フレキシブルPCB材の紹介

フレキシブルPCB材は、静的または動的な屈曲、標準的なアセンブリプロセスでの適合性、高い生産性を可能にするシンプルな製造工程など、複数の設計および運用上の目標をサポートするものでなければなりません。フレキシブルPCB材は、一見馴染みのない外観と感じるかもしれませんが、フレキシブル/リジッドフレキシブルPCBを大量に生産するために、比較的少ない材料が使用されています。このガイドでは、フレキシブルPCB材の基本的な特性の一部を取り上げ、それらがフレキシブル/リジッドフレキシブルPCBの生産のためにどのように使用されるかについて説明します。

基層とカバーレイ フィルム

最も一般的なリジッドPCB（プリント回路基板）で使用される基材は、エポキシ樹脂を含浸させたガラス繊維を織ったものです。これは実際には繊維です。「リジッド」という名前で呼んでいますが、単一積層の場合、適度な弾性を持っています。基板をより硬くするのは硬化エポキシです。エポキシ樹脂を使用しているため、有機リジッドプリント回路基板と呼ばれることがよくあります。絶えず動くことのない簡単なアセンブリには適していますが、多くの用途において柔軟性が十分ではありません。

フレキシブルPCB基板として使用される最も一般的な材料はポリイミドです。この素材は、非常に柔軟かつ丈夫で、優れた耐熱性が特徴です。

フレキシブルポリイミドフィルム（出典：Shinmax Technology Ltd.）

フレキシブル回路アプリケーションのほとんどの用途では、通常のネットワークエポキシ樹脂よりも柔軟なプラスチックが必要です。最も一般的な選択肢はポリイミドです。ポリイミドは、非常に柔軟で丈夫である（手で裂くことも、実質的に引き伸ばすこともできず、製品アセンブリ工程の際の耐性が高い）上、耐熱性にも極めて優れているからです。これにより、複数のはんだリフローサイクルに対する耐性が高く、温度の変動による膨張と収縮がかなり安定しています。

ポリエステル（PET）も一般的に使用されるフレキシブル回路材料ですが、半田付けに耐えられるほどの高温耐性はありません。過去に、フレキシブル部に (PETが積層加工の熱を処理できない) プリント導体を持つ非常に低コストの電子機器でPETが使用されていたのを見たことがあります。言うまでもなく、何も半田付けされておらず、むしろ、等方性導電性エラストマーを用いた、熱によらない加圧で接合されていました。

この製品（時計付きラジオ）に取り付けられたディスプレイ画面は、フレキシブル回路接続の品質が低いため、あまりうまく機能しませんでした。したがって、リジッドフレキシブルの場合は、必ずPIフィルムを使用することを前提とします(これ以外の材料も入手可能ですが、めったに使用されません)。

PIもPETフィルムも、薄いフレキシブルエポキシとガラスでできた繊維のコアと同様に、フレキシブル回路の一般的な基層を形成します。その後、回路には、さらにフィルム (通常はPI、またはPET、場合によっては柔軟なソルダーマスク インク) を使用してカバーレイを追加する必要があります。カバーレイは、リジッド基板のソルダーマスクと同じように、外表面の導体を絶縁し、腐食や損傷から保護します。PI、およびPETフィルムの厚さは⅓～3milで、通常は1milまたは2milです。ガラス繊維、およびエポキシ基層はこれよりかなり厚く、2～4milあります。

導体

前述の安物の電子機器は、プリント導体 (通常は、カーボンフィルム、または銀ベースのインク) を使用しているかもしれませんが、最も代表的な導体は銅箔です。用途に応じて、異なる形態の銅箔を検討する必要があります。ケーブルやコネクタを取り除いて製造の時間とコストを削減するためだけに回路のフレキシブル部を使用しているのであれば、リジッド基板用の通常の積層銅箔 (電着、またはED) で問題ありません。これは、平面インダクタのように、高電流伝搬導体を機能可能な最小幅に保つために銅箔の重量がより多く必要な場合も使用できます。

ただし、銅箔もまた、加工硬化や金属疲労が起こるため、評判はよくありません。最終的な製品で何度も折り曲げる場合やフレキシブル回路を動かす場合は、よりグレードの高いロールアニール (RA) 箔を検討する必要があります。アニール箔の処理を行う手順を追加すると、明らかにコストが大幅に増加します。しかし、アニール銅箔は、疲労割れが発生する前に伸びることができ、Z方向にたわむ弾性があります。これはまさに、常に曲げられたり巻かれたりするフレキシブル回路に必要な特性です。これは、ロール アニールの処理によって粒状構造が平面方向に伸長するためです。

ケーブルやコネクタを取り除いて製造の時間とコストを削減するためだけに回路のフレキシブル部を使用しているのであれば、リジッド基板用の通常の積層銅箔で問題ありません。

こちらはフレキシブルPCB材に施したアニール処理工程を強調した図で、正確な縮尺ではありません。高圧ローラー間を通過した銅箔は、粒状構造が平面方向に伸長し、一般的に柔軟性と弾力性が大幅に高まります。

接着剤

従来、銅箔をPI (または、他の) フィルムに接着するには、接着剤が必要です。なぜなら、一般的なFR-4リジッド基板とは異なり、アニール銅箔には「歯」が少なく (表面粗度が小さく)、信頼性の高い結合を形成するのに熱および圧力だけでは不十分だからです。製造業者は、一般的な½および1milの厚さのアクリル、またはエポキシベースの接着剤を使用し、フレキシブル回路のエッチング用に積層加工済みの片面および両面銅張りフィルムを提供しています。接着剤は、柔軟性を持たせるよう特別に開発されています。

銅メッキやPIフィルムへの直接蒸着などの新しい処理により、「接着層のない」積層はますます普及しています。これらのフィルムは、 HDI 回路のように、より細かいピッチとより小さなビアが必要な場合に選択されます。

シリコン、ホットメルト接着剤、およびエポキシ樹脂は、フレキシブルからリジッドへの接合部やインターフェース (レイヤー構成のフレキシブル部がリジッド部から離れるところ) に保護ビーズを追加する場合にも使用されます。これらの接着剤は、リジッド部からフレキシブル部への接合部の支点を機械的に補強します。補強しないと、繰り返しの使用により急速に疲労し、ひび割れや裂けが生じます。

単層フレキシブル回路

典型的な単層フレキシブル回路の切断面図の一例を以下に示します。これは、一般的な市販のFFC（フレキシブル・フラット・コネクタ）ケーブルと同じ構造で、FFCコネクタがリジッドフレキシブル基板を使用せず、コストを重視した設計をする場合に使用されます。単層フレキシブル回路では、銅箔は材料ベンダーによりPIフィルム上にラミネート加工が施された上に、エッチングされ、硬いバッキングプレートで穴が開けられます。その後、銅箔パッドを露出させるために事前に穴を開けておいた接着性ポリイミドカバーレイで最終的にラミネート加工が施されます。このカバーレイで使用される接着剤は、プロセス中にはみ出す可能性がありますが、これは、露出部分に使用するパッドを拡大することで対応できます。

典型的なシングル層のフレキシブル回路のスタックアップ。

フレキシブル回路やリジッドフレキシブル回路で使用される材料について認識しておくことは重要です。通常、生産性を確保できるよう、製造業者が自由に材料を選択できるようにしているかもしれませんが、フレックスPCBが現場で問題を起こす原因となる可能性に留意しておく必要があります。 材料特性の知識は、製品の機構設計、評価、および試験にも役立ちます。たとえば車載製品を扱う場合、熱、湿度、化学物質、衝撃および振動はすべて、製品の信頼性を判定し、許容される最小折り曲げ半径を決定するために、正確な材料特性を使ってモデル化する必要があります。皮肉なことに、設計者にフレキシブル基板、およびリジッドフレキシブル基板の選択を促す要求は、多くの場合、過酷な環境での使用に結びついています。たとえば、低コストの家庭用個人向け電子機器は、たびたび振動、落下、汗、あるいはさらに酷い状況にさらされます。

Coombsが2008年にMcGraw Hill社から出版したハンドブック：

• 『The Printed Circuits Handbook, 7th Ed. 』（Coombs, C. F.著、編集、2008年）では、この記事で紹介するよりもはるかに詳細に説明しています。

スタックアップの例

リジッドPCB同様、フレキシブルPCBとリジッドフレキシブルPCBは、導電層が追加されるにつれて、スタックアップが複雑になる可能性があります。これらのスタックアップには、以下に示す例のように、同じPCB内に複数のフレキシブルセクションが含まれる場合があります。純粋なフレキシブル回路（リジッドフレキシブルとは対照に）の場合、レイヤースタック計画は、PCBの各セクションを含めて簡素化されます。ただし、コンポーネントが埋め込まれている領域や回路が終端されている領域には、補強板を取り付ける必要のある箇所が依然として存在するかもしれません。

設計ソフトウェアでは、これら各セクションが独自のスタックとして定義され、PCBレイアウトのさまざまな領域に適用されます。基板を生産する段階になると、図面に各基板セクションを明確に示して、基板の層配置と材料を示す必要があります。フレキシブルPCBの設計と生産におけるこの重要な側面については、後ほど説明します。

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