フレックスPCBとは?総合ガイド

はじめに

一般的にフレックス回路と呼ばれるフレキシブルプリント基板(PCB)は、従来のリジッドPCB技術を超えるユニークな機能を提供します。フレキシブルな構造により、使用時にダイナミックに曲げたり、折ったり、曲げたりすることができ、電子機器の小型化と技術革新が進む現代の電子機器や製品には欠かせないものとなっています。

フレキシブルPCB技術の基礎を理解することで、電子製品や設計におけるフレックス回路の効果的な利用を判断することができます。信頼できるPCBPitにお任せください。 プリント基板製造会社 フレックスPCBソリューション

 

フレックスPCBとは?

フレックス基板

フレキシブルプリント基板 は、ポリイミドやポリエステルのような柔軟なポリマー材料でできた誘電体ベース層を利用している。導電性銅トレースはフレキシブルなベース層にラミネートされ、薄く曲げやすい回路基板を作ります。硬いグラスファイバー補強材がないため、フレックスPCBは使用中に動的に曲げたり変形させたりすることができます。

フレキシブルPCBの通称:

  • フレックス回路
  • フレキシブル回路
  • フレキシブルプリント回路
  • フレックスプリント

フレックスPCBを特徴づける主な特性には、柔軟性、軽量性、動的挙動、耐久性、部品との統合、省スペース設計、カスタマイズ性などがあります。これらの機能により、フレキシブル回路は、コンパクトでポータブルな電子機器における複雑な物理的・電気的要求を満たすことができます。

 

フレキシブルプリント基板の材料と構造

フレキシブルPCBは、そのユニークな素材と構造により、独特の能力を発揮します。フレックス回路の主要な構成要素は以下の通りです:

誘電性フレキシブル基板

ベースとなる誘電体層は、導電性トレースを製造するための土台となる。適切なフレキシブル基板材料を選択することが重要です。

一般的な選択肢としては、ポリイミド(カプトン)、ポリエステル(PET)、ポリアミド、フッ素樹脂(PTFE)、液晶ポリマー(LCP)などがある。ポリイミドは、高い耐久性、熱特性、費用対効果により、最も広く使用されているフレックス基板材料です。

銅箔

極薄の圧延アニール銅箔をベース基板にラミネートします。フレックスPCBの一般的な箔厚は12μmから35μm(0.5オンスから1オンス)です。

導体

銅箔は、必要な導電経路やトレースを作り出すためにリソグラフィ工程を使用してパターン化される。

カバーレイ

薄いフレキシブルな誘電体カバーレイを導体層の上にラミネートすることで、絶縁と保護を行うことができる。

接着剤

アクリル系またはエポキシ系の接着フィルムは、ベース基板と銅箔、カバーレイと導体の接着に使われる。

スティフナー

多層構造では、熱応力によるフレックスPCBのしわや座屈を最小限に抑えるため、誘電体補強層を追加することがあります。

仕上げとコーティング

はんだマスクは絶縁と酸化防止のために導体パターンを被覆する。露出したパッドには、熱風はんだレベリング(HASL)またはその他の表面仕上げを施すことができます。

フレキシブルプリント基板の主な特性

材料と工法は、全体の厚さ、曲げ半径、耐熱性、耐薬品性、軽量性など、フレックス回路に特徴的な特性を与えます。これらの特性により、フレックスPCBは幅広い電子アプリケーションに適しています。

フレキシブルプリント基板の特徴

  • 高周波特性 - 短い信号経路と薄い誘電体材料は、優れた高周波性能に貢献します。LCPのような基板は優れたRF特性を持ち、高周波アプリケーションに適しています。
  • 現在の格付け - フレキシブルプリント基板の通電容量は銅の厚さによって制限され、一般的なフレックス回路構造の場合、典型的な連続電流定格は約0.5Aから5Aです。
    慎重に材料を選択し、設計ルールを遵守することで、フレキシブルプリント基板の特性は、特定のアプリケーションの要件を満たすように調整することができます。

フレキシブルPCB設計の考慮点

信頼性の高いフレックスPCBを設計するには、動的な曲げの側面に特別な注意を払う必要があります。以下は考慮すべき重要なガイドラインです:

  • トレースの幅と間隔 - トレースの幅が狭いと、亀裂を防ぐためにフレックスの間隔を広げる必要がある。動的領域では、トレース幅に対する間隔を2:1にすることが推奨される。
  • 曲げ半径 - 曲げ軸に垂直にトレースを配線することが重要です。曲げ半径は、静的な領域ではベース厚の少なくとも3倍、動的な曲げ領域では10倍を維持することが重要です。
  • カバーレイ・ヴォイド - 摩耗を防ぐため、痕跡が露出する部分ではカバーレイの空隙を最小限に抑えるべきである。ダイナミックなベンドゾーンでは、ボイドの戦略的な配置を考慮すべきである。
  • 補強 - 曲げ時の座屈や皺を防止するため、多層部には追加の補強材が必要な場合がある。
  • 接着剤 - ダイナミック・フレックス用途に設計された高性能フレキシブル接着剤をご利用ください。アクリル系粘着剤はその耐久性で知られています。
  • バイアス - ドリルホール端からの亀裂伝播を防ぐため、適切な環状リングを備えたティアドロップ型ビアを使用すべきである。
  • コーナー - 鋭利なトレースの角をより大きな半径で丸めることは、応力集中の軽減に役立つ。角のあるトレースは避けた方がよい。
  • パッド - 丸みを帯びた長方形または円形のパッドを使用する。屈曲部のパッドはネックダウンで熱緩和する。
  • シールド - 柔軟なシールドフィルムや導電層は、EMI/ESD保護に役立ちます。専用のシールドトレースを組み込むことも可能です。

これらの専門的なガイドラインを遵守することで、フレックスPCBは数百万回の屈曲サイクルに耐え、長い製品寿命を持つように設計することができます。

 

フレックスPCBの一般的な種類と用途

フレキシブル回路は、相互接続やパッケージング用途にさまざまな構成で利用できる:

  • フレキシブル相互接続 - 単純な導体トレースやワイヤーパターンは、フレキシブル基板上でPCB、ディスプレイ、その他のモジュールをダイナミックな動きで接続するために使用される。
  • フレキシブルケーブル - 圧延フレックス基板上の平行導体トレースを利用して、信号、データ、および電源の相互接続用の高密度リボンケーブルを作成します。
  • メンブレン・スイッチ - 導体トレース、スペーサー、フレキシブルオーバーレイを統合し、超薄型タッチセンシティブコントロールスイッチを製造。
  • フレックス・リジッド・ボード - リジッド基板にフレキシブル部を組み込むことで、複雑なリジッド部を持つコンパクトに折りたためるハイブリッドPCBを作成できます。
  • フレキシブルヒーター - フレックス基板上に抵抗発熱体をパターン形成し、表面にフィットする薄型のヒーティングパッドやブランケットを作成する。

フレックスPCBの一般的なアプリケーションには、医療機器、ウェアラブル機器、ロボット工学および産業機械、民生用電子機器、自動車用電子機器、航空宇宙および軍事システムなどがあります。フレックス回路の柔軟性、軽量性、動的特性は、革新的な設計の可能性を可能にします。

 

フレックスPCBの利点

フレキシブルPCB技術には、いくつかの重要な利点がある:

  • ダイナミック・フレクシング - 何百万回もの動作サイクルに耐えることができ、リジッドPCBでは不可能なロール、ツイスト、折り畳みが可能。
  • 形状に適合 - リジッドボードとは異なり、製品の輪郭や筐体としっかりと一体化できる。
  • 軽量 - リジッドラミネートに比べて質量が極めて小さいため、ポータブル機器やウェアラブル機器に適している。
  • 薄型フォームファクター - 小型で薄型の回路を作成できるため、狭いスペースにフィットし、製品の薄型化が容易。
  • 耐久性 - 柔軟な構造により、振動や機械的衝撃に強い。
  • 高密度 - インターコネクトを統合し、外部ケーブルやコネクターを不要に。
  • カスタムシェイプ - 無制限の2D形状とアウトラインで製造可能。
  • ソフトでしなやか - 完全な電子システムをファブリックに統合することができる。
  • 信頼性 - 適切な設計により、フレックス寿命にわたって安定した性能を発揮。
  • コスト削減 - 組み立てを簡素化し、コネクターの必要性を減らし、製品の総コストを削減します。
 

課題と限界

フレキシブルPCB技術には多くの利点がある一方で、次のような制約もある:

  • 限られたレイヤーと密度 - 一般的に1~6層が可能で、回路の複雑さが制限される。高密度多層フレックスはまだ開発中である。
  • より低い定格電流 - 銅の厚さは通電容量を制限し、通常は5A以下である。
  • チャレンジングな組み立て - フレキシブル基板に適した特殊なSMTプロセスが必要。
  • 摩耗しやすい - ダイナミック・フレックスの間隔が不適切だと、亀裂や導体の故障につながる可能性がある。
  • バック・ストラクチャーの要件 - フレックス回路は、システムを完全に統合するために、リジッドフレームまたはエンクロージャーに組み立てる必要があります。
  • 熱管理に関する懸念 - 絶縁ポリマー基板は放熱を妨げる。
  • 環境ダメージを受けやすい - 環境へのダメージを軽減するため、追加の保護カプセル化が必要。

健全な設計手法と材料の進歩により、これらの制限に対処し、フレックスPCBの能力を拡大するための継続的な努力がなされている。

 

フレキシブルPCBとリジッドPCBの比較

リジッドPCB技術は多くのアプリケーションに適していますが、特定のケースではフレキシブルPCB実装への移行が有利です。以下にフレキシブルPCBとリジッドPCBの比較を示します:

パラメータ フレキシブルPCB リジッドPCB 構成 ポリマー誘電体(PI、PET) リジッドラミネート(FR4) レイヤー 通常1~6層 最大30層以上 特徴 細線トレース、中密度 非常に高密度が可能 熱伝導率 ポリマーを介した伝導が悪い 熱伝導が良い 電流容量 通常5A未満 高電流が可能 アセンブリ 特殊なSMTプロセスを必要とする 標準的なSMTアセンブリ 形状 あらゆる2次元輪郭が可能 長方形基板に限定 曲げ半径 動的に曲げることが可能 曲げ半径がほとんどない コスト $$ $$ $$

リジッドPCBは、ほとんどの高複雑度、高密度、高出力のアプリケーションに対応しますが、フレックスPCBは、スペースに制限のあるモバイル設計に必要な機械的柔軟性を提供します。最適なソリューションは、多くの場合、リジッド-フレックスPCBに両方を統合し、両方の技術の長所を活用することです。

 

フレキシブルPCBの今後の動向

ここでは、フレキシブルPCB技術の継続的な進化を形成する主なトレンドを紹介する:

  • より薄い構造 - フレキシブル層の厚さを1ミルまで薄くし、曲げやすさを向上。
  • 小さな特徴 - トレース幅と間隔を2ミルまで狭くして集積度を向上。
  • 改良素材 - LCPのような新しい基板は、より優れた電気的性能と高周波性能を実現する。
  • ファインピッチ コンポーネント - フレックスPCBへの超ファインピッチICの直接表面実装を可能にする。
  • 高密度フレックス - 最大12層のフレキシブル多層基板の開発。
  • 受身の埋め込み - フレキシブル層内に薄い埋め込み抵抗とコンデンサーを組み込む。
  • ストレッチャブル回路 - フレキシブルプリント基板の伸縮や変形を可能にする新素材の採用。
  • アディティブ・プロセッシング - サブトラクティブ・エッチングから、印刷またはメッキ・プロセスを用いたアディティブ・ファブリケーションへの移行。
  • 3Dストラクチャード・フレックス回路 - 面外フレックス回路構造を製造する技術。
 

材料科学と製造プロセスが成熟するにつれ、フレックスPCB技術は、これまで実現不可能だった革新的なエレクトロニクス設計への扉を開くだろう。

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