頑丈 な 柔軟 な PCB の 構造 を 理解 する: 層,部品,そして その 方 々 が 汎用 的 な 電子 機器 を 実現 する 方法

コンパクトPCBのデザインに革命をもたらしました頑丈なPCBの構造的安定性とフレックス回路の柔軟性を組み合わせることで伝統的な硬いPCB (固定形) や柔軟性のみのPCB (限られた層数) と異なり,硬くて柔軟なデザインは両方のフォーマットを単一のシームレスな構造に統合します.しかし,その多用性は,柔軟性,強度,電気性能をバランスさせる上で重要な役割を担っています.

このガイドでは,各層の用途,材料の選択,およびそれらの協働方法を分解して,硬柔性PCBの構造を解明します.頑丈で柔軟な構造と,頑丈で柔軟な構造を比較する, 設計上の重要な考慮事項を調査し,構造上の選択が現実世界のアプリケーションにどのように影響するか説明します.柔軟性のあるPCB構造を理解することで,より小さい製品を作ることができます.より軽く より信頼性が高く

主要 な 教訓
1ハイブリッド構造:硬・柔らかいPCBは,固い部分 (部品のマウント用) と柔らかい部分 (折りたたみ用) を1つの統合板に結合し,別々のPCB間のコネクタの必要性をなくします..
2層構造: 基本的な構成要素には,柔軟な基板 (ポリマイド),硬い基板 (FR-4),銅の痕跡,粘着剤,保護仕上げが含まれます. それぞれが耐久性と性能のために選択されています..
3柔軟性の要因:フレックスセグメントの構造 (薄い基板,柔らかい銅) は,ダイナミックなアプリケーションにとって重要な痕跡のない10,000以上の曲縮サイクルを可能にします.
4強度要因:硬いセグメントは,重いコンポーネント (BGA,コネクタなど) を支え,機械的ストレスを抵抗するために,より厚い基板と強化層を使用します.
5費用・利益: 製造が複雑である一方で,硬・柔軟構造は組み立てコストを30~50%削減し (コネクタが少なく,配線が少なく),故障点を排除することで信頼性を向上させる.

頑丈 な 柔軟 な PCB の 基本 構造
硬・柔性PCBの構造は,2つの異なるが統合されたセグメントで定義される.硬・柔性セグメント (安定性) と柔性セグメント (柔軟性).これらのセグメントは共通の層を共有する (例えば,銅の痕跡) が,独自の役割を果たすために基板材料と厚さによって異なります..
下記は,内層から外側の保護層まで,コアコンポーネントの分解です.

1硬さと柔軟性の基礎
基板は,銅の痕跡を支える非導電性基層である.硬と柔軟なセグメントは,強度と柔軟性をバランスするために異なる基板を使用する.

柔軟なセグメントの基板
柔らかい部分には 繰り返し折りたたみられる 薄くて耐久性のあるポリマーが使われています
原材料:ポリアミド (PI): 柔軟な基板の業界標準,ポリアミドは以下を提示しています.
温度耐性: -269°C~300°C (リフロー溶接や厳しい環境では耐える).
柔軟性: 厚さの5倍の半径まで曲がることができる (例えば,50μm PI層は250μm半径まで曲がります).
化学耐性: 油,溶媒,湿度に対して無活性で,自動車や産業用には最適です.
厚さ:通常25μ125μm (1μ5mil);より薄い基質 (25μ50μm) はより緊密な曲がりを可能にしますが,より厚い (100μ125μm) はより長い柔軟なセグメントにより安定性を提供します.
代替品:超高温 (200°C+) のアプリケーションでは,ポリマイドよりも高価である液晶ポリマー (LCP) が使用されます.

固いセグメントの基板
頑丈なセグメントは,部品を支え,ストレスを抵抗するために頑丈で強化された材料を使用します.
FR-4: グラス強化エポキシラミネート
機械的強度:重部品 (例えば10gBGA) をサポートし,組み立て中に曲げに抵抗する.
費用対効果:最も手頃な価格で,消費者や産業用用途に適した硬い基板です.
電気隔熱: 容積抵抗 > 1014 Ω·cm,線路間のショート回路を防止する.
厚さ:0.8×3.2mm (31×125mil);より厚い基板 (1.6×3.2mm) はより大きなコンポーネントをサポートし,より薄い (0.8mm) はコンパクトなデザイン (例えばウェアラブル) に使用されます.
オルタナティブ:高周波アプリケーション (5G,レーダー) では,ロジャーズ 4350 (低損失ラミネート) は,信号衰弱を最小限にするためにFR-4を代替する.

2銅の痕跡:セグメントの伝導経路
銅の痕跡は,硬面と柔らかい部分の両方を網羅する部品間で電気信号と電力を伝達する.彼らの構造は柔らかい部分に柔軟性に対応するためにわずかに異なる.

フレックスセグメントの銅
柔らかいセグメントは,折りたたみ時に裂けることを抵抗する柔らかい銅を必要とします.
型:ローリング・アニール (RA) 銅:アニール (熱処理) は,RA銅を柔らかくし,10,000回以上の屈曲サイクル (180°の屈曲) を故障なく可能にします.
厚さ: 12μ35μm (0.5μ1.4oz);より薄い銅 (12μ18μm) はより簡単に曲がり,より厚い (35μm) はより高い電流を運ぶ (0.2mmの痕跡に対して最大3A).
パターン設計: 柔軟なセグメントの痕跡は,ストレスを分配するために曲線または45°の角度 (90°ではなく) を使用します.90°の角度はストレスのポイントとして作用し,繰り返し曲がった後に割れていきます.

硬段銅
固体セグメントは,現在の生産能力と製造の容易さを優先します.
タイプ:電極積立銅 (ED):ED銅はRA銅よりも柔らかいが,密度の高い回路にモデルを付けるのは安く簡単である.
厚さ: 18 ‰ 70μm (0.7 ‰ 2.8oz);より厚い銅 (35 ‰ 70μm) が電源痕跡に使用される (例えば,自動車用 ECU では 5A+).
パターン設計: 90°の角度が許容される.硬いセグメントは曲げないため,QFPsやBGAなどのコンポーネントのより密度の高いトラスルーティングが可能である.

3粘着剤: 固いセグメントと柔軟セグメントを結合する
粘着剤は,硬と柔軟なセグメントを1つのボードに統合するために不可欠です.柔軟なセグメントに柔軟性を維持しながら,異なる材料 (ポリマイムとFR-4) を結合する必要があります.

粘着剤に関する主要な要求事項
柔軟性: 柔らかいセグメントの接着剤は裂けずに長くならなければならない (≥100%の長さ).そうでなければ,折りたたみ時に剥がれる.
耐熱性:リフロー溶接 (240~260°C) と動作温度 (ほとんどのアプリケーションでは-40°C~125°C) に耐える.
粘着強度: 結合強度 ≥1.5 N/mm (IPC-TM-650ごとに) 層間の断層を防ぐため.

一般的な接着剤

申請に関する注釈
粘着剤は薄膜 (25μm~50μm) として適用され,柔軟なセグメントに散布を加えることを避ける.
粘着剤のない硬柔性設計 (高周波アプリケーションに使用) では,銅は粘着剤なしでポリアミドに直接結合し,信号損失を軽減するがコストを増加させる.

4溶接マスク:痕跡を保護し,溶接を可能にします
溶接マスクは,硬面と柔らかい部分の両方に適用される保護ポリマーコーティングで,
隣接する線路の間のショート回路を防ぐ.
酸化や腐食から銅を保護する.
組み立て中に溶接物が粘着する領域 (パッド) を定義する.

柔軟なセグメントの溶接マスク
柔軟なセグメントには,割れ目なく曲がる溶接マスクが必要です.
材料:ポリマイドベースの溶接マスク: ≥100%延長し,曲がる際に粘着を維持する.
厚さ: 25μ38μm (1μ1.5mil);より薄いマスク (25μm) はより簡単に曲がりますが,保護が少なくなります.
カラー: 透明または緑色の透明マスクは,美学が重要なウェアラブルに使用されます.

固いセグメントの溶接マスク
硬いセグメントは,コストと耐久性のために標準的な溶接マスクを使用します.
材料:エポキシ製溶接マスク 頑丈で耐久性があり 化学的耐性が優れています
厚さ: 38μ50μm (1.5μ2ml);より厚いマスクは,産業用アプリケーションにより良い保護を提供します.
色:AOI (自動光学検査) 互換性のために緑 (最も一般的な),青,または黒緑が好ましい.

5表面仕上げ: 溶接性と耐腐蝕性を確保する
表面仕上げは,溶接性を向上させ酸化を防止するために,露出した銅パッド (両段) に適用されます.
硬柔PCBの一般的な仕上げ物

セグメント特有の選択
フレックスセグメントはしばしばENIGを使用する.ゴールドの柔らかいさは屈曲に耐える,ニッケルは溶接接器への銅の拡散を防止する.
硬段はコスト削減のためにHASLを使用することができるが,細音段ではENIGが好ましい.

6強化層 (オプション): 重要な領域に強度を加える
強化層はオプションですが,高ストレスの領域に強度を加えるため,硬性柔軟性PCBでは一般的です.
位置:柔性硬度移行領域 (屈曲ストレスの最大度) または硬度段の重部品 (例えばコネクタ) の下で使用される.
材料:
ケブラー (Kevlar) やガラス布 (Glass Cloth): 細くて柔らかい布で,折りたたむ部分に粘着し,破裂を防ぐ.
薄 FR-4 ストライプ:交尾/解交中に機械的ストレスを抵抗するために,接続器の下の硬いセグメントに追加される.
厚さ: 25~100μm 柔軟性を低下させずに強度を増やすのに十分な厚さ.

頑丈・柔軟性 vs 頑丈・柔軟性のみのPCB:構造比較
固い柔軟性PCBが特定の用途で優れている理由を理解するには,その構造を伝統的な代替品と比較してください.

リギッド・フレックス の 主要 な 構造 的 利点
1.コネクタなし:硬と柔軟なセグメントを統合することで,各ボードに2~10のコネクタを排除し,組み立て時間と故障点を短縮します (コネクタはPCB故障の主な原因です).
2空間効率:硬・柔らかいPCBは,多板硬系よりも30~50%少ない容量に収まる.これはウェアラブルや自動車センサーモジュールにとって極めて重要です.
3軽量化: 硬い多板システムより 20~40%軽く,部品と配線が少ない.

頑丈で柔軟な構造が性能と信頼性に影響を与える方法
材料の厚さから銅の種類まで 構造上の選択は,硬柔性PCBの実用的なアプリケーションでの性能に直接影響します.以下は,主要パフォーマンス指標とその構造的要因です.:
1柔軟性と耐久性
ドライバ:フレックスセグメント基板厚さおよび銅型. 18μm RA 銅の50μmポリアミド基板は250μm半径に曲がり,15,000回以上生存する.
障害リスク:FlexセグメントにED銅を使用すると,1000~2,000サイクル後に痕跡が割れる.RA銅はダイナミックアプリケーションでは取り扱えない.

応用例:折りたたむスマートフォンのヒンジは,折りたたむデバイスの典型的な寿命 (折りたたむデバイスの平均寿命) で200,000+回折を可能にする18μmRA銅で 50μmポリアミドフレックスセグメントを使用しています.

2信号の整合性
ドライバ:基板材料と接着剤の選択.ポリアミドは低介電性損失 (10GHzでDf <0.002) を有し,高周波信号に理想的です.
リスク軽減: 粘着剤のない設計 (銅とポリアミドの間には粘着剤がない) は,粘着剤ベースの設計と比較して信号損失を30%削減します.これは5Gとレーダーにとって極めて重要です.

応用例: 5Gベースステーションの硬式柔軟PCBは,28GHz mmWave信号の信号整合性を維持するために,アデシブレスポリアミドフレックスセグメントを使用します.

3熱管理
ドライバ:銅の厚さと硬段設計.硬段の厚銅 (35 〜 70μm) は,電源部品 (例えば電圧調節器) から熱を散布する.
強化:硬い部分の熱ビアス (直径0.3mm) は,部品から内部の銅平面に熱を転送し,交差点温度を15~25°C削減します.

応用例:自動車用EVインバーターの硬式柔軟PCBは,IGBTから100Wの熱を処理するために,硬いセグメントと熱経路に70μmの銅を使用します.

4機械的強度
ドライバ:硬段の厚さと強化層.1.6mm FR-4硬段は,歪みなく20gのコネクタをサポートする.
トランジションゾーン設計: 柔軟性硬度移行における強化層 (ケブラー) は,ストレスを40%削減し,デラミネーションを防止する.

応用例:航空宇宙センサーの硬柔軟PCBは,50G振動に耐えるために3.2mmFR-4硬段とケヴラー強化を使用する (MIL-STD-883 による).

硬・柔軟PCB構造の設計上の重要な考慮事項
硬・柔軟PCBを設計する際には,構造の選択は,アプリケーションのニーズに合わせなければならない.以下は重要な考慮事項である:
1柔軟性・硬性移行地帯を定義する
位置: 折りたたみ時にストレスを経験する近隣のコンポーネントから2~5mm離れた位置にトランジションを置く.
半径: 柔らかい部分の最小の曲がり半径は基板の厚さの5倍である (例えば,50μm基板 → 250μm半径). 狭い半径は痕跡裂けを引き起こす.
強化:高ストレスのアプリケーション (例えば,ドア動きで曲がる自動車ドアのセンサー) の移行にケヴラーまたは薄型FR-4を追加する.

2バランス層数と柔軟性
層限度:フレックスセグメントは通常2~4層で,さらに層を加えると厚さが増し,柔軟性が低下します.
層分布: 柔軟性を維持するために,硬い部分に層を集中させ (例えば,硬い部分に8層,柔らかい部分に2層).
例:ウェアラブルフィットネストレーラーは,機能と屈曲性をバランスするために4層の硬・柔軟PCB (2層の柔軟,2層の硬) を使用します.

3. 環境のための材料を選択
温度:高温用途 (自動車用機蓋底,航空宇宙用機) ではポリミード (最大300°C) を使用し,中程度の用途ではLCP (最大200°C) を使用する.
化学品:ポリアミドは油や溶媒に耐性があり,産業や海洋で使用するのに最適です.湿った環境ではOSP仕上げを避ける (代わりにENIGを使用します).
湿度:消費電子機器 (例えば運動中に着用されるスマートウォッチ) にエポキシ基の粘着剤 (湿度耐性) を使用する.

4銅痕跡設計を最適化する
フレックスセグメント: ストレスの集中を避けるために,曲がった痕跡,45°の角度,最小の痕跡幅0.1mm (4mil) を使用する.
硬いセグメント: 密度の高いコンポーネントルーティング (例えば,0.4mmのピッチを持つBGA) において,90°の角度とより小さなトラス幅 (0.075mm/3mil) を使用する.
電流容量:電流をベースとしたサイズトラスは,0.2mmの痕跡 (18μm RA銅) がフレックスセグメントで1.5Aを運ぶ.0.3mmの痕跡 (35μm ED銅) は,硬いセグメントで3Aを運ぶ.

構造がイノベーションを可能にする方法
硬柔性PCB構造は,主要な産業におけるユニークな課題を解決するために設計されています.
1折りたたむスマートフォン
構造: 6層の硬・柔軟 (プロセッサ/BGAの硬段に4層,ヒンジの柔軟段に2層)
主要特徴: 50μmのポリミドフレックスセグメントと18μmのRA銅,ENIG仕上げ,柔軟性のためのアクリル接着剤.
メリット: ポケットサイズデバイスに7インチディスプレイを搭載しながら200,000+折りたたみを可能にします.

2自動車用:ADASセンサーモジュール
構造: 8層の硬・柔軟 (6層がセンサー/ECUの硬段,2層がワイヤリングの柔軟段)
主要特徴: 100μmのポリアミドフレックスセグメントと35μmのRA銅,エポキシ粘着剤 (高耐圧性),および移行時に強化層.
利点: 車両のフレームの周りを曲がり,位置センサー (LiDAR,レーダー) を保持し,-40°Cから125°Cの温度に耐えることができます.

3医療用 ウェアラブルグルコースモニター
構造: 4 層の硬・柔軟 (2 層はセンサーの硬段,2 層は腕帯の統合のための柔軟な部分)
主要特徴: 25μm ポリアミド・フレックス・セグメント (快適性のために超薄),透明な溶接マスク,ENIG仕上げ (生物互換性)
メリット: 7~14日間,センサーの読み取りが信頼性のある状態で,手首に適合します.

4航空宇宙: 衛星アンテナ
構造: 12層の硬・柔軟 (10層が信号処理のための硬段,2層がアンテナ展開のための柔軟な部分)
主要特徴:LCPフレックスセグメント (200°C+耐性),35μmRA銅,ポリマイド接着剤 (放射線耐性).
利点: コンパクトな打ち上げパッケージに折りたたみ (10倍硬い代替品より小さく) 2mアンテナを形成するために宇宙に展開できます.

よくある質問
Q:硬柔性PCBには 複数の柔性セグメントが 存在するのでしょうか?
A:はい,多くのデザインには2×4のフレックスセグメント (例えば,手首と指のためのフレックスセグメントを持つウェアラブル) が含まれています.各フレックスセグメントは,屈曲ニーズに基づいて,独自の厚さと銅型を持つことができます.

Q: 硬柔性PCBの最大層数は?
A:ほとんどの硬質柔軟PCBは4~12層,硬質セグメントは最大10層,柔軟セグメントは最大2~4層である.高度な設計 (航空宇宙) は16層に達するが,これは柔軟性を低下させる.

Q:硬柔性PCBは SMT部品と互換性があるのですか?
A: はい,固いセグメントはすべてのSMTコンポーネント (BGA,QFP,パッシブ) をサポートしますが,柔軟なセグメントは小さなSMTコンポーネント (0402抵抗,0603コンデンサ) をサポートします.重い部品 (>5g) は,フレックスセグメントに決して置くべきではありません..

Q:硬質PCBと比べると 硬質PCBのコストは?
A: 硬質・柔軟PCBは 硬質PCBの2倍3倍にもなりますが システムコストを30~50%削減します (コネクタが少なく 配線も少なく 組み立て作業も少なく)

Q: 固い柔らかいPCBの典型的な製造時間は?
A:プロトタイプには2〜3週間 (特殊なラミネーションとテストのため) がかかりますが,大量生産 (10k+ユニット) は4〜6週間です.リードタイムは硬いPCBよりも長く,カスタムフレックス専用PCBよりも短く.

結論
頑丈で柔軟なPCB構造は バランスの取れたマスタークラスです 頑丈な基板の強さとポリアミドの柔軟性を組み合わせて 伝統的なPCBができない場所に合うボードを作ります柔らかいセグメントの薄型ポリミドから硬いセグメントの厚いFR-4まで材料の選択は 性能に影響します

基板の厚さ,銅の種類,粘着剤の選択が 柔軟性,強度,信頼性をいかに向上させるかを理解することで最も困難なアプリケーションの要求に応える PCB を設計できます折りたたむ電話や 自動車センサーや 衛星アンテナを 作ろうとしても 適切な硬・柔軟な構造が 小さく軽い製品を作るのに役立ちますそしてこれまで以上に耐久性があります.

テクノロジーがどんどん縮小し,汎用的な電子機器の需要が増加するにつれて,リジッド・フレックスPCBはイノベーションの最前線に留まり続けます.最良の解決策は 2つの対照的な強みを組み合わせることから来ます.