フレキシブルでコンパクトな電子ソリューションに対する需要が高まるにつれ、リジッドフレックス PCB は PCB の設計と製造において一般的な選択肢となっています。これらのボードは、リジッド PCB とフレキシブル PCB の利点を組み合わせて、耐久性と機能性を犠牲にすることなく柔軟性を強化します。信頼性が高く最適化されたリジッドフレックス PCB を設計するには、スタックアップ構成を完全に理解することが重要です。スタックアップ構造は PCB の配置と層構造を決定し、その性能と製造性に直接影響します。この包括的なガイドでは、リジッドフレックス PCB スタックアップの複雑さを掘り下げ、設計プロセス中に設計者が情報に基づいた意思決定を行うのに役立つ貴重な洞察を提供します。 材料の選択、層の配置、信号整合性の考慮事項、インピーダンス制御、製造上の制約など、さまざまな側面をカバーします。 リジッドフレックス PCB スタックアップの複雑さを理解することで、設計者は設計の整合性と信頼性を確保できます。これらは信号の完全性を最適化し、電磁干渉 (EMI) を最小限に抑え、効率的な製造プロセスを促進します。リジッド フレキシブル PCB 設計が初めての場合でも、知識を深めたい場合でも、このガイドは貴重なリソースとなり、複雑なスタッキング構成を理解し、さまざまな製品向けの高品質でリジッド フレキシブル PCB ソリューションを設計できるようになります。
1.リジッドフレックス基板とは何ですか?
リジッドフレックス基板は、リジッドフレックスプリント基板 (PCB) とも呼ばれ、1 枚の基板上にリジッド基板とフレキシブル基板を組み合わせた PCB です。リジッド PCB とフレキシブル PCB の利点を組み合わせて、設計の柔軟性と耐久性を強化します。リジッドフレックス基板では、リジッド部分は従来のリジッド PCB 材料 (FR4 など) で作られ、フレキシブル部分はフレキシブル PCB 材料 (ポリイミドなど) で作られます。これらの部品は、メッキスルーホールまたはフレックスコネクタを介して相互接続され、単一の統合基板を形成します。剛性セクションは、標準の剛性 PCB と同様に、コンポーネント、コネクタ、およびその他の機械要素にサポートと安定性を提供します。一方、フレキシブル部分は回路基板を曲げたり曲げたりできるため、スペースが限られている電子機器や不規則な形状の電子機器に取り付けることができます。リジッドフレックス基板には、従来のリジッドまたはフレキシブル PCB に比べていくつかの利点があります。コネクタとケーブルの必要性が減り、スペースが節約され、組み立て時間が最小限に抑えられ、潜在的な障害点が排除されることで信頼性が向上します。さらに、リジッドフレックス基板は、リジッド部品とフレックス部品間の相互接続を簡素化することで設計プロセスを簡素化し、配線の複雑さを軽減し、信号の完全性を向上させます。リジッドフレックスボードは通常、スペースが限られているアプリケーションや、ボードが特定の形状やプロファイルに適合する必要があるアプリケーションで使用されます。これらは、サイズ、重量、信頼性が重要な要素である航空宇宙、医療機器、自動車エレクトロニクス、ポータブルエレクトロニクスでよく使用されます。リジッドフレックスボードの設計と製造には、リジッドおよびフレキシブルな材料と相互接続の組み合わせのため、専門的な知識と専門知識が必要です。したがって、複雑なリジッドフレックス基板製造に対応できる経験豊富な PCB メーカーと協力することが重要です。
2.リジッドフレックスPCBスタッキング構成が重要なのはなぜですか?
機械的完全性:
リジッドフレックス PCB は、柔軟性と信頼性を提供するように設計されています。積層構成によって剛性層と柔軟層の配置が決まり、ボードが構造の完全性を損なうことなく曲げ、ねじれ、その他の機械的ストレスに耐えられることが保証されます。PCB の疲労、応力集中、および時間の経過による故障を防ぐには、層を適切に配置することが重要です。
スペースの最適化:
リジッドフレックス基板は、スペースが限られた小型電子機器に広く使用されています。スタック構成により、設計者は 3D 空間を最大限に活用する方法でレイヤーとコンポーネントを配置することで、利用可能なスペースを効率的に利用できます。これにより、PCB を密閉された筐体、小型デバイス、複雑なフォームファクターに取り付けることが可能になります。シグナルインテグリティ:
リジッドフレックス PCB のシグナルインテグリティは、その適切な動作にとって重要です。スタッキング構成は、制御されたインピーダンス、伝送ラインのルーティング、クロストークの最小化などの要素を考慮することにより、シグナルインテグリティを最適化する上で重要な役割を果たします。合理的な階層レイアウトにより、高速信号の効果的なルーティングを確保し、信号の減衰を低減し、正確なデータ伝送を保証します。
熱管理:
電子デバイスは熱を発生するため、過熱やコンポーネントへの潜在的な損傷を防ぐには、適切な熱管理が重要です。リジッドフレックス PCB のスタック構成により、サーマルビア、銅層、ヒートシンクを戦略的に配置して効率的な熱放散が可能になります。スタックアップ設計プロセス中に熱の問題を考慮することで、設計者は PCB の寿命と信頼性を確保できます。
製造上の考慮事項:
スタッキング構成はリジッドフレックス PCB の製造プロセスに影響します。これにより、レイヤーが結合される順序、柔軟なレイヤーと剛性のレイヤーの位置合わせと位置合わせ、およびコンポーネントの配置が決まります。スタックアップ構成を慎重に選択することで、設計者は製造プロセスを合理化し、製造コストを削減し、製造エラーのリスクを最小限に抑えることができます。
3.リジッドフレックスPCBスタックアップの主要コンポーネント
リジッドフレックス PCB スタックアップを設計する場合、考慮すべき重要なコンポーネントがいくつかあります。これらのコンポーネントは、PCB 設計全体に必要な構造サポート、電気接続、および柔軟性を提供する上で重要な役割を果たします。リジッドフレックス PCB スタックアップの主要コンポーネントは次のとおりです。
剛体層:
硬質層は通常、FR-4 または同様の材料などの硬質ベース材料から作られます。この層は、PCB に機械的強度と安定性を提供します。また、コンポーネントも収容でき、表面実装デバイス (SMD) やスルーホール コンポーネントの取り付けが可能になります。リジッド層はフレキシブル層に強固な基盤を提供し、PCB 全体の適切な位置合わせと剛性を確保します。
柔軟な層:
可撓性層は、ポリイミドまたは同様の材料などの可撓性基材で構成されます。この層により、PCB を曲げたり、折り曲げたり、曲げたりすることができます。フレックス層には、ほとんどの回路と電気接続が配置されています。PCB を曲げたり、さまざまな形状やスペースに合わせたりする必要があるアプリケーションに必要な柔軟性を提供します。この層の柔軟性は、アプリケーションの要件を確実に満たすように慎重に検討する必要があります。
粘着層:
接着層は、硬い層と柔軟な層の間に塗布される接着材料の薄い層です。その主な目的は、硬い層と柔軟な層を接着し、ラミネートに構造的完全性を提供することです。曲げたり曲げたりした動きでも、層が互いにしっかりと接続された状態を保ちます。接着層は誘電体としても機能し、層間に絶縁を提供します。接着材料の選択は、良好な接着特性、高い絶縁耐力、およびベース材料との適合性を備えている必要があるため、重要です。
補強とカバー:
補強材とカバーは、機械的強度、保護、信頼性を高めるために PCB スタックアップに追加されることが多い追加層です。補強材には、追加の剛性とサポートを提供するために硬質層または軟質層の特定の領域に積層される FR-4 またはポリイミドベースの接着剤不使用シートなどの材料が含まれます。PCB の表面は、湿気、ほこり、機械的ストレスなどの環境要因から保護するために、ソルダー マスクや保護コーティングなどのカバーでコーティングされています。
これらの主要コンポーネントは連携して、アプリケーションの要件を満たす慎重に設計されたリジッドフレックス PCB スタックアップを作成します。剛性層と柔軟層、および接着層によってもたらされる構造的完全性と柔軟性により、PCB は回路の完全性を損なうことなく曲げや曲げの動きに耐えることができます。さらに、補強材とカバーを使用すると、PCB の全体的な信頼性と保護が強化されます。これらのコンポーネントを慎重に選択して設計することにより、エンジニアは堅牢で信頼性の高いリジッドフレックス PCB スタックアップを作成できます。
4.リジッドフレックスPCBスタックアップ構成タイプ
リジッドフレックス PCB スタックアップを設計する場合、アプリケーションの特定の要件に応じて、さまざまな構成タイプを使用できます。スタックアップ構成により、設計に含まれる層の数と、剛性層と柔軟層の配置が決まります。以下に、リジッドフレックス PCB スタックアップ構成の一般的な 3 つのタイプを示します。
硬質および軟質ラミネートの 1 層:
この構成では、PCB は単一層の硬質材料と単一層の柔軟な材料で構成されます。硬い層は必要な安定性とサポートを提供し、柔軟な層は PCB の屈曲と曲げを可能にします。この構成は、限られた柔軟性とシンプルな設計を必要とするアプリケーションに適しています。
リジッドとソフトの 2 層の重ね合わせ:
この構成では、PCB はリジッド層とフレキシブル層の 2 つの層で構成されます。硬い層が 2 つの柔軟な層の間に挟まれ、「本」のような配置が作成されます。この構成により柔軟性が向上し、PCB の両側にコンポーネントを使用してより複雑な設計が可能になります。単層構成に比べ曲げや屈曲に対する柔軟性に優れています。
多層のリジッドとソフトの重ね合わせ:
この構成では、PCB は複数の層 (リジッド層とフレキシブル層の組み合わせ) で構成されます。層は、硬い層と柔軟な層が交互に積み重ねられます。この構成は最高レベルの柔軟性を提供し、複数のコンポーネントと回路を使用した最も複雑な設計を可能にします。高い柔軟性とコンパクトな設計が要求されるアプリケーションに適しています。
リジッドフレックススタックアップ構成の選択は、必要な柔軟性のレベル、回路設計の複雑さ、スペースの制約などの要因によって異なります。エンジニアは、アプリケーションの要件と制限を慎重に評価して、最も適切なスタッキング構成を決定する必要があります。
リジッド フレックス ラミネート構造に加えて、材料の選択、各層の厚さ、ビアと接続の設計などの他の要素も、リジッド フレックス PCB の全体的な性能と信頼性を決定する上で重要な役割を果たします。PCB メーカーおよび設計専門家と緊密に連携して、選択したスタックアップ構成がアプリケーションの特定の要件と標準を確実に満たすようにすることが重要です。
適切なリジッドフレックススタックアップ構成を選択し、他の設計パラメータを最適化することで、エンジニアはアプリケーション固有のニーズを満たす信頼性の高い高性能リジッドフレックス PCB を実装できます。
5.リジッドフレックスPCBスタッキング構成を選択する際に考慮すべき要素
リジッドフレックス PCB スタックアップ構成を選択する場合、最適なパフォーマンスと信頼性を確保するために考慮すべき要素がいくつかあります。留意すべき 5 つの重要な要素を次に示します。
シグナルインテグリティ:
スタックアップ構成の選択は、PCB の信号整合性に大きな影響を与える可能性があります。フレキシブル層上の信号トレースは、リジッド層と比較して異なるインピーダンス特性を持つ場合があります。信号損失、クロストーク、インピーダンスの不整合を最小限に抑えるスタックアップ構成を選択することが重要です。PCB 全体で信号の完全性を維持するには、適切なインピーダンス制御技術を使用する必要があります。
柔軟性の要件:
PCB に必要な柔軟性のレベルは重要な考慮事項です。用途が異なれば、曲げや曲げの要件も異なる場合があります。スタックアップ構成は、PCB がすべての機械的および電気的性能要件を確実に満たしながら、必要な柔軟性に対応できるように選択する必要があります。柔軟な層の数と配置は、特定のアプリケーションのニーズに基づいて慎重に決定する必要があります。
スペースの制約:
製品またはデバイス内で利用可能なスペースは、スタックアップ構成の選択に大きな影響を与える可能性があります。PCB スペースが限られたコンパクトな設計では、スペースを最大限に活用するために多層リジッドフレックス構成が必要になる場合があります。一方、より大きな設計では、スタックアップ構成を選択する際の柔軟性が高まります。パフォーマンスや信頼性を損なうことなく、利用可能なスペースに合わせてスタッキングを最適化することが重要です。
熱管理:
効果的な熱管理は、回路やコンポーネントの性能と信頼性に影響を与える可能性のある熱の蓄積を防ぐために重要です。スタックアップ構成の選択では、熱放散を考慮する必要があります。たとえば、PCB が大量の熱を発生する場合、金属コアを組み込んだり、サーマル ビアを利用したりするなど、熱の放散を助けるレイアップが必要になる場合があります。熱を効率的に放散するために、加熱コンポーネントもスタック内に戦略的に配置する必要があります。
製造と組み立てに関する考慮事項:
選択したスタックアップ構成は、製造と組み立てが簡単である必要があります。製造の容易さ、製造プロセスおよび組立技術との適合性、適切な材料の入手可能性などの要素を考慮する必要があります。たとえば、一部の積層構成では特殊な製造技術が必要な場合や、使用できる材料に制限がある場合があります。選択した構成を効率的に製造および組み立てできるようにするには、設計プロセスの早い段階で PCB メーカーと協力することが重要です。
これら 5 つの要素を慎重に評価することで、エンジニアはリジッドフレックス PCB スタッキング構成の選択について情報に基づいた決定を下すことができます。製造および組立の専門家と協力して、選択した構成がすべての設計要件を満たし、生産プロセスと互換性があることを確認することを強くお勧めします。信号の完全性、柔軟性、スペースの制約、熱管理、製造上の考慮事項に対処するためにスタックアップをカスタマイズすることで、堅牢で信頼性の高いリジッドフレックス PCB ソリューションが実現します。
6. リジッド/フレキシブル PCB スタックアップの設計上の考慮事項
リジッドフレックス PCB スタックアップを設計する場合、適切な機能と信頼性を確保するために考慮すべき重要な要素がいくつかあります。設計に関する 5 つの重要な考慮事項を次に示します。
層の分布と対称性:
スタックアップ内の層の分布は、設計のバランスと対称性を実現するために重要です。これにより、曲げプロセス中の反りや座屈の問題を防ぐことができます。フレックス ボードの両側に同じ数のレイヤーを配置し、フレックス レイヤーをスタックの中央に配置することをお勧めします。これにより、バランスの取れた応力分散が確保され、故障のリスクが最小限に抑えられます。
ケーブルとトレースのレイアウト:
PCB 上のケーブルと配線のレイアウトは慎重に検討する必要があります。ケーブルとトレースの配線は、応力集中を最小限に抑え、曲げ時の損傷を防ぐように計画する必要があります。柔軟性の高いケーブルやトレースは、曲げや折り曲げ点の近くなど、曲げ応力が高い領域から離して配線することをお勧めします。さらに、鋭い角の代わりに丸い角を使用すると、応力集中が軽減され、PCB の柔軟性が向上します。
グランドプレーンと電源プレーン:
グランドと電源プレーンの分配は、正しい信号の完全性と電力分配を維持するために非常に重要です。PCB 全体にバランスの取れた安定した電力分配を提供するために、専用のグランド プレーンと電源プレーンを割り当てることをお勧めします。これらの層は、電磁干渉 (EMI) シールドとしても機能します。グランド ビアとステッチ ビアを適切に配置することは、グランド インピーダンスを低減し、EMI 性能を向上させるために重要です。
シグナルインテグリティ分析:
信号の完全性は、PCB の通常の動作にとって重要です。信号トレースは、インピーダンスの不連続性、クロストーク、信号反射を最小限に抑えるように慎重に設計する必要があります。PCB 設計者は、ソフトウェア ツールを使用してシグナル インテグリティ解析を実行し、トレース幅と間隔を最適化し、制御されたインピーダンスを維持し、リジッド フレックス PCB 全体にわたるシグナル インテグリティを確保する必要があります。
柔軟な領域と曲げ領域:
PCB のフレキシブル部分とリジッド部分には、柔軟性と曲げに関して異なる要件があります。フレキシブルセクションとリジッドセクションの特定の領域を定義して指定する必要があります。フレックスエリアは、トレースやコンポーネントにストレスを与えることなく、必要な曲げ半径に対応できる十分な柔軟性を備えている必要があります。リブやポリマーコーティングなどの強化技術を使用して、柔軟な領域の機械的強度と信頼性を高めることができます。
これらの設計要素を考慮することで、エンジニアは完全に最適化されたリジッドフレックス PCB スタックアップを開発できます。PCB メーカーと協力して、その能力、材料の選択肢、製造上の制限を理解することが重要です。さらに、設計プロセスの早い段階で製造チームを関与させることで、製造可能性の問題を解決し、設計から製造へのスムーズな移行を確実にすることができます。層の分布、配線とトレースの配置、グランドと電源プレーン、シグナルインテグリティ、フレキシブルフレックスエリアに注意を払うことで、設計者は信頼性が高く完全に機能するリジッドフレックス PCB を作成できます。
7.リジッドフレキシブル基板の層設計技術
リジッドフレックス基板を設計する場合、層設計技術は正しい機能と信頼性を確保する上で重要な役割を果たします。以下に 4 つの主要なレイヤー設計テクニックを示します。
連続ラミネート：
逐次積層は、リジッドフレックス基板の製造で一般的に使用される技術です。この方法では、別々の硬質層と軟質層が別々に製造され、その後一緒に積層されます。通常、硬質層は FR4 または同様の材料を使用して作成され、柔軟な層はポリイミドまたは同様の柔軟な基板を使用して作成されます。順次積層により、層の選択と厚さの柔軟性が向上し、PCB の電気的および機械的特性をより詳細に制御できるようになります。デュアルアクセスラミネート:
デュアルアクセスラミネートでは、PCB の両面へのアクセスを可能にするために、リジッド層とフレキシブル層にビアが開けられます。このテクノロジーにより、コンポーネントの配置とトレース配線の柔軟性が向上します。また、ブラインドビアと埋め込みビアの使用もサポートしているため、層数を削減し、信号の完全性を向上させることができます。デュアルチャネル ラミネートは、複数の層と狭いスペース制約を持つ複雑なリジッドフレックス PCB を設計する場合に特に役立ちます。
Z軸導電性接着剤:
Z 軸導電性接着剤は、リジッドフレックス基板のリジッド層とフレキシブル層の間の電気接続を確立するために使用されます。これは、フレキシブル層上の導電性パッドとリジッド層上の対応するパッドの間に適用されます。接着剤には導電性粒子が含まれており、積層中に層間で圧縮されると導電パスを形成します。Z 軸導電性接着剤は、PCB の柔軟性と機械的完全性を維持しながら、信頼性の高い電気接続を提供します。
ハイブリッドスタッキング構成:
ハイブリッド スタッキング構成では、リジッド レイヤーとフレキシブル レイヤーの組み合わせを使用して、カスタマイズされたレイヤー スタックを作成します。これにより、設計者は、設計の特定の要件に基づいて PCB レイアウトを最適化できます。たとえば、リジッド層を使用してコンポーネントを取り付けて機械的剛性を提供する一方、フレキシブル層を使用して柔軟性が必要な領域に信号を配線することができます。ハイブリッド スタッキング構成により、設計者は複雑なリジッドフレックス PCB 設計に対して高度な柔軟性とカスタマイズを実現できます。
これらの層設計手法を活用することで、設計者は堅牢で機能的なリジッドフレックス PCB を作成できます。ただし、PCB メーカーと緊密に連携して、選択したテクノロジがその製造能力と互換性があることを確認することが重要です。潜在的な問題を解決し、設計から製造へのスムーズな移行を確保するには、設計チームと製造チーム間のコミュニケーションが重要です。適切な層設計技術を使用すると、設計者はリジッドフレックス PCB に必要な電気的性能、機械的柔軟性、および信頼性を達成できます。
8.リジッドフレキシブルPCB積層技術の進歩
リジッドフレックス基板積層技術の進歩により、さまざまな分野で大きな進歩が見られます。注目すべき進歩が見られる 4 つの分野を次に示します。
材料の革新:
材料科学の進歩により、リジッドフレックス ボード専用に設計された新しい基板材料の開発が容易になりました。これらの材料は、柔軟性、耐久性、温度や湿気に対する耐性が優れています。柔軟な層の場合、ポリイミドや液晶ポリマー (LCP) などの材料は、電気特性を維持しながら優れた柔軟性を提供します。剛性層の場合、FR4 や高温ラミネートなどの材料が必要な剛性と信頼性を提供します。3D プリント回路:
3D プリンティング技術は、PCB 製造を含む多くの業界に革命をもたらしました。導電性トレースをフレキシブル基板上に直接 3D プリントできるため、より複雑で複雑な PCB 設計が可能になります。このテクノロジーにより、迅速なプロトタイピングとカスタマイズが容易になり、設計者が独自のフォーム ファクターを作成し、コンポーネントを柔軟なレイヤーに直接統合できるようになります。リジッドフレックス PCB で 3D プリント回路を使用すると、設計の柔軟性が向上し、開発サイクルが短縮されます。
柔軟な組み込みコンポーネント:
ラミネート技術におけるもう 1 つの大きな進歩は、リジッドフレックス PCB のフレキシブル層へのコンポーネントの直接統合です。抵抗器、コンデンサー、さらにはマイクロコントローラーなどのコンポーネントをフレキシブル基板に埋め込むことで、設計者は PCB 全体のサイズをさらに縮小し、信号の完全性を向上させることができます。この技術により、よりコンパクトで軽量な設計が可能になり、スペースの制約が厳しい用途に最適です。
高速信号配線：
高速通信の需要が高まるにつれ、ラミネート技術の進歩により、リジッド/フレキシブル PCB での効率的な高速信号配線が可能になりました。制御されたインピーダンス配線、差動ペア配線、マイクロストリップまたはストリップライン設計などの高度な技術を使用して、信号の完全性を維持し、信号損失を最小限に抑えます。設計上の考慮事項では、カップリング、クロストーク、信号反射の影響も考慮されます。特殊な材料と製造プロセスの使用により、リジッドフレックス PCB の高速パフォーマンスを実現できます。
リジッドフレックスラミネート技術の継続的な進歩により、よりコンパクトでフレキシブルなフル機能の電子デバイスの開発が可能になりました。材料の革新、3D プリント回路、フレキシブルな組み込みコンポーネント、および高速信号ルーティングの進歩により、設計者は柔軟性が高まり、革新的で信頼性の高いリジッドフレックス PCB 設計を作成する機会が得られます。テクノロジーが進化し続ける中、設計者とメーカーは最新の情報を常に入手し、緊密に連携して最新の進歩を活用し、最適なリジッド フレキシブル PCB のパフォーマンスを達成する必要があります。
要約すれば、最適なパフォーマンス、信頼性、柔軟性を実現するには、正しいリジッドフレックス PCB スタックアップ構成を設計および選択することが重要です。信号の完全性、柔軟性の要件、製造上の制約などの要素を考慮することで、設計者は特定のアプリケーションのニーズを満たすようにスタックアップを調整できます。材料技術の継続的な進歩により、電子設計の強化に向けた幅広い展望がもたらされます。リジッドフレックス PCB 向けに調整された新しい基板材料により、柔軟性、耐久性、温度および耐湿性が向上します。さらに、コンポーネントをフレックス層に直接統合することで、PCB のサイズと重量がさらに削減され、スペースの制約が厳しいアプリケーションに適しています。さらに、ラミネート技術の進歩により、刺激的な機会がもたらされます。3D プリント技術を使用すると、より複雑な設計が可能になり、迅速なプロトタイピングとカスタマイズが容易になります。
さらに、高速信号ルーティング技術の進歩により、リジッド/フレキシブル PCB が効率的で信頼性の高い通信を実現できるようになります。
テクノロジーが進化し続ける中、デザイナーは最新の進歩を常に把握し、メーカーと緊密に連携する必要があります。材料と製造技術の進歩を活用することで、設計者は革新的で信頼性の高いリジッドフレックス PCB 設計を作成し、変化し続けるエレクトロニクス業界のニーズを満たすことができます。エレクトロニクス設計の強化が期待できるため、リジッドフレックス PCB スタックアップの将来は有望に見えます。
投稿日時: 2023 年 9 月 12 日
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