柔軟硬いPCB と 伝統的な硬いPCB: 現代の電子機器に適したソリューションを選択する

顧客承認の画像

エレクトロニクス設計が目まぐるしく変化する中で、適切なプリント基板（PCB）技術を選択することは、製品の成功を左右する可能性があります。今日のデバイス、折りたたみ式スマートフォンから医療用ウェアラブルまで、単なる基本的な機能以上のものを求めています。それらは、コンパクトさ、耐久性、適応性を必要とします。これにより、フレキシブルリジッドPCBと従来の剛性PCBが直接対決することになり、それぞれに独自の強みがあります。その違い、用途、トレードオフを理解することが、情報に基づいた選択を行うための鍵となります。

主なポイント
  a.フレキシブルリジッドPCBは、剛性部分とフレキシブル部分を組み合わせることで、従来の剛性PCBと比較して30〜50％の省スペース化と20〜30％の軽量化を実現します。
  b.従来の剛性PCBは、テレビや電動工具などの静的で低複雑度のデバイスにとって、依然として費用対効果が高く（30〜50％安価）な選択肢です。
  c.フレキシブルリジッドPCBは、コネクタが少なく、優れた耐振動性により、動的でスペースに制約のある用途（例：折りたたみ式携帯電話、医療用インプラント）で優れています。
  d.選択は、デバイスの動き、スペースの制限、コスト、信頼性のニーズなどの要因に左右されます。フレキシブルリジッドは、高性能シナリオで長期的な価値を提供します。

フレキシブルリジッドPCBとは？
フレキシブルリジッドPCBは、剛性部分とフレキシブル部分を1つの基板に統合したハイブリッド設計です。特徴は次のとおりです。

  剛性部分：コンポーネント（チップ、コネクタ）を収容し、構造的な安定性を提供する硬いFR-4または金属コア基板。
  フレキシブル部分：剛性部分を接続する薄く曲げられるポリイミドまたはポリエステル層で、基板を折り曲げたり、ねじったり、3D形状に適合させたりできます。
  層数：最大20層で、高密度コンポーネントと高速信号（最大10Gbps）をサポートします。

この設計により、ワイヤーハーネスとコネクタが不要になり、従来の組み立てと比較して故障ポイントが60％削減されます。

従来の剛性PCBとは？
従来の剛性PCBは、次のもので作られた、固く柔軟性のない基板です。

  FR-4基板：剛性と絶縁性を提供するガラス繊維強化エポキシラミネート。
  銅層：電気的接続用の1〜12層の銅トレース。
  はんだマスク：短絡を防ぐための保護コーティング。

これらは、動きが最小限の静的デバイスに最適で、デスクトップコンピュータ、LED照明、家電製品などの用途で、シンプルさ、低コスト、実績のある信頼性を提供します。

主な違い：フレキシブルリジッド対従来の剛性PCB

パフォーマンス：フレキシブルリジッドが従来のものを凌駕する場合
フレキシブルリジッドPCBは、要求の厳しい環境で明確なパフォーマンス上の利点を提供します。

  a.信号の完全性：短く直接的なトレースにより、従来のPCBと比較して信号損失が30〜40％削減されます。従来のPCBは、高速信号（例：5GまたはUSB 4.0）を劣化させるコネクタに依存しています。
  b.信頼性：コネクタが70％少ないため、フレキシブルリジッド設計は、自動車センサーやドローンなどの振動が発生しやすい用途で故障率を50％削減します。
  c.スペース効率：形状に折り曲げたり適合させたりすることで、30〜50％小さいエンクロージャに収まります。たとえば、フレキシブルリジッドPCBを使用する医療用内視鏡は、従来のPCBと配線を使用するものよりも40％薄くなっています。

コスト：従来の剛性PCBがシンプルなプロジェクトで勝利
従来の剛性PCBは、予算に優しい選択肢です。

  a.初期費用：100x100mmの4層剛性PCBのコストは$0.50〜$2.00ですが、同等のフレキシブルリジッド設計のコストは$5.00〜$8.00です。
  b.製造速度：剛性PCBはプロトタイピングに2〜3日かかりますが、フレキシブルリジッドは5〜7日かかります（複雑なラミネーションのため）。
  c.スケーラビリティ：大量生産（100,000ユニット以上）により、標準化された製造のおかげで、剛性PCBのコストが30〜40％削減されます。

用途：PCBタイプをデバイスのニーズに合わせる
フレキシブルリジッドPCBは、以下に優れています。
  a.折りたたみ式エレクトロニクス：携帯電話（例：Samsung Galaxy Z Fold）とタブレットは、フレキシブルリジッド部分を使用して、壊れることなく曲がり、100,000回以上の折り曲げをサポートします。
  b.医療機器：埋め込み型モニターと内視鏡は、生体適合性と体の形状に適合する能力に依存しています。
  c.航空宇宙および防衛：衛星とドローンは、極端な温度と振動に耐えるために使用し、軌道上での信頼率は99.9％です。
  d.自動車システム：ADASカメラと車内ディスプレイは、コンパクトなサイズとエンジンベイの熱に対する耐性の恩恵を受けています。

従来の剛性PCBは、以下に適しています。
  a.家電製品：テレビ、ルーター、ゲーム機は、低コストと静的な取り付けのために剛性PCBを使用しています。
  b.産業機器：モーターと電源は、動きが最小限であるため、剛性と放熱を優先します。
  c.LED照明：静的固定具（例：天井照明）は、低コストと製造の容易さのために剛性PCBを使用しています。

設計と製造に関する考慮事項
フレキシブルリジッド設計の課題：
  a.曲げ半径：フレキシブル部分は、トレースのひび割れを避けるために、最小曲げ半径（厚さの1〜5倍）が必要です。0.1mmのフレキシブル層には、0.5mmの半径が必要です。
  b.材料の互換性：ポリイミド（フレキシブル）とFR-4（剛性）は異なる熱膨張率を持っているため、剥離を防ぐために注意深いラミネーションが必要です。
  c.コストのトレードオフ：フレキシブルリジッドPCBは、初期費用は高くなりますが、配線とコネクタを排除することで、組み立てコストを20〜30％削減します。

従来の剛性PCB設計の利点：
  a.シンプルさ：標準化されたツール（例：Altium、KiCad）により設計が簡素化され、エンジニアの80％が剛性PCBレイアウトに精通しています。
  b.熱管理：厚い銅層（2〜4oz）とヒートシンクが簡単に統合され、電圧レギュレータなどの高電力コンポーネントに最適です。

実際のケーススタディ
  a.自動車ADAS：Tier 1サプライヤーは、レーダーモジュールで従来のPCBからフレキシブルリジッドPCBに切り替えました。結果：サイズが40％小さくなり、故障が30％減少し、配線削減によりユニットあたり$0.75のコスト削減。
  b.ウェアラブルフィットネストラッカー：主要ブランドがフレキシブルリジッドPCBを採用し、デバイスの重量を25％削減し、バッテリー寿命を15％延長しました（電力損失の削減による）。
  c.産業用センサー：従来のPCBを使用する工場のロボットは、年間12％のコネクタ故障を経験しました。フレキシブルリジッドに切り替えた後、故障は2％に減少しました。

選択方法：意思決定フレームワーク
  1.デバイスの動き：デバイスが曲がったり、振動したり、動いたりする場合（例：ドローン、ウェアラブル）、フレキシブルリジッドを選択します。
  2.スペースの制約：50mm以下のエンクロージャの場合（例：医療用ツール）、フレキシブルリジッドのコンパクトさが重要です。
  3.予算：大量の静的デバイス（例：テレビ）の場合、従来の剛性PCBは30〜50％節約できます。
  4.信頼性のニーズ：安全性が重要なシステム（例：航空宇宙）では、フレキシブルリジッドの低い故障率がコストを正当化します。

よくある質問
Q：フレキシブルリジッドPCBは、すべての従来の剛性PCBを置き換えることができますか？
A：いいえ。静的で低コストのデバイス（例：トースター）の場合、従来のPCBは引き続き実用的です。フレキシブルリジッドは、動的またはコンパクトな設計に最適です。

Q：フレキシブルリジッドPCBは修理が難しいですか？
A：はい。統合された設計により、コンポーネントの交換が難しくなりますが、故障率が低いため、修理の必要性が少なくなります。

Q：フレキシブルリジッドPCBの最大層数は？
A：航空宇宙用途では20層ですが、ほとんどの商用デバイスは、コストと柔軟性のために4〜8層を使用しています。

Q：フレキシブルリジッドPCBには特別な製造が必要ですか？
A：はい。特別なラミネーションとテスト（例：隠れた欠陥のX線）が必要であり、製造コストが上昇します。

結論
フレキシブルリジッドPCBと従来の剛性PCBは、最新のエレクトロニクスで異なる役割を果たしています。フレキシブルリジッドは、動的、コンパクト、高信頼性のデバイスに優れており、優れたパフォーマンスでその高いコストを正当化します。従来の剛性PCBは、静的で低コストのプロジェクトにとって依然として無敵です。PCBタイプをデバイスのニーズ（動き、スペース、予算、信頼性）に合わせることで、エンジニアは今日の競争の激しい市場で成功する製品を構築できます。

適応性を必要とする最先端の設計には、フレキシブルリジッドPCBが未来です。シンプルでスケーラブルなエレクトロニクスには、従来の剛性PCBが依然として最高の価値を提供します。