リジッドフレックスPCB設計：機械的制約、スタックアップ、信頼性に関するガイドライン

リジッドフレックスPCB設計では、フレキシブル回路材料とリジッド部を統合し、独自の設計を実現します。目的としては、複雑な筐体、コンパクトまたは折りたたみ式のフォームファクタ、あるいは可動部を持つ筐体内に設計を収めることが多くあります。リジッドフレックスPCBには標準的なリジッド設計とは異なるアプローチが必要ですが、特定のケースではより高い信頼性を提供し、コネクタやケーブル配線では実現が難しい機能を可能にします。

これまでフレックスPCBやリジッドフレックスPCBを設計したことがない場合でも、これらのガイドラインを活用することで、独自の機能を備え、かつ多くのメーカーのDFM要件にも適合するフレックス基板およびリジッドフレックス基板を作成できます。リジッドフレックス設計におけるPCBスタックアップも難しい場合があるため、スティフナーの適切な使用方法を含め、さまざまなスタックアップについても解説します。

リジッドフレックス設計の種類とPCBスタックアップ

さまざまな種類のリジッドフレックス設計は、常にPCBスタックアップによって定義されます。これは、リジッドフレックスPCBにおける機能性をスタックアップが実現するためです。ここでは、異なるタイプのリジッドフレックスPCB設計を簡単に紹介し、どのようなことが可能かを示す画像も掲載しています。

• 一体型リジッドフレックス：最も一般的なタイプのリジッドフレックスで、フレックス部がPCBスタックアップに積層されています
• スティフナー付きリジッドフレックス：フレックス領域をスタックアップに積層する代わりに、プリプレグシートによって特定領域のフレックス部を補強します
• 完全フレキシブルPCB、またはFPC：リジッド部をまったく持たない設計で、通常はケーブルの代替として使用されます
• ブックバインダー型リジッドフレックス：複数の重なり合うフレックス領域を持ち、それらを互いに折り重ねられる設計です
• 動的曲げ対応リジッドフレックス：動作中に繰り返し曲げられることを想定したリジッドフレックス設計です
• HDIリジッドフレックス：リジッド部、フレックス部、またはその両方にレーザードリルのマイクロビアを使用する設計です
• 透明リジッドフレックス：完全に透明なフレキシブル材料を、リジッドスタックアップまたはスティフナーと組み合わせて使用する設計です
• PTFEベースのリジッドフレックス：PTFEコアおよびボンドプライを使用して、スタックアップのリジッド部を構成するリジッドフレックス設計です

リジッドフレックス設計では、フレックス部が分岐する複数の領域を持つことがあります。これらはコネクタ、別のリジッド部、スティフナー、金メッキフィンガー、またはフレックス領域上に実装された回路で終端される場合があります。複雑な例を以下に示します。

リジッドフレックスPCBアセンブリは、複数の分岐とリジッド部を持つことができます。

リジッドフレックス設計における機械的制約

固定方法

リジッドフレックス設計では、筐体内に固定する必要があることが多く、ネジやスナップインマウントで固定できます。固定方法によっては、フレックス部またはリジッド部を所定位置に保持するスライドインブラケットを使用することもあります。この場合、一般的にはリジッドフレックスアセンブリを所定位置に保持するための取付穴が必要になります。

永久変形

一部のリジッドフレックスアセンブリでは、取り付け時にフレックスリボンを恒久的に曲げる、または折り目を付けることで、最終的な基板形状を筐体内で保持させます。これは静的フレックス用途であり、曲げは一度だけ加えられ、その後の動作中にリボンが再び動くことはありません。このような永久変形を計画している場合、設計者はPCBレイアウト内でキープアウト領域を用いて折り目または折り曲げ領域を定義する必要があります。これらのキープアウトにより、曲げが発生する領域への部品、ビア、配線の配置が防止されます。というのも、折り目領域内の銅パターンには機械的応力が集中し、時間の経過とともに配線のクラックやはんだ接合部の破断を引き起こす可能性があるためです。理想的には筐体のMCADモデルに基づいて、レイアウト初期段階でこれらのキープアウトを定義しておくことで、予期しない干渉なくフレックスリボンを最終位置に折り曲げられるようになります。

曲げ限界

静的曲げと動的曲げの違いは、リジッドフレックス設計における許容最小曲げ半径を決定する主要な制約です。静的曲げは、取り付け時にフレックスリボンを一度、または少数回だけ曲げ、その後は製品寿命の間ずっと固定位置に保たれる場合を指します。動的曲げは、ヒンジ、ロボット関節、ウェアラブル機器などのように、通常動作中にフレックスリボンが繰り返し継続的に屈曲する場合を指します。最小曲げ半径は、曲げ領域におけるフレックス総厚の倍数として定義されます。静的フレックス用途では、一般に受け入れられている最小曲げ半径はフレックス厚の6倍であり、より保守的で広く推奨される開始値は10倍です。動的フレックス用途では、必要な曲げ半径は大幅に大きくなり、製品寿命中に想定される曲げサイクル数に応じて、しばしばフレックス厚の100倍に達します。

計算例として、静的用途における厚さ11 milの4層フレックス領域を考えます。保守的な10倍のガイドラインを用いると、

Rmin = 10T = 10×11 mils = 110 mils

最小限の6倍ガイドラインを用いると、

Rmin = 6T = 6×11 mils = 66 mils

同じ11 milのフレックス領域を、長寿命サイクルが必要な動的用途で使用する場合、曲げ半径はおよそ次の値まで大きくする必要があります。

Rmin = 100T = 100×11 mils = 1100 mils

これは、フレックス領域が繰り返しの曲げに耐える必要がある場合、機械的な必要スペースがどれほど急速に大きくなるかを示しています。薄い銅箔重量（0.5 ozまたは1/3 oz）、圧延焼鈍銅、接着剤レス積層材はいずれも曲げ寿命の向上に役立ちますが、曲げ半径制約を無視できるわけではありません。

これらの曲げ限界により、リジッドフレックスPCBスタックアップと筐体の機械設計は直接的に結び付きます。筐体形状が先に定義される場合、フレックスリボンが曲がるために利用可能な空間が、PCB設計者が使用できる最大フレックス厚と最小曲げ半径を決定します。逆に、層数、インピーダンス、銅箔重量などの電気的要件に基づいてスタックアップが先に定義される場合、その結果として決まるフレックス厚が、機械設計者が筐体内で確保しなければならない最小曲げ半径を規定します。

実際には、これはPCBスタックアップと筐体形状を並行して開発する必要があることを意味します。電気的要件を満たす4層フレックス領域であっても、利用可能な筐体容積内で曲げるには厚すぎる場合があり、その結果、層数、銅箔重量、機械的クリアランスの間でトレードオフが必要になります。理想的には同期されたECAD-MCAD collaborationツールを通じて、電気設計チームと機械設計チームが早期に連携することで、フレックスリボンが曲げ半径制約に違反せずには物理的に筐体に収まらないといった、後工程での問題を防ぐことができます。

リジッドフレックスPCBにおける機械試験と信頼性試験

機械的制約が定義された後は、設計または製品全体に対して一般的な信頼性試験が要求されることがよくあります。その際、リジッドフレックス設計を機械的にどのように検証するかが問題になる場合があります。

EDAソフトウェアは、この種の検証を直接提供しません。ただし、これを行う方法は2つあります。

• 物理試験：PCBおよびアセンブリの信頼性を検証するために、アセンブリを振動試験、環境試験などにかけることができます
• シミュレーション：振動、機械的衝撃、その他の極限条件下でのアセンブリの挙動を理解するために、機械シミュレーションを使用できます

シミュレーションについては、ファイル交換に頼ることなく、リジッドフレックス設計をMCADソフトウェアに取り込むことが可能です。商用のMCAD softwareは、Altium Developで作成されたリジッドフレックス設計に対して、振動、応力/ひずみ、アセンブリのシミュレーションを提供できます。高度なMCAD CoDesigner機能を使用すると、ユーザーは商用MCADソフトウェア内に電気設計のデジタルツインを作成できます。これにより、機械設計者は筐体を設計し、干渉を確認し、さらには主要部品を配置したり、リジッドフレックスの機械的制約を定義したりすることができます。

高度なMCAD CoDesigner機能により、AltiumユーザーはリジッドフレックスPCBレイアウトを一般的なMCADアプリケーションへ即座に移行できます。

機械的制約を組み込む方法

リジッドフレックス設計における機械的制約には、通常、特定部品の配置固定とキープアウトの使用が含まれます。場合によっては、アセンブリ内で干渉が発生しないよう、部品高さに基づいてキープアウトを設定することもあります。PCB設計ソフトウェアでは、これらは設計ルールと、PCBレイアウト上に直接描画されるキープアウト定義によって設定されます。

機械的制約のための設計ルール定義

Altium Designerは、機械的要件をレイアウト中に直接適用できる、制約駆動型の設計ルールシステムを提供します。クリアランスルール、配置ルール、領域固有の制約は、特定の基板領域、レイヤースタック、または部品クラスに適用範囲を設定できるため、基板内の各ゾーンで機械的要件が本質的に異なるリジッドフレックス設計に非常に適しています。以下の手順では、リジッドフレックスレイアウトで機械的制約の定義を支援する設計ルールの設定方法を概説します。

• 設計ワークフローは、オブジェクト中心のスプレッドシートインターフェースから、柔軟な適用範囲設定が可能な従来型のクエリベースルールエンジンまで多岐にわたります。
• クリアランスや領域スタイル制約のような機械的要件の適用は、自動DRCおよびRoom構造によって実現されます。
• シグナルインテグリティの最適化には、正確な終端、スタックアップベースのインピーダンス制御、アイダイアグラムやインパルス応答を用いたチャネル損失評価が含まれます。
• 集中型ライブラリ管理は、検証済みシンボル、フットプリント、実績ある回路ブロックの再利用を促進することで、設計リスクを低減します。
• 製造準備性は、材料の入手性、銅箔重量、ビアのアスペクト比について、製造業者と早期に連携することに依存します。
• 統合されたPLMおよびMRPシステムは、トレーサビリティとサプライチェーンの可視性を向上させ、チームが複雑な製品ライフサイクルや調達変動を管理するのに役立ちます。

PCBレイアウトでのキープアウトの使用

PCBレイアウトにおけるキープアウト領域は、配線、ビア、部品、銅箔フィルなどの特定オブジェクトの配置を禁止する領域を定義します。リジッドフレックス設計では、キープアウトは標準的なクリアランス確保を超えた構造的役割を果たします。つまり、曲げ領域、折り目領域、または筐体への収まりのために空けておく必要がある領域に、銅や部品が配置されるのを防ぎます。キープアウトは特定レイヤー上に描画することも、複数レイヤーにまたがる制限として適用することもでき、DRC時には有効な設計ルールに照らしてチェックされます。以下の手順では、リジッドフレックスレイアウト向けにAltium Designerでキープアウト領域を定義して適用する方法を説明します。

• 適用範囲の定義： キープアウトをすべての信号レイヤーに適用するか（Keepoutレイヤーを使用）、あるいは単一の特定銅箔レイヤーのみに適用するかを判断します。ジオメトリの定義： 配線および部品配置を禁止する必要があるリジッド領域またはフレックス領域の上に、Keepout Region を配置します。
• 制限の設定： Properties パネルで制限を設定し、定義した領域内で特定のオブジェクトタイプ（例：ビア、トラック、パッド）を禁止します。
• 検証： 自動配線機能および自動配置機能がルールに従ってブロックされ、保護領域内で設計違反が発生しないことを確認します。

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