硬軟混成PCBデザインについての考察

ますます多くの設計者が、設計する製品のサイズとコストを削減しつつ、密度を高め、組み立てを簡素化する必要に直面しています。リジッドフレックス回路（別々のリジッドセクションの間に柔軟な部分を取り入れたもの）は、より一般的な解決策となりつつあります。このブログは、リジッドフレックス技術を使用するための材料、製造、および設計方法について議論する短いシリーズの始まりです。

このブログのタイトルが示すように、最近私はリジッドフレックス回路基板についてかなり考えています。リジッドフレックスには多くの利点があり、以前は必要としなかった設計者も今日では少なくとも検討しているようです。より密度の高い電子機器を構築するための圧力が高まっており、それに伴い製造コストと時間を削減する圧力も増しています。まあ、これはもちろん新しいことではありません。ただ、これらの圧力に対応する必要があるエンジニアや設計者の範囲が絶えず広がっているのです。

しかし、リジッドフレックスには、この技術の新参者にとって道中の落とし穴となり得る側面があります。そのため、まずはフレックス回路とリジッドフレックス基板が実際にどのように作られているかを理解することが賢明です。そこから、設計上の問題を見て、前進するための明確な道筋を見つけることができます。今のところ、これらの基板にどのような基本材料が使われているかを考えてみましょう。

フレックス回路材料

基板とカバーレイフィルム

通常のリジッドPCBを思い浮かべてみてください - 基材は通常、ガラス繊維とエポキシ樹脂です。これは実際には布地であり、これらを「リジッド」と呼んでいますが、単一のラミネート層を取ると、それなりの弾力性があります。硬化したエポキシが基板をより硬くします。しかし、これは多くのアプリケーションにとって十分に柔軟ではありませんが、常に動きがあるわけではない単純な組み立てには適しています。

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ほとんどのアプリケーションでは、通常のネットワークエポキシ樹脂よりも柔軟性のある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、非常に柔軟で、非常に頑丈（手で引き裂いたり、目に見えて伸ばしたりすることはできません。これにより、製品組み立て時の耐久性があります）、そして非常に耐熱性があります。これにより、複数のリフロー工程に対して高い耐性を持ち、温度変動による膨張と収縮が比較的安定します。

ポリエステル（PET）もよく使用されるフレックス回路材料ですが、高温に対して耐性がなく、ポリイミド（PI）フィルムほど寸法安定性がありません。非常に低コストの電子機器で、フレキシブル部分に印刷された導体がある（PETがラミネートの熱に耐えられなかった）場合にこれを使用したことがありますが、言うまでもなく、何もそれにはんだ付けされていませんでした - むしろ、粗い圧力によって接触が行われました。この製品（クロックラジオ）のディスプレイは、フレックス回路接続の品質が低いために、あまりうまく機能しなかったことを覚えています。したがって、リジッドフレックスでは、PIフィルムを使用していると仮定します。（他の材料も利用可能ですが、あまり使用されません）。

PIおよびPETフィルム、薄いエポキシおよびガラス繊維コアは、フレックス回路の一般的な基板を形成します。その後、回路は追加のフィルム（通常はPIまたはPET、時には柔軟なはんだマスクインク）をカバーレイ用に使用する必要があります。カバーレイは、リジッドボードのはんだ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ミルから3ミルの範囲で、1または2ミルが一般的です。ガラス繊維およびエポキシ基板は、2ミルから4ミルの範囲で明らかに厚くなっています。

導体

上記の安価な電子機器では、通常、何らかの炭素フィルムまたは銀ベースのインクである印刷された導体を使用することがありますが、銅が最も典型的な導体の選択肢です。アプリケーションに応じて異なる形態の銅を検討する必要があります。もし、配線やコネクタの除去によって製造時間とコストを削減するために回路の柔軟な部分を単に使用している場合、リジッドボード用の通常の積層銅箔（電気めっきされた、またはED）で問題ありません。これは、平面インダクターのように、高電流を運ぶ導体を最小限の実行可能幅に保つために、より重い銅の重量が望まれる場所でも使用されるかもしれません。

しかし、銅はまた、加工硬化や疲労のために悪名高いです。最終的なアプリケーションがフレックス回路の繰り返しの折り曲げや動きを伴う場合は、より高品質の圧延アニール（RA）箔を検討する必要があります。明らかに、箔をアニールする追加のステップは、コストを大幅に増加させます。しかし、アニールされた銅は、疲労亀裂が発生する前により多く伸びることができ、Z方向の撓みにおいてより弾力性があります - これは、常に曲げたり巻いたりするフレックス回路にとってまさに求める特性です。これは、圧延アニールプロセスが平面方向に粒状構造を伸長させるためです。

図2：アニールプロセスの誇張されたイラストレーション、明らかにスケールではありません。銅箔は高圧ローラーの間を通過し、平面方向に粒状構造を伸長させ、Z方向の撓みにおいて銅をはるかに柔軟で弾力性のあるものにします。

このようなアプリケーションの例としては、CNCルーターヘッドへのガントリー接続や、ブルーレイドライブのレーザーピックアップ（下記参照）があります。

図3：ブルーレイメカニズムのメインボードアセンブリにレーザーピックアップを接続するために使用されるフレックス回路。レーザーヘッドのPCBには、フレックス回路の接合部を強化するために接着ビーズが追加され、柔軟な部分が直角に曲げられていることに注意してください。

接着剤

従来、銅箔をPI（またはその他の）フィルムに接着するためには接着剤が必要でした。これは、典型的なFR-4硬質ボードとは異なり、焼き戻された銅には「歯」が少なく、熱と圧力だけでは信頼性の高い結合を形成するには不十分だからです。デュポンなどのメーカーは、アクリルまたはエポキシベースの接着剤を使用し、典型的な厚さが½ミルおよび1ミルの、フレキシブル回路のエッチング用にプレラミネートされた単面および両面銅張りフィルムを提供しています。これらの接着剤は柔軟性のために特別に開発されています。

「無接着剤」ラミネートは、PIフィルムに直接銅メッキまたは堆積を行う新しいプロセスにより、より一般的になっています。これらのフィルムは、HDI回路などでより細かいピッチや小さなビアが必要な場合に選ばれます。

シリコーン、ホットメルト接着剤、エポキシ樹脂も、フレックスから硬質への接合部またはインターフェース（つまり、レイヤースタックのフレキシブル部分が硬質部分を離れる場所）に保護ビーズが追加される場合に使用されます。これらは、繰り返し使用により迅速に疲労し、亀裂や裂けが生じる可能性のあるフレックスから硬質への接合部の支点に機械的補強を提供します。これの例は上記の図3に示されています。

図4：典型的な単層フレックス回路のスタックアップ。

柔軟性とリジッドフレックス回路に使用される材料を知っておくことは重要です。一般的に製造業者に材料の選択を任せることが多いかもしれませんが、無知が最終製品の現場での故障から守ってくれるわけではありません。ここで簡単に紹介するよりもはるかに詳細な情報を含む非常に良いリソースは、

• Coombs, C. F. (編集者, 2008) The Printed Circuits Handbook, 第6版. 2008 McGraw Hill, pp 61.3 0 - 61.24.

です。材料の特性を知ることは、製品の機械設計、評価、テストにも役立ちます。例えば、自動車製品を扱っている場合、熱、湿気、化学物質、衝撃＆振動などを正確な材料特性でモデル化して、製品の信頼性や許容される最小曲げ半径を決定する必要があります。皮肉なことに、柔軟性とリジッドフレックスを選択する原因となるニーズは、しばしば厳しい環境に関連しています。例えば、低コストの消費者向け個人電子機器は、振動、落下、汗やそれ以上の悪条件にしばしばさらされます。

フレックス＆リジッドフレックス製造プロセス

一見すると、典型的なフレックス基板やリジッドフレックス基板は単純に見えます。しかし、これらの特性は、製造過程にいくつかの追加ステップを必要とします。リジッドフレックス基板の始まりは常に、単層または両面のフレックス層です。先週述べたように、製造業者はプレラミネートされたフレックスから始めるか、または無銅箔のPIフィルムから始めて、初期のクラッディングのために銅をラミネートまたはめっきします。フィルムのラミネートには薄い接着剤層が必要ですが、接着剤なしのクラッディングには「シード」層の銅が必要です。このシード層は、最初に気相堆積技術（例えばスパッタリング）を使用して植え付けられ、化学的に堆積された銅がめっきされる鍵となります。この一層または二層のフレックス回路は、典型的な2層コアのリジッドボードと同じステップで穴あけ、スルーホールめっき、エッチングされます。

以下のGIFアニメーションは、典型的な両面フレックス回路の作成ステップを示しています。

• フレックスおよびリジッドフレックスPCB製造についてもっと学ぶ

図5：フレックス回路の構築プロセスを示すGIFアニメーション。

1. 接着剤/シードコーティングが適用される

エポキシまたはアクリル系接着剤を塗布するか、スパッタリングを使用して薄い銅層を形成し、めっきのキーを作成します。

2. 銅箔の追加

RA/ED銅箔を接着剤にラミネートする（より一般的な方法）か、シード層に化学めっきを施す。

3. ドリリング

ビアやパッドへの穴は、通常、機械的にドリルで開けられます。複数のめっきされたフレックス基板は、複数のリールから組み合わせて同時にドリルでき、作業用プレートの間でドリリングした後、ドリリングマシンの反対側の別のリールに巻き出すことができます。プレカットされたフレックスパネルは、剛性のあるブランクの間で同様に組み合わせてドリルできますが、剛性コアがドリルされるのと同じ方法ですが、より慎重な位置合わせが必要で、アライメントの精度が低下します。超小型の穴には、レーザードリリングが利用可能ですが、各フィルムを個別にドリルする必要があるため、コストが大幅に増加します。これには、より高い精度のマイクロビア用にエキシマー（紫外線）またはYAG（赤外線）レーザー、中程度の穴（4ミル以上）用にCO2レーザーが使用されます。大きな穴や切り抜きはパンチングされますが、これは別のプロセスステップです。

4. スルーホールめっき

穴が開けられた後、銅は硬質基板のコアと同じ方法で沈着され、化学的にめっきされます。

5. エッチングレジスト印刷

感光性エッチングレジストがフィルム表面に塗布され、所望のマスクパターンを使用して、銅の化学エッチング前にレジストを露光および現像します。

6. エッチングおよび剥離

露出した銅がエッチングされた後、エッチングレジストはフレックス回路から化学的に剥離されます。

7. カバーレイ

フレックス回路の上部と下部は、形状に切り取られたカバーレイによって保護されます。フレキシブル回路のセクションに実際にコンポーネントが取り付けられている場合、カバーレイははんだストップマスクとしても機能します。最も一般的なカバーレイ材料は、接着剤付きの追加ポリイミドフィルムですが、接着剤を使用しないプロセスも利用可能です。接着剤を使用しないプロセスでは、硬質基板セクションに使用されるのと同じ光造形はんだマスクが使用され、基本的にカバーレイをフレックス回路に印刷します。粗い安価な設計の場合、最終的なUV露光による硬化とともに、スクリーン印刷もオプションとして利用可能です。

図6: カバーレイ付きのフレックス回路の例 - カバーレイの開口部は一般的にコンポーネントパッドよりも小さいことに注意してください。

カバーレイについて重要な点は、通常、最終的に露出することになるフレックス回路の部分にのみ配置されるということです。リジッドフレックス基板の場合、これはカバーレイがリジッドセクションに配置されないことを意味し、通常は約0.5mmの小さなオーバーラップを除いています。カバーレイはリジッドセクション全体に含まれることもありますが、そうするとリジッドボードの接着性とZ軸の安定性に悪影響を及ぼします。このような選択的なカバーレイは、このプロセスを使用する基板製造業者によって「ビキニカバーレイ」と呼ばれています。なぜなら、それは必要最小限の部分だけを覆うからです。また、カバーレイのコンポーネントや接続パッドの切り抜きは、少なくともパッドランドの2辺がそれに固定されるように残されます。この話題については、次のブログで再度取り上げます。

8. フレックス基板の切り抜き

フレックス回路を作成する最終段階は、それを切り出すことです。これはしばしば「ブランキング」と呼ばれます。ブランキングにおける高容量でコスト効率の良いアプローチは、油圧パンチとダイセットを使用することです。これには比較的高い工具費用がかかります。しかし、この方法では多くのフレックス回路を同時に打ち抜くことが可能です。プロトタイプや少量生産の場合、ブランキングナイフが使用されます。ブランキングナイフは基本的に、フレックス回路のアウトラインの形に曲げられ、MDF、合板、またはテフロンのような厚いプラスチックのルーティングされたスロットに固定された、長ーいカミソリの刃です。その後、フレックス回路はブランキングナイフに押し込まれて切り出されます。さらに小規模なプロトタイプ生産の場合、X/Yカッター（ビニール看板製作に使用されるものと似ている）が使用される可能性があります。

ラミネーションとルーティング

フレックス回路がリジッド/フレックスの組み合わせスタックアップの一部を形成する場合（これが私たちが興味を持っていることです）、プロセスはそこで止まりません。これで、リジッドセクションの間にラミネートする必要があるフレックス回路ができました。これは、個々にドリルされ、めっきされ、エッチングされたコア層ペアと同じですが、ガラス繊維がないため、はるかに薄く、より柔軟です。ただし、以前に述べたように、ターゲットアプリケーションに応じて、PIとガラスを使用して、柔軟性の低い層を作ることもできます。これがリジッドセクションと一緒にラミネートされるため、最終的にはリジッドボードパネルセクションと合うパネルにフレームされなければなりません。

ラミネートスタックアップ

フレックス回路は、追加の接着剤、熱、圧力を使用して、リジッドおよびその他のフレキシブルセクションと一緒にパネルにラミネートされます。複数のフレックスセクションが隣り合ってラミネートされることはありません。これは一般的に、各フレックスセクションが最大で銅層数が2であることを意味し、そのために柔軟性が維持されます。これらのフレックスセクションは、リジッドプリプレグおよびコア、またはエポキシまたはアクリル接着剤を使用したPIボンディングシートによって分離されます。

基本的に、フレックスが柔軟になることを許可されるエリアで、各リジッドパネルは別々にルーティングされます。

以下は、3つの剛性セクションの間に2つの2層フレックス回路が埋め込まれたリジッドフレックスボードへの積層例です。レイヤースタックアップは、図3および図4に示されているようになります。

図7：エッチングされ、めっきされ、カバーレイされ、ブランクされたフレックスパネルがガラスエポキシの剛性パネルと組み合わされる方法。

図8：各フレックスセクションのめっきスルーホールおよび剛性セクションの最終的なスルーホールを示す詳細なレイヤースタックアップ。

図8に示された例のスタックアップでは、プレエッチングされカットされた2つのフレックス回路があり、それぞれが両面でスルーホールが施されています。フレックス回路は、フレーミング用のボーダーを含む最終組立パネルにブランクされており、これにより剛性パネルセクションとの積層後の最終組立時にフレックス回路がフラットに保たれます。組立時にフレックス回路のエルボーや大きな開口部が不十分なサポートにより潜在的な危険性があることは確かです - 特にリフロー炉の熱の中では。これらの問題のいくつかについて、次のブログ投稿で設計の側面を見ていく際に取り上げます。

カバーレイは、前述のように、接着剤でラミネートされたステッカーのように、またはフォトプリンティングプロセスによっても適用されます。この6層スタックアップの最終的なフレックスとリジッドパネルが一緒に配置されると、最も外側（上部と下部）の最終銅箔層でラミネートされます。その後、上部から下部へのスルーホールのための別のドリリングが行われます。オプションで、レーザードリルによるブラインドビア（上部から最初のフレックスまで、下部から最後のフレックスまで）も作成されることがあり、これも設計のコストを増加させます。

最終工程は、上部と下部のはんだストップマスク、上部と下部のシルクスクリーン、および防錆メッキ（例えばENIG）またはホットエアレベリング（HASL）の印刷です。

複数のフレックスサブスタック

堅牢部とフレキシブル部を組み合わせたスタックアップは、ほぼどんなものでも構築可能ですが、製造工程と材料の特性を慎重に考慮しないと、費用が馬鹿高くなることがあります。フレックス回路において覚えておくべき重要な点の一つは、回路が曲がる際に材料内で生じるストレスです。再び、銅は作業硬化することが知られており、繰り返しのフレックスサイクルと狭い半径で、最終的には疲労断裂が発生します。これを軽減する一つの方法は、銅が中央の中間曲率半径に位置し、したがってフィルム基板とカバーレイが最大の圧縮と引張を受ける、単層フレックス回路のみを使用することです。これは、

ポリイミドが非常に弾性があるため問題ではなく、複数の銅層よりも繰り返し動作による耐久性が格段に向上します。同様に、複数の別々のフレックス回路が必要な場合がよくありますが、フレックス部分の長さが曲率半径を制限する重なり合うセクションでの曲げを避けるのが最善です。

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図9：高度に繰り返し曲げる回路の場合、回路内の銅の疲労寿命（故障までのサイクル数）を増加させるために、単層フレックスでRA銅を使用するのが最適です。

接着ビーズ

先週述べたように、フレックス回路がリジッドボードから出る際に、補強材を使用する必要がある場合があります。エポキシ、アクリル、ホットメルトのビーズを追加することで、組み立ての寿命を向上させることができます。しかし、これらの液体を分配して硬化させることは、生産プロセスに手間のかかるステップを追加する可能性があります。

自動流体分配を使用することができますが、組み立てエンジニアと密接に協力して、組み立ての下に接着剤の塊が垂れ下がることがないように非常に注意する必要があります。場合によっては、手作業で接着剤を適用する必要があり、時間とコストがかかります。いずれにせよ、製造および組み立て担当者に明確な文書を提供する必要があります。

補強材＆終端

フレックス回路の極端な端は、主なリジッドボード組み立てに接続されていない場合、通常コネクタに終端します。これらの場合、終端には補強材（より厚いポリイミドと接着剤）またはFR-4が適用されることがあります。一般的に、リジッドフレックスセクション内にフレックスの端を埋め込んでおくのが便利です。

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パネル

リジッドフレックス回路は、組み立てプロセス中にそのパネルで一緒に保持されるため、コンポーネントをリジッド端子に配置してはんだ付けすることができます。一部の製品では、特定のエリアでフレックス上にもコンポーネントを取り付ける必要があります。その場合、組み立て中にフレックスを支えるために、追加のリジッドエリアでパネルを組み立てる必要があります。これらのエリアはフレックスに接着されず、制御された深さのルータービット（「マウスバイト」付き）でルーティングされ、最終的には組み立て後に手でパンチアウトされます。

図10：最終リジッドフレックスパネルの例。この例では、前面と背面のボードエッジ、およびフレックス回路がルーティングされています。リジッドサイドは後でスナップオフするためにV溝加工されています。これにより、エンクロージャへの組み立て時間が節約されます。

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