リジッドフレックスPCB設計のベストプラクティス

2019 年 10 月 25 日

ライアンはMOKOのシニア電子エンジニアであり、この業界で10年以上の経験を持っています。PCBレイアウト設計、電子設計、組み込み設計を専門とし、IoT、LED、コンシューマーエレクトロニクス、医療など、さまざまな分野のお客様に電子設計・開発サービスを提供しています。

リジッドフレックスPCB設計：メリットと設計のベストプラクティス

リジッドフレックス基板（リジッドFPC）を使用することで、フレキシブル回路基板とリジッド回路基板を一体化することができます。リジッドフレックス基板は、従来の基板の限界を超えています。リジッドPCB フレキシブル保護フィルム上に彫刻された高柔軟性電着または転写強化銅導体写真を使用したフレックス回路のユニークな特性。

フレックス回路には、カプトンやノートンなどの柔軟なポリイミドを使用して製造されたスタックアップと、熱、アクリル接着剤、および重量によって接合された銅が組み込まれています。

同様に、従来のPCBでは、リジッド基板の両面にコンポーネントを実装できます。リジッド回路とフレックス回路が混在するため、リジッドフレックス構成ではコンポーネント間にコネクタや接続ケーブルは使用されません。代わりに、フレックス回路がシステムを電気的に接続します。

コネクタや接続ケーブルが存在しないことにより、次のようなことが実現されます。

回路の能力が向上し、問題なく信号を伝送できるようになります
制御されたインピーダンスに対応
クールなジョイントなどの関連性の問題を排除します
軽量化
さまざまな部品のためのスペースを解放します

各リジッドフレックスPCBは、様々な材料と層数を持つゾーンに分割されています。リジッドゾーンはフレキシブルゾーンよりも層数が多い場合があり、材料はFR-4からポリイミドへと大きく変化します。

複雑な構造は、剛性からフレキシブルへ、そして再び剛性へと変化することがよくあります。こうした変化が起こるため、剛性フレックス材料の被覆は、剛性を維持するために、変化領域からの隙間を遮断する必要があります。また、多くの剛性フレックス設計には、コネクタやセグメントをさらに補強する硬化鋼またはアルミニウム製の補強材が組み込まれています。

硬質 FPC 実装は、実質的に同等のハードボードよりもはるかに高価であり、通常は補強材付きのフレキシブル回路の費用の数倍になります。

それにもかかわらず、拡大された費用は、例えば、特定のアプリケーションと状況に関して正当化されます。:

高い信頼性が求められる用途。部品が過度または反復的な衝撃、あるいは高振動環境にさらされる場合、フレキシブルケーブルを使用したコネクタは破損しやすくなります。リジッドFPCは、過度の振動や衝撃にさらされる用途においても、優れた信頼性を提供します。
厚みのあるアプリケーション。限られた狭い空間内では、電子基板設計に必要なすべてのケーブルやコネクタを配線することが困難な場合があります。硬質FPCシートは非常に小さなプロファイルに重ねることができるため、このような場合に大幅なスペース節約を実現します。
5枚以上の硬質シート。最終的に5枚以上の硬質シートをフレックスケーブルで接続するアプリケーションでは、統合された硬質フレックス配線が理想的で、コスト効率も優れています。

リジッドフレックスPO設計には多様な設計ルールが適用される

3次元設計や製品の製造を可能にする柔軟性と柔軟性は、様々な困難によって相殺されてきました。従来のリジッドフレックスPO設計では、部品、コネクタ、そして製品のフレームを、物理的により強固なアセンブリの剛性部分に取り付けることができました。繰り返しになりますが、従来の設計においては、フレキシブル回路は単に接続部として機能するだけで、質量を軽減し、振動に対する耐性を向上させていました。

新しい製品構造と改良されたフレックス回路技術の組み合わせにより、リジッドフレックスPOに新たな設計基準が生まれました。設計チームは、フレキシブル回路領域に部品を配置できるようになりました。この可能性と、リジッドフレックス設計を扱う多層アプローチを組み合わせることで、より多くのハードウェアを設計に組み込むことができます。ただし、この可能性を活用するには、配線や隙間に関していくつかの課題が伴います。

フレキシブル回路には常にねじれ線があり、これが配向に影響を与えます。材料圧力の可能性があるため、ねじれ線の近くに部品やビアを配置することはできません。また、部品が適切に配置されていても、フレックス回路のねじれは、表面実装パッドや貫通孔に機械的荷重を繰り返すことになります。貫通孔めっきを使用し、パッドを固定するための追加のオーバーレイでパッド支持を強化することで、これらの懸念を軽減できます。

配線の設計にあたっては、回路の負荷を軽減するパターンを模索してください。フレックス回路に電源プレーンやグランドプレーンを配線する際は、インキュベートポリゴンを使用して柔軟性を維持します。90°または45°のエッジではなく、曲がった配線を使用し、配線幅を変えるにはティアパターンを使用します。これらのパターンは、配線の重なりや不安定な部分を軽減します。もう一つのベストプラクティスは、両面フレックス回路の上部と下部の配線をバランスよく配置することで、配線間の負荷を軽減することです。配線のバランスをとることで、配線が重なり合うのを防ぎ、配線の安定性を高めます。

圧力を軽減するために、ツイストラインの反対側にコースフォローを配置する必要があります。リジッドをフレックスに、フレックスをリジッドに置き換える場合、媒体間の層数が異なる場合があります。コースフォロー配置を利用することで、隣接する層のステアリングバランスを調整し、フレックス回路の強度を高めることができます。

リジッドFPC設計ガイドライン

一般的に、リジッドフレックス配線構造はハードボード構造に非常に似ており、フレキシブル層が基板のリジッド領域まで完全に伸びています。ハードボード構造と同様に、リジッドフレックス配線パッケージには、ガーバー層に加え、ドリルファイル、パッチカバー層、分類、外周配線ファイル、カバー層などが含まれます。

通常、リジッド FPC とハードボードアプリケーションの製造パッケージには、いくつかの重要な違いがあります。

リジッドFPCは一般的に多くの寸法が刻まれており、3Dアプリケーションでよく使用されるため、要件を綿密に定義する必要があります。また、ガーバーレイヤーのみで確認すると必ずしも明確ではないため、リジッドからフレックスへの成長領域も正確に定義する必要があります。
リジッドフレックスシートの材料レイアップは複雑であり、製造業者と連携して検討する必要があります。製造業者は、UL難燃性定格、必要な最小ねじれ半径、機械的考慮、フレックス層とリジッド層の両方におけるインピーダンス制御、RoHS認証、鉛フリー部品との互換性など、お客様の要件に基づいて適切な材料を選択するお手伝いをいたします。
硬質フレックスシートは通常、ガーバーファイルに追加のレイヤーが必要です。レイヤー1とXには溶接カバー層が含まれますが、ボードのカバー層とボンド層（必要に応じて）を定義し、それぞれがハードボードに占める割合を示すアートワークレイヤーも必要です。IPC 2223では0.100インチが推奨されていますが、製造業者によってはそれよりも小さい値に対応できる場合もあります。

リジッドフレックスPCBの設計に影響を与えるもの

電気機械的要因が設計に影響を与える

リジッドフレックスPCBを設計する際には、フレックス回路とリジッド基板に影響を与える電気機械的な要因について十分に考慮してください。設計にあたっては、曲げ幅と厚さの比率に重点を置きます。フレックス回路の場合、曲げ幅がきつすぎる場合や曲げ部の厚さが厚すぎると、故障の可能性が高まります。製造業者は、曲げ幅をフレックス回路基板の厚さの少なくとも数倍に保ち、同じ回路の「紙人形」を作成して、曲げが発生する場所を特定することを推奨しています。

フレックス回路を外側のねじれに沿って伸ばしたり、内側のねじれに沿って詰め込んだりするのは避けてください。曲げ端を90°を超えて伸ばすと、フレックス回路の一点が伸び、別の一点に圧力がかかります。

リジッドフレックスケーブルの安定性におけるもう一つの重要な要素は、曲げ部に使用される導体の厚さと種類です。導体のめっき量を減らし、めっきのみで補強することで、厚さと機械的なストレスを軽減できます。銅、金、ニッケルなどの厚めっきを使用すると、曲げ部の柔軟性が低下し、機械的な応力やひび割れが発生しやすくなります。

材料のレイアップに関する考慮事項

リジッドFPCの材料レイアップは、コスト、製造性、そして最終的なPCB性能に大きく影響するため、最適な材料の組み合わせを決定するために時間をかけることが重要です。例えば、制御されたインピーダンス、抵抗、電流伝送要件は、銅の負荷と材料の選択の両方に影響を与える非常に重要な考慮事項です。

PCB設計者は、基板製造業者と協力してこれらの要素を検討し、後続の設計がすべてのフラグ整合性要件を満たすようにする必要があります。設計者が初期計算を実施した後、製造業者はそれらを検証し、基板のインピーダンス特性と、それらの特性を達成するために必要な材料の組み合わせをより正確に提示することができます。

インピーダンス特性がそれほど重要でない場合、最も低コストで最も安定したリジッドフレックス設計の提案をお探しですか？リジッドフレックス設計は、リジッドフレックス設計における全体的な材料費が最も低いだけでなく、リジッドフレックス構造に不慣れな設計者にも安全な出発点を提供します。

リジッドフレックス構成のコストを素早く見積もりたい場合は、リジッドフレックスコスト見積もりツールをお試しください。このツールは、お客様の要件を入力すると、低レベルの発電量における予想コストを算出します。これは、計画が計画要件を満たし、経済的に実現可能かどうかを確認するための優れた出発点となります。

リジッドフレックスシートのリジッドセグメントは通常20層以下です。それ以上の層数になる場合もありますが、一般的に16層を超えることは非常にまれです。ハードボードセグメントはすべて同じ層数である必要はありません。例えば、あるリジッドセグメントは12層のハードウェアで、別のセグメントはXNUMX層のハードウェアである場合があります。それぞれの材料の積層が同等で、積層全体の厚さが同じであれば、組み立て上の問題は発生しません。場合によっては、厚さが異なるハードボードを設計に使用することも可能ですが、そのような設計は非常に困難になるため、異なる選択肢を検討する必要があります。

リジッドフレックスシートのフレキシブル層は、通常、1層（シングレット）、2層（ダブレット）、3層（トリプレット）、または4層（クワッド構造）です。設計者によっては、負荷のフレキシブル層の上に4層以上の層を必要とする場合もありますが、多くの場合、接着されていません。4層以上の強化されたフレキシブル層は、ねじれや曲げに対して非常に耐性があります。リジッドフレックスシートのフレキシブル層に充填される銅の量は、通常、0.5オンスと1オンスの量が用いられます。

電気配線には2オンスの銅箔が必要になる場合があります。そのような場合、設計者は製造業者と緊密に連携し、適切なノンフロープリプレグを選択して、ハードボードの厚い回路を適切に充填する必要があります。ノンフロープリプレグは構造上、流動性が低く、2オンスの銅箔ではいくつかの問題が発生する可能性があります。3オンスの銅箔も使用されることがありますが、同様の理由で組み立てに大きな問題が発生する可能性があります。