サーモフォームドフレックスPCBの設計と製造方法

耐久性とコンパクトな形状が求められる場合、フレキシブル回路は引き続き優れた解決策であることが証明されています。薄く、軽量であり、曲げたり折りたたんだりすることができる明らかな利点は理解しやすく、この技術は数十年にわたって使用されてきました。

しばしば材料を見たり、柔軟性のための設計方法を考えたり、製造プロセスを理解しようと努めていますが、今日は特に熱成形されたフレキシブルプリント基板に焦点を当てます。この技術は、回路が特定の形状に成形されながらもその性能を維持できるため、特に興味深いものです。フレキシブル素材のより伝統的な用途と同様に、熱成形は新しい技術ではありませんが、回路設計と製造プロセスの両方に別の複雑さの層を追加します。

回路設計の考慮事項

熱成形フレックスPCBは、製造中に永久的に形状が決定される特別な種類のフレキシブルプリント基板です。フレックスPCBは、ザック・ピーターソンがこのリンクされた記事で議論しているように、望ましい静的曲げ半径に機械的に曲げることができます。通常のフレックスPCBが単に曲がったり、製造後に機械的に固定されたりするのとは異なり、熱成形フレックスPCBは固定された形状に成形されます。

通常、スペースが限られており、正確な形状が必要な場所、例えば自動車、医療機器、ウェアラブルなどで設計されます。あなたの車のダッシュボードや最新のウェアラブル健康モニターのようなアプリケーションを考えると、熱成形フレックスPCBは、コンパクトなスペースに収まり、複雑な形状に適合することで、これらのスリークなデザインを可能にします。

熱成形フレックスPCBの例FreddieHong19のgithubからの画像

機械設計においては、PCBが成形プロセス中および最終使用時にどのように曲がり、フレックスするかを考える必要があります。高ストレス領域にトレースやコンポーネントを配置しないようにしてください。曲線のトレースや段階的なビアの使用は、ストレスを分散させ、クラックのリスクを減らすのに役立ちます。これらは成形インターコネクトデバイス（MID）に非常に似ていますが、主な違いは熱成形PCBは製造が完了した後に曲げが適用されることです。

熱成形フレックス技術は多くのアプリケーションで素晴らしい解決策のように思えますが、製造および設計が難しい技術でもあります。成功した結果を確実にするために考慮すべき多くの要因があります。

熱成形フレックスPCBの製造プロセス

サーモフォームドフレックスPCBの製造プロセスには、所望の形状と機能を達成するためにいくつかの正確なステップが含まれており、サーモフォーミングはほとんどのフレキシブル回路メーカーにとって「標準的」または典型的な能力ではないことを指摘することが重要だと思います。これには厳格なプロセス管理と別レベルのプロセス能力が必要です。

ポリイミドとポリエステル（例えば、ポリエチレンテレフタラート）は、柔軟性があり、高分解温度と高ガラス転移温度のおかげで熱に耐えることができるため、人気のある材料選択です。ポリイミドはサーモフォーミングプロセス中の高温に耐えることができ、多くの製造工場で加工がよく理解されているため、特に好まれています。

サーモフォーミング工具：フレキシブル回路の2Dバージョンの作成は、他のフレキシブル回路製造プロセスと同様です。回路パターンが作成され、品質レビューに合格したら、サーモフォーミングが行われます。

加熱が始まる前に、PCBの形成に使用される型を準備する必要があります。この型は通常、金属や耐熱性プラスチック/ポリマーのように高温に耐えることができる材料で作られています。型は最終的なPCBデザインに必要な正確な寸法と形状に精密に加工されなければなりません。サーモフォーミングの新しいアプローチの一つに、3Dプリントされた型の使用があります。例えば、以下のProto3000からの型を参照してください：

Proto3000が3Dプリントした熱成形用金型。（画像出典）

固定と加熱：既にパターンが施され、めっきされた柔軟なPCB基板を慎重に金型に配置します。PCBが望ましい形状に合わせて正確に配置され、ずれや歪みがないようにするため、適切なアライメントが非常に重要です。このステップでは、加熱プロセス中にPCBを所定の位置に保持するために、特別に設計されたアライメントツールや治具を使用することがよくあります。

加熱段階とプロセス制御は重要です。組み立てられた全体を、基板が柔軟になる特定の温度まで加熱します。この温度は、材料や導電トレースを損傷することがないように、正確に制御する必要があります。加熱には、対流式オーブン、赤外線ヒーター、または特殊な熱成形装置など、さまざまな方法が使用されます。重要なのは、PCB全体に均等に熱を適用し、均一な柔軟性を確保することです。

基板が必要な温度に達すると、柔らかくなり、成形可能になります。その後、金型がPCBを望ましい三次元形状に成形します。このステップは迅速かつ慎重に行う必要があり、PCBが金型に合わせて形成される際に、しわ、気泡、またはその他の欠陥を導入しないようにする必要があります。成形時に適用される圧力は、材料にストレスをかけないように均等に分配されなければなりません。

例として、デュポンは彼らのカプトン材料ラインに対する熱成形ガイダンスを提供しており、成形型の深さに基づいた固定具とプレス時間/温度の値を含んでいます。こちらでカプトンフィルムのガイドラインを読む。

冷却と固化：PCBが成形された後、新しい形状を固めるために特に冷却する必要があります。内部応力や反り、亀裂のような欠陥を導入しないように冷却を制御する必要があります。冷却が早すぎるか、十分でない場合、最終設計に欠陥が生じる可能性があります。冷却プロセスは、制御された空気冷却、水浴、または熱成形装置内の統合冷却システムを使用して管理できます。PCBの完全性を維持するためには、徐々に均等に冷却することが必要です。

型から柔軟な回路を取り外す際にも、細心の注意が必要です。PCBが型から取り外された後、別の徹底的な検査と品質管理チェックが行われます。これには、表面の欠陥に対する視覚検査、PCBが望ましい形状に適合していることを確認するための寸法チェック、構造的完全性を評価するための機械テストが含まれます。

熱成形されたフレックスPCBの高度なプロセス

フレックスPCBの分野は一般的に進化しており、新しい進歩や革新が地平線上にあります。新しい材料の開発に向けた研究が進行中で、これらの材料は柔軟性の向上、より良い熱安定性、改善された電気性能など、強化された特性を持っています。これらの進歩により、熱成形フレックスPCBの潜在的な応用範囲が拡大し、信頼性が向上します。

レーザーダイレクトストラクチャリング（LDS）や付加製造プロセス（mSAPまたはSAP）などの高密度製造技術は、フレックスPCBに高密度インターコネクト（HDI）設計アプローチをもたらすことができ、これらは熱成形デバイスにも使用できるようになります。これらの技術は、より高い精度、設計の柔軟性の向上、および生産時間の短縮を提供します。

熱成形プロセスは、正確な温度制御、慎重な取り扱い、厳格な品質保証の繊細なバランスです。加熱から冷却までの各ステップは、意図された用途の要求に耐えうる高品質の熱成形フレックスPCBを生産するために、細心の注意を払って管理されなければなりません。もし熱成形フレキシブル回路をあなたのアプリケーションに検討している場合は、最高レベルの成功を確実にするために、設計プロセスの早い段階で製造業者と協力してください。