフレキシブル設計では270°の半田濡れを推奨しています。

接着剤がはみ出しやすいように、パッドとカバーレイの開口部の大きさを調整します。

両面フレキシブル配線

ダイナミック両面フレキシブル回路の場合は、同じ方向にトレースを重ねないようにしてください。代わりに、隣接するレイヤー間でトレースをずらして配置し、トレースが重ならないようにします。これにより、銅箔層間で銅がより均一に分散され、トレースにかかる張力負荷が軽減されます（以下を参照）。トレースが重なっている場合、折り曲げの際にレイヤーが互いに押し合うため、1つのレイヤーにより多くの負荷がかかります。ずらして配置することで、フレキシブル基板全体に負荷が分散され、トレース上にほぼ均一に分布されます。

隣接レイヤー銅箔トレース（トップ画像）は推奨されません。代わりに、アセンブリを曲げたときにトレースにかかる負荷が軽減されるように、異なるレイヤーでトレースをずらして配置します。

ハッチングされたポリゴンを使用する

場合によっては、フレキシブル回路上にパワープレーンまたはGNDプレーンを設置する必要があります。柔軟性の大幅な低下や、半径の小さい折り曲げで銅が座屈する可能性を気にしない限り、固体の銅箔流し込みを使用しても問題ありません。一般的に、高いレベルの柔軟性を維持するには、ハッチングされたポリゴンを使用するのがベストです。

通常のハッチングを施したポリゴンでは、ハッチトレースと「X」の位置関係により、0°、90°、45°の角度方向に大きく偏った銅の負荷が発生します。統計的に、より最適なハッチパターンは六角形とされています。これは、ネガティブプレーン層と六角形のアンチパッドの配列を使って行うこともできますが、セクションをカット＆ペーストすれば、下記のようなハッチを素早く作成できます。

六角形のハッチングを施したポリゴンを使用すると、張力の偏りを3つの角度に均等に分散させることができます。

ビア配置

多層のフレキシブル層の領域では、レイヤー間を移行するためにビアの配置が必要になる場合があります。ビアは屈曲動作で急速に疲労する可能性があるため、可能な限り、配置しないことをお勧めします。また、最も近いビアの銅環状部と、リジッド基板やフレキシブル基板のインターフェースの間に、少なくとも20mil（約1/2mm）のクリアランスを確保する必要があります。PCB CADエディターでは、基板のエッジクリアランスルールにより、これを自動的に処理できます。

ビアを配置する必要性については、フレキシブル回路でビアが必要な場合は、「ルーム」を使用して折り曲げがないと分かっている領域を定義し、PCBエディターの設計ルールに基づいて、それらの固定領域にのみビアを配置できるようにします。別の方法としては、レイヤー構成マネージャーを使用して、最終的にはフレキシブルであるものの、リジッドな絶縁体補強板が接着された「リジッド」セクションを定義することです。

フレックスカットアウトとコーナーの定義

基板のフレキシブル部分にカットアウトまたはスロットを配置する必要がある場合は、カットアウトの終端を適切に処理する必要があります。IPCでは、コーナーでフレキシブル基板材料が裂けるリスクを軽減するために、半径1.5mm（約60mil）を超える円形セクションで終端処理することを推奨しています。ここでのルールは、基本的には、内側のコーナー（角度が180°未満のフレキシブル回路のエッジコーナー）がある場合は、半径1.5mm以上の接線の曲線コーナーを常に使用するというものです。コーナーが90°よりもはるかに小さい（鋭角）場合は、そこから円形の曲線を打ち抜きます。フレキシブルのスロットやスリットについても同様です。直径3mm（1/8インチ）以上の設計上のリリーフ穴が両端にあることを確認してください。その例を以下に示します。

スロット、スリット、および内側のコーナーには、ティアリリーフ穴または最小半径1.5mmの正接曲線が必要です。

上記でご説明したことは、フレキシブルプリント回路エンジニアリングガイドラインとして全てを網羅しているわけではありませんが、多くの製品の製造に役立つヒントとなるでしょう。不明な点がある場合は、フレキシブル基板またはリジッドフレキシブルPCBのフレキシブル部分に関するDFMガイドラインについて、製造会社に問い合わせてください。

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