リジッドのオプションの拡大

ケン・ガーディア | 2023 年 3 月 10 日

フレックスおよびリジッドフレックス プリント基板 (PCB) を使用した 3 次元回路設計のおかげで、実装密度が高く、型にはまらないフォーム ファクターでエレクトロニクスを構築することが可能です。 医療機器、自動車、航空宇宙システムにおける高度なアプリケーションは、フレキシブル プリント回路 (FPC) が提供する柔軟性と安定性に大きく依存しています。 これらの利点により、ウェアラブル業界や小型エレクトロニクス分野でも人気が高まっています。 基板材料と製造技術の急速な進歩により、フレックスおよびリジッドフレックス PCB 設計における無数の構成が可能になりました。

製品に必要な曲げ性に基づいて、設計にフレックス PCB またはリジッドフレックス PCB を選択できます。 複数の機能に対応するには複雑さが伴うため、PCB スタックアップではより高い信号層が必要になります。 フレックス リボンはボード間で信号を転送し、リジッド セクションと同様のスタックを備えています。 最新のデザインおよびレイアウト ツールを使用すると、製品に必要なスタックアップを簡単に構築できます。 それは、均一な層の対称構造から始まり、高度なエアギャップフレックス層構造まで続きます。 現在の電子設計で使用されている構成のいくつかについて説明します。

シンプルなリジッドフレックス PCB は、2 つのリジッド層と 1 つのフレックス層から始まります。 この構成では限られた機能しか提供できないため、今日のガジェットではほとんど使用されません。 より一般的な構造には、2 つのフレックス層を備えた 4 つの剛性層が含まれます。 表 1 は、インピーダンス制御されたトレースをサポートできる偶数層の対称スタックアップを示しています。

FR4 は、PCB に一般的に使用される硬質絶縁材料です。 IPC 2221 には、製品分類に基づいて推奨される材料のリストが記載されています。 リボンは柔軟性のあるポリイミド製です。 接続する基板に比べて薄いです。 ただし、それらの積層はリジッド PCB の内部層と同様になります。 フレックスエリアのカバーレイは、リジッドセクションのソルダーマスクと同じ機能を果たします。 液体フォトイメージャブル (LPI) はんだマスクは、リジッドフレックス PCB 製造で広く使用されています。

4 つの剛体層と 2 つのフレックス層

硬い

フレックス

硬い

戦士の表情

戦士の表情

銅層 1

銅層 1

FR4基板

FR4基板

プリプレグ

カバーレイ

プリプレグ

カバーレイ接着剤

銅層 2

銅層 1

銅層 2

ポリイミドコア - 接着剤不要

ポリイミドコア - 接着剤不要

ポリイミドコア - 接着剤不要

銅層 3

銅層 2

銅層 3

プリプレグ

カバーレイ接着剤

プリプレグ

カバーレイ

FR4基板

FR4基板

銅層 4

銅層 4

戦士の表情

戦士の表情

表1

上記の表 1 では、リジッド セクションに 4 つの信号層があり、フレキシブル セクションに 2 つの信号層があります。 一般に使用されるリジッドフレックス PCB 設計では、最大 20 のリジッド層と約 6 つのフレックス層を使用できます。

対称的なデザインを構築するために、フレックス層がスタックアップの中心に正確に配置されていることがわかります。 これは、PCB の機械的安定性を達成するために好ましいです。 一部のアプリケーションでは非対称構造が必要ですが、バランスの取れたスタックアップにより、基板のねじれや反りの問題の可能性を最小限に抑えることができます。

ゼロ挿入力 (ZIF) コネクタは、FPC ケーブルなどの繊細なリボン ケーブルをラッチするためによく使用されます。 ZIF コネクタ用の別個のフレキシブル回路を避けるために、ZIF テール構造を使用して設計を直接拡張できます。 これにより、リジッド PCB 領域のスペースが大幅に節約され、信号の接続性が向上します。

4 つの剛体層と 2 つのフレックス層を備えた偶数層の対称スタックアップの同じ例を考慮すると、以下の表 2 に示すように、スタックアップの右側のセクションを変更して ZIF テール構造を統合できます。

2 つのフレックス レイヤーと ZIF コンタクトを備えた 4 つのリジッド レイヤー

硬い

フレックス

ZIFテール構造

戦士の表情

銅層 1

ポリイミド補強材

FR4基板

接着剤

プリプレグ

カバーレイ

カバーレイ

カバーレイ接着剤

カバーレイ接着剤

銅層 2

銅層 1

銅層 1

ポリイミドコア - 接着剤不要

ポリイミドコア - 接着剤なし

ポリイミドコア - 接着剤不要

銅層 3

銅層 2

銅層 2

プリプレグ

カバーレイ接着剤

カバーレイ

FR4基板

銅層 4

戦士の表情

表2

ZIF コネクタの仕様では、コンタクト フィンガの正確な配置のための厳密な寸法公差が定義されています。 この構成では、最大 4 つのフレックス層を収容できます。 ただし、設計では 1 つまたは 2 つのフレックス レイヤーが一般的に使用されます。 ZIF の厚さ要件を満たすために、厚さ約 0.05 mm ～ 0.20 mm のポリイミド補強材が含まれています。

リジッドフレックス PCB は、携帯電話、MRI 装置、レーダー システムなどの製品を外部 EMI 放射から保護するために、さまざまなシールド方法で設計できます。 遮蔽フィルム層を備えたそのような構成の１つを以下の表３に示す。 ここでも、4 つの剛性層と 2 つのフレックス層を備えた構成を考慮します。 シールドフィルム層は、熱と圧力の下でカバーレイの外面にラミネートされます。 この方法は、銅層または銀インクのシールド技術と比較して安価であり、より一般的です。

シールドされたフレックス層を備えた 4 つの剛性層

硬い

フレックス

硬い

戦士の表情

戦士の表情

銅層 1

銅層 1

FR4基板

シールド層

FR4基板

プリプレグ

カバーレイ

プリプレグ

カバーレイ接着剤

銅層 2

銅層 1

銅層 2

ポリイミドコア - 接着剤不要

ポリイミドコア - 接着剤不要

ポリイミドコア - 接着剤不要

銅層 3

銅層 2

銅層 3

プリプレグ

カバーレイ接着剤

プリプレグ

カバーレイ

FR4基板

シールド層

FR4基板

銅層 4

銅層 4

戦士の表情

戦士の表情

表3

信号層の数の増加は、リジッドフレックス PCB の曲げ能力に影響を与えます。 ただし、柔軟性とコスト削減の利点を維持するために、IPC では 2 つ以上のフレックス レイヤーを 1 つのセットとして構成することを推奨しています。 このような構成はエアギャップ構造として知られており、PCB の硬い領域のフレックス接着剤が不要になります。 この構成ではフレックス セットが個別に曲がり、ビアホールの不一致の問題が最小限に抑えられます。

表 4 は、エアギャップ構造を備えたリジッドフレックス構成を示しています。 6 つのリジッド レイヤーと 4 つのフレックス レイヤーのスタックアップが含まれています。 フレックス レイヤーの各ペアは、両側のカバーレイでグループ化されます。 IPC 2223 ガイドラインに従って、2 対のフレックス層の間にエアギャップが構築されます。 IPC の相互接続ストレス テストでは、サンプル ボードを急速な温度サイクルにさらすことで、エア ギャップ構造を備えたリジッド フレックス PCB のより高い信頼性を確立することに成功しました。

このプロセスではフレックス ペアの両側に追加のカバーレイが追加されますが、歩留まりが高く、パフォーマンスの信頼性が高いという利点があるため、実装する価値があります。

エアギャップ構造を備えた 6 つの剛性層と 4 つのフレックス層

硬い

フレックス

硬い

戦士の表情

戦士の表情

銅層 1

銅層 1

FR4基板

FR4基板

プリプレグ

カバーレイ

プリプレグ

カバーレイ接着剤

銅層 2

銅層 1

銅層 2

ポリイミドコア - 接着剤不要

ポリイミドコア - 接着剤不要

ポリイミドコア - 接着剤不要

銅層 3

銅層 2

銅層 3

プリプレグ

カバーレイ接着剤

プリプレグ

カバーレイ

エアギャップ

カバーレイ

カバーレイ接着剤

銅層 4

銅層 3

銅層 4

ポリイミドコア - 接着剤不要

ポリイミドコア - 接着剤不要

ポリイミドコア - 接着剤不要

銅層 5

銅層 4

銅層 5

プリプレグ

カバーレイ接着剤

プリプレグ

カバーレイ

FR4基板

FR4基板

銅層 6

銅層 6

戦士の表情

戦士の表情

表4

これまで説明したすべての構成は、主に偶数層で対称的な構造です。 ただし、奇数層のスタックを構築することも可能です。 フレックスエリアの両面シールドに GND-SIGNAL-GND 構成を必要とするアプリケーションでは、奇数層戦略を採用することが望ましいです。 これにより、設計コストが削減され、曲げ能力が向上します。

フレックス レイヤーをスタックアップの中心に配置する代わりに、上下に移動して非対称デザインにすることができます。 このような構成は、設計にさまざまな誘電体の厚さの要件がある場合に使用できます。 ただし、アンバランスな構成は基板の機械的強度に影響を与えるため、組み立てプロセス中に基板を適切にサポートする必要があります。

異なる硬質領域の厚さまたはさまざまなフレックス層を備えた設計も実行可能です。 多くの PCB メーカーは、ブレークアウェイ パネル、エッジ メッキ、製本形式などの多様なリジッドフレックス PCB 構成を提供しています。

リジッドフレックス PCB では、いくつかの代替設計構成が可能です。 回路密度の向上と優れたパッケージングにより、複数の機能を実装できます。 経験豊富なリジッドフレックス PCB メーカーは、お客様の設計要件に合わせて、実現可能でコスト効率の高い構成を提案できます。

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