リジッドフレックスのスタックアップ設計：レイアウトを始める前に、優れた設計がつまずくポイント

リジッドフレックス設計のスタックアップは、リジッド基板のスタックアップより複雑なのでしょうか。多くの場合、その通りです。シンプルなリジッドフレックスであっても、複雑なHDI設計より難しいことがあります。 

リジッド基板設計に関する知識と経験が豊富な設計者ほど、使い慣れた材料選定ルールがそのまま通用すると考えがちです。少なくとも、レイアウトを進めるには十分だと思ってしまうことがあります。実際にうまくいく場合もあれば、そうでない場合もあります。うまくいかない場合、その影響が表面化するのは製造時、あるいは実装時になってからです。 

リジッドフレックスでは、スタックアップは後から詰めればよいものではありません。最初の配線を引くはるか前の段階で、信頼性、歩留まり、コストの上限を決めてしまうのです。

重要なポイント

• 成功を左右するのはスタックアップなので、早い段階で決めることが重要です。リジッドフレックスのスタックアップはリジッド基板より複雑であり、配線開始前に信頼性、歩留まり、コストを規定します。
• 接着剤あり構造と接着剤なし構造は、意図を持って選択しましょう。接着剤層は厚みのばらつきや応力を増やします。接着剤なし構造は、コストやリードタイムが増えるというトレードオフはあるものの、多層／リジッドフレックス、厳しい曲げ条件、マイクロビア、高い熱負荷にさらされる用途で好まれることが多いです。
• リジッドからフレックスへの遷移ゾーンを設計しましょう。その位置とサイズを製造ノートで明確に定義し、急激な層構成や銅分布の変化を避けてください。不具合は後になってから現れることが多く（クラック、層間剥離、銅疲労など）、そのため早い段階で製造業者の意見を取り入れることが重要です。
• フレックス部のプレーン層は再考が必要です。ベタプレーンは曲げに抵抗し、疲労を早めます。必要に応じてクロスハッチ、分割プレーン、部分プレーンを使い、電気的要件（インピーダンス、リターンパス）と機械的信頼性のバランスを取りましょう。理想的には、早期のスタックアップレビューで製造業者と検討するのが望ましいです。

接着剤あり構造と接着剤なし構造

多くの設計者は、接着剤ベースのフレックス構造にするか、接着剤なし構造にするかを意識的に選んでいません。多くの場合、既定のスタックアップ、過去から引き継いだ仕様、あるいは前回使ったものがそのまま採用されています。

図面上では、どちらも似たように見えます。しかし製造では、その挙動は大きく異なります。

接着剤層はばらつきを持ち込みます。熱が加わると移動し、厚みも常に完全に均一とは限りません。さらに動的フレックス用途では、この厚みが設計の長期的な柔軟性に悪影響を及ぼすことがあります。これらは製造そのものを妨げるわけではありませんが、最終用途には影響し、特に層数が増えたりフィーチャが微細化したりすると、製造業者が確保できる余裕を小さくします。

これを見た製造業者が設計レビューでよく口にするコメントがあります。

位置合わせ公差が厳しく、スタックドビアがあり、しかも接着剤ベースのフレックスだと分かった時点で、どこに応力が現れるかはだいたい見当がつきます。製造はできますが、材料スタックを少し調整するだけで、歩留まりや信頼性が劇的に改善することがあります。

接着剤なし構造は、多層フレックス、特にリジッドフレックス構造で推奨されることがよくあります。厚みの管理性が高く、同じくらい重要なのが、Z軸方向の挙動がより安定していることです。そのため、マイクロビアを含む設計、より厳しい曲げ要件がある設計、あるいは実装時に高い熱負荷を受ける設計で一般的に採用されています。

では、なぜすべてのリジッドフレックス設計で接着剤なし材料が使われないのでしょうか。推奨はされますが、トレードオフとしてコスト増や、場合によってはリードタイムの長期化があります。

どちらか一方が必ず優れているという話ではありません。重要なのは、この選択がその後のすべてを左右するということです。いったんレイアウトが始まると、後になって問題が見え始めても変更は難しくなります。

遷移ゾーン

設計者は、リジッド部とフレックス部という区分で考える傾向があります。一方、製造業者はその間の領域に注目します。

このリジッドからフレックスへの遷移ゾーンは、通常、応力が集中する領域です。同時に、スタックアップに関する前提が衝突する場所でもあります。なお、CADにおける一般的な層スタック定義には「遷移ゾーン」の明示的な定義はありません（下図参照）。そのため、遷移ゾーンの位置とサイズは製造ノートに記載する必要があります。

たとえば、急激な層数変化、突然終端するプレーン層、CAD上ではバランスして見えても積層後にはまったく異なる挙動を示す銅分布は避けるべきです。これらは珍しい問題ではなく、よくあるものです。そして通常、分かりやすい形では故障しません。

ある製造業者はこう説明していました。

遷移ゾーンの問題の多くは、電気的には現れません。後になってクラック、層間剥離、銅疲労として現れます。目に見える頃には、スタックアップがすでにダメージを与えてしまっています。

この領域が厄介なのはそこです。こうした問題は、DRCだけでは必ずしも検出できません。多くの場合、面付けからの切り離し、実装、あるいは製品が現場で取り付けられて屈曲した後に初めて現れます。

遷移ゾーンのベストプラクティスについて製造業者から助言を得ることは、常に推奨されます。「業界のベストプラクティス」に従っていても、製造業者が自社のプロセス条件に合わせて、設計をより確実に成功させるための微調整を提案することは珍しくありません。

フレックス部のプレーン層

ベタプレーンはリジッド基板で実際の問題を解決する手段として知られており、設計者がそれを信頼するのには十分な理由があります。しかし、リジッドフレックス設計ではルールが変わります。

なぜでしょうか。ベタの銅プレーンは曲げに抵抗するからです。時間の経過とともに応力を集中させ、銅疲労を加速させます。静的用途であっても剛性を高め、取り扱いや実装時のクラックリスクを増加させます。

クロスハッチ、分割銅、部分プレーンは有効な場合がありますが、万能な解決策ではありません。どの選択肢にも電気的なトレードオフがあり、既定で適用するのではなく、意図を持って検討する必要があります。

ここでも、早い段階で製造業者と話すことが重要です。どの領域で本当に制御インピーダンスやクリーンなリターンパスが必要なのかを設計者が説明すれば、製造業者は電気性能と機械的信頼性の両方を守れる構造を提案できることがよくあります。この議論が遅れると、関係者全員が妥協を強いられます。

なぜ製造業者は早期のスタックアップレビューを求めるのか

これら3つの領域すべてに共通して、同じ結果が何度も現れます。配線が始まると、選択肢は急速に減っていくのです。

以前、一緒に仕事をしていたシニアプロセスエンジニアがこう言っていました。

スタックアップを早い段階でレビューできれば、たいていはもっとシンプルにでき、歩留まりを改善し、想定外を避けられます。レイアウトが始まってからは、ほとんどリスク管理しかできません。

この言葉は強く印象に残っており、実際に何度もその通りだと感じてきました。

早期のスタックアップレビューは、リジッド基板での慣習が見直され、フレックス特有の考慮事項が明確になる場です。見落とされがちな最初のステップではありますが、多くのリジッドフレックス設計がよりシンプルに、より薄く、より高信頼になるきっかけにもなります。

まとめ

リジッドフレックス設計には、異なる考え方が求められます。接着剤の選択、遷移ゾーンの計画、プレーン層の戦略は、二次的な検討事項ではありません。いずれも基盤となる要素です。

設計プロセスの早い段階から製造業者を議論に巻き込む設計者ほど、製造段階での想定外が少なくなる傾向があります。目指すべきは常に信頼性の高い製品であり、設計から製造までをスムーズにつなぐことは、そのための優れた出発点です。 

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よくある質問

なぜリジッドフレックスPCBのスタックアップは、標準的なリジッド基板のスタックアップより複雑なのですか。

リジッドフレックスのスタックアップは、機械的特性がまったく異なる材料を組み合わせるため、曲げ、熱サイクル、接着剤の移動、遷移ゾーンの応力まで考慮する必要があります。リジッド基板とは異なり、スタックアップは後から詰めることができません。初期段階での定義が、信頼性、製造性、長期耐久性に直接影響します。

リジッドフレックス設計では、接着剤あり材料と接着剤なし材料のどちらを選ぶべきですか。

接着剤なし材料は、厚み管理に優れ、Z軸方向の挙動もより安定しているため、多層フレックス、マイクロビア、より小さい曲げ半径、高温実装で一般的に推奨されます。一方、接着剤ベース材料は安価ですが、ばらつき、厚み増加、動的フレックス領域での銅疲労リスク増大を招きます。選択は、既定のスタックアップや過去仕様に流されるのではなく、意図を持って行うべきです。

リジッドからフレックスへの遷移ゾーンで不具合が起こる原因は何ですか。

多くの不具合は、遷移ゾーンに機械的・熱的応力が集中することによって発生します。急激な層変化、突然終端するベタプレーン、不均一な銅分布は、クラック、層間剥離、銅疲労につながる可能性があります。こうした問題はDRCには現れないことが多く、実装時、面付けからの切り離し時、あるいは現場での屈曲時に表面化する傾向があります。明確な製造ノートと早期の製造業者レビューが、こうした問題の防止に役立ちます。

なぜ製造業者は、フレックス領域でベタの銅プレーンを最小限にすることを勧めるのですか。

ベタプレーンは曲げに抵抗し、時間の経過とともに銅疲労を加速させる剛性の高い「ヒンジポイント」を生みます。その結果、断線や長期信頼性の低下につながることがあります。そのためフレックス領域では、電気性能と機械的柔軟性のバランスを取るために、クロスハッチ、分割プレーン、部分プレーンが使われることがよくあります。適切な戦略を選ぶには、後工程で不要な妥協を避けるためにも、早い段階で製造業者と協議することが重要です。