リジッドフレックスPCB：利点と実用的なヒント

FPCとPCBの誕生と発展に伴い、リジッド・フレックス・ボードという新製品が登場した。.

リジッドフレックスPCBとは？

リジッド・フレックス・ボード フレキシブル回路基板 とリジッド回路基板を一つのラミネート構造にしたものです。リジッドフレックスPCBは、従来のリジッドPCBの枠を超えたものです。リジッドフレックスPCBは、従来のリジッドPCBの境界を越えるもので、フレキシブルな絶縁フィルム上に、延性の高い電解銅めっきや圧延アニール銅をパターニングしたフレキシブル回路を使用します。リジッド・フレックス設計には、高密度、微細トレース、小さなビア、小型、軽量、高信頼性といった明確な特徴があります。その性能は、振動、衝撃、湿度条件下でも安定しています。曲げることができ、3次元実装が可能です。アセンブリ内のスペースを有効に利用できる。このような理由から、携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラなどのポータブルデジタル製品に広く使用されています。リジッドフレックス基板は、特に民生用電子機器において、パッケージの小型化が要求される場合に、より多く使用されるようになるだろう。.

当初、多層リジッド・フレックス基板の基本的な設計アイデアと製造プロセスは、航空宇宙機器から生まれた。航空宇宙システムは、非常に限られたスペース内で信頼性の高い配線を必要とする。一部の複雑な製品では、リジッド・フレックス基板に30層以上の導体層が使用されたこともある。一方、携帯電話やデジタルカメラなどの民生用電子機器では、常に高密度で低コストの配線が必要とされていた。このニーズが、新しい設計アイデアや製造方法を生み出す原動力となった。.

多層リジッド・フレックス基板は、基本的にリジッド基板とフレックス基板をミックスしたものである。しかし、基板メーカーがうまく接合するためには、リジッド基板とフレキシブル基板の両方の工程における優れたスキルが必要です。そのため、このタイプのPCBを設計する前に、メーカーの能力と限界を明確に知っておく必要があります。.

リジッド・フレックス・ボードの欠点

もし、“フレックスボード + リジッド-フレックス・ボードの主な欠点はコストである。リジッド-フレックス・ボードは多くの場合、コストが高い。場合によっては、リジッド・フレックス・オプションは、フレックス基板とリジッド基板を別々に使用した場合の2倍近い価格になることもある。しかし、コネクタのコストやHotBarのはんだ付けコストを比較対象から外すと、価格は近くなります。本当のコストイメージを見るには、部品、組立工程、特殊工程をカウントした完全なコスト分析を行う必要があります。.

もうひとつの欠点は組み立てである。リジッド・フレックス基板への部品のSMT実装やリフローには、フレキシブル部分を支えるキャリアや固定具が必要になる場合がある。キャリアの使用は、SMTアセンブリーコストを増加させる。キャリアは、ピックアンドプレースやリフロー時にフレックス部分を平坦に保ち、支持するのに役立ちます。.

リジッド・フレックス・ボードの利点

コストだけでなく、リジッド・フレックス・ボードには多くの利点がある。主な利点をいくつか紹介しよう：

1. 基板スペースを節約し、コネクタやHotBarプロセスの必要性を排除
   フレックスとリジッドは一体型なので、コネクターやHotBarジョイントを取り外すことができます。高密度設計では、コネクター1個分のスペースを失うことは非常に貴重です。また、コネクタを取り外すことで、部品コストやHotBar加工コストも削減できます。さらに、コネクタが不要になれば、2枚の基板間の隙間はかなり小さくなります。.

2. 信号経路の短縮、高速化、信頼性の向上
   別々のリジッド基板をコネクターでつないだ場合、信号経路は、基板→コネクター→フレックス→コネクター→基板となる。リジッド・フレックス・ボードでは、ボード→フレックス→ボードとなる。経路は短くなる。信号が交差する材料が少なくなるため、エネルギーの損失が少なくなります。標準的なリジッド基板では、トレースは銅。コネクターは金メッキコンタクト。はんだ付けされたピンは通常、錫または錫合金である。各材料の界面で信号が変化すると、多少のロスが生じます。リジッド-フレックスを使えば、インターフェースの数が減ります。これは、シグナルインテグリティに役立ちます。正確な信号が必要な製品では、リジッドフレックス基板は信頼性を向上させます。.

3. 製品組立の簡素化と組立時間の短縮
   リジッド・フレックス・ボードを使用することで きょくかんり と最終的な組み立て時間。コネクタの数が減ります。また、フレックスをコネクタに挿入する組立ステップやHotBarのはんだ付けステップも不要になります。部品点数が減るということは、BOMが短くなるということです。そのため、在庫や部品管理作業が軽減されます。.

フレックス・ボードとリジッド・フレックス・ボードの製造と組み立ての違い

主なSMT工程は、どの基板タイプでも同様です。フレキシブル回路、リジッドフレックス基板、リジッド基板はすべて、はんだペーストを使用する部品配置とリフローはんだ付けを経る。しかし、フレキシブル基板とリジッドフレックス基板には特別なニーズがあります。生産時にこれらの特別なニーズを注意深く満たさないと、大きな問題が発生します。.

1.ソルダーペースト印刷

リジッド基板と同様に、フレックス基板やリジッドフレックス基板にソルダーペーストを塗布するには、ステンシルとソルダーペーストプリンターを使用します。多くのSMTオペレーターは、フレックスボードのサイズコントロールと壊れやすさを心配しています。リジッド基板とは異なり、フレックス基板の表面は平坦ではありません。そのため、固定具やアライメントホールが必要になります。また、フレキシブル回路材料は温度や湿度によってサイズが変化する。ある条件下では、1インチあたり約0.001インチ伸縮したり、しわが寄ったりします。このため、フレックス配置には、リジッド基板SMTよりも小型のキャリアや特殊な工具が必要になることが多い。.

2.SMT コンポーネントの配置

今日、部品は小型化している。小さな部品は、基板表面が平らでない場合、リフローで問題を引き起こす可能性があります。フレックス回路が小さい場合、寸法変化は問題にならないかもしれませんが、SMTキャリアの小型化やフィデューシャル・マークの追加が必要になるかもしれません。キャリアが平らでない場合、配置がずれます。優れたSMT治具は、配置面を平らで安定した状態に保つのに役立ちます。.

3.リフローはんだ付け

リフローの前に、フレキシブル回路は乾燥させなければならない。これがフレックスとリジッド基板アセンブリの重要な違いである。フレックス素材はスポンジのように水分を吸収する。フレックス材はその重量の最大約3%を湿気から吸収します。フレックス基板が水分を吸収すると、まず乾燥させなければリフローできません。リジッド基板にもこの問題はありますが、リジッド基板の方が多少の湿気には耐性があります。.

フレキシブル回路は、およそ225°F～250°F（約107℃～121℃）で短時間のプリベークが必要で、理想的には1時間以内に終了する。フレックスの乾燥が間に合わない場合は、ベークするまで基板をドライボックスや窒素倉庫に保管する必要があります。適切な乾燥を行うことで、剥離やブリスターなど、リフロー中の蒸気発生による損傷を防ぐことができます。.

リジッド・フレックス・ボードの用途

リジッドフレックスPCBは、リジッド基板の耐久性とフレキシブル基板の適応性を兼ね備えています。すべてのPCBタイプの中で、リジッドフレックスは過酷な環境に対して最も堅牢です。その強さから、リジッドフレックス基板は産業用制御機器、医療機器、軍事機器に人気がある。中国本土のメーカーも、総生産量に占めるリジッドフレックス基板の割合を増やしている。.

代表的な応用分野は以下の通り：

1. 産業用 - 産業用機械、軍用機器、工業用機械が含まれる。 医療機器. .これらの部品には、精度、安全性、耐久性が求められます。これらの分野のリジッドフレックス基板は、高信頼性、高精度、低インピーダンス損失、完全な信号品質、長寿命を実現しなければならない。しかし、工程は複雑で、出力は低く、単価は高い。.

2. 携帯電話 - 携帯電話では、リジッドフレックス基板は折りたたみ式電話のヒンジ部分、カメラモジュール、キーパッド、RFモジュールに使用されています。繰り返しの折り曲げや狭い組み立てスペースに対応します。.

3. コンシューマーエレクトロニクス - デジタルスチルカメラ（DSC）やデジタルビデオ（DV）製品は、リジッドフレックスを使用する代表的なコンシューマー製品です。リジッドフレックスを性能と構造の2つの側面から見ることができます。性能面では、リジッドフレックスは異なるリジッド基板やモジュールを3次元的に連結することができます。そのため、同じ線密度でも使用可能な回路面積が増える。そのため、回路収容能力が向上し、信号経路の制限や組み立てミスを減らすことができる。構造面では、リジッド・フレックス基板は軽くて薄く、柔軟な配線が可能です。サイズ縮小と軽量化に役立ちます。.

4. 自動車 - 自動車では、リジッドフレックス基板は、ステアリングホイールのキースイッチ、車載スクリーンと制御基板間の接続、ドア制御キー、カーオーディオ制御、パーキングレーダーカメラシステム、多くのセンサー（空気品質、温度、湿度、ガス検知と制御）、車両通信システム、衛星ナビゲーション、後部座席コントローラーの接続、フロントエンドコントローラー基板、さらには外部検知システムに使用されています。.

多層リジッド・フレックス基板用材料

以下は、多層リジッド・フレックス基板の製造に使用される一般的な材料の簡単な表である。必要な材料、従来の選択肢、より高性能な選択肢を挙げている。.

上の表は、リジッド・フレックス基板を作る際に必要ないくつかの材料を列挙したものである。技術の進歩に伴い、これらの材料の性能が著しく向上していることに留意することが重要である。.

材料には高い耐熱性と加熱時の寸法安定性が求められる。軍事や航空宇宙などの信頼性の高い分野では、厚いポリイミドフィルム（50μm以上）の使用を推奨しています。このような分野では、基材に加工時の強い安定性と耐久性が求められます。これとは対照的に、民生用電子機器では、より薄く、より軽くというトレンドに従うことが多い。そこでは、メーカーは通常、より薄い誘電体（50μm未満）を使用する。.

銅張積層板、カバーレイ、ボンディング・フィルムなどの接着剤の中では、アクリル系接着剤の方が接着強度は高いが、耐熱性がやや低く、収縮率も高い。エポキシ系接着剤は耐熱性に優れていますが、硬化に時間がかかり、接着強度がやや弱くなることがあります。.

鋳造または加圧積層された接着剤フリーの銅張り積層板を使うと、通常、耐熱性が高く、熱膨張係数(CTE)が低くなります。また、これらの素材は最終的な基板の厚みを減らすのに役立ち、穴あけ樹脂のスミアを大幅に減らすことができます。しかし、接着剤を使わない材料は 300℃以上の加工が必要で、特別な設備と工程管理が必要です。.

デザイナーとバイヤーのための注意事項とその他のヒント 

1. 早めにボードメーカーに相談しましょう。リジッド層とフレックス層の数、曲げ部分の位置、基板が耐えなければならないフレックスサイクルの回数などを伝えてください。また、目標とするインピーダンスや高速性のニーズも伝えてください。そうすればメーカーは、その設計が可能かどうか、どのような限界があるかを教えてくれるでしょう。.

2. 曲げ部分には、硬い部品や重い部品がないようにしてください。明確なベンドラインを使用し、できる限りトレースを中立軸の近くに保つ。曲げエリアを横切るトレースは十分な幅を持ち、優れたフレックスルールに従うこと。特別な設計をしない限り、繰り返しの曲げ部分にメッキのスルーホールは避けてください。.

3. アセンブリの設計。フレックスエリアでのSMTを想定している場合は、キャリア、フィデューシャル、ベークステップを計画してください。補強材が必要な部分と、接着剤で部品を支持する部分に印を付けてください。.

4. 必要に応じて素材を選ぶ。軍事用や医療用には、厚いポリイミドや強い基材を使用する。軽量・小型が必要な場合は、電話や小型消費財に薄い誘電体を使用する。.

5. コストのトレードオフ。リジッドフレックスは、組み立て部品やコネクタを削減できますが、基板自体のコストが高くなります。システム全体のコストをチェックしてください。多くの場合、コネクターや関連する組み立て工程を取り除くと、システム全体のコストは下がります。また、修理やテストのコストも考慮してください。.

6. ストレステストを行う。製品が振動、衝撃、熱、湿度に直面する場合は、リジッド・フレックス基板を早期にテストしてください。サイクル試験、熱衝撃試験、湿度試験により、量産前に問題を発見することができます。.

7. ツーリングの計画を立てる。PCBメーカーと協力して、治具、キャリア、ベークスケジュールを計画します。適切なツールは、欠陥や配置ミスを減らします。.

8. 文書化。明確な機械図面、スタックアップ、曲げルール、レイヤーマップを提供する。補強材の位置とフレックステールの剛性エリアからの出口を示す。.