リジッドフレキのデザイン

筐体に密接に統合されるように設計されたリジッドフレックス回路。

リジッドフレックスとは何ですか？

その名の通り、フレキシブルプリント回路は、柔軟な絶縁フィルムに印刷された導体のパターンです。リジッドフレックスは、上の画像に示されているように、フレキシブル回路とリジッド回路の両方の組み合わせであるプリント回路に与えられた名前です。この組み合わせは、フレキシブル回路とリジッド回路の両方の利点を探求するのに理想的です - リジッド回路はすべてまたは大部分のコンポーネントを搭載でき、フレキシブルセクションはリジッドセクション間の接続として機能します。

フレキシブル回路技術は当初、宇宙プログラムのために、空間と重量を節約する目的で開発されました。今日では、空間と重量を節約するだけでなく - モバイルフォンやタブレットなどの携帯デバイスに理想的であることから、人気があります - それらは、接続配線の必要性を大幅に減らすことでパッケージングの複雑さを減らし、接続ハードウェアが減少し組み立て歩留まりが向上することで製品の信頼性を向上させることができます。また、全体的な製品製造および組み立てコストとして考慮した場合にコストを削減することができます。

フレキシブル回路は通常、静的フレキシブル回路と動的フレキシブル回路の2つの使用クラスに分けられます。静的フレキシブル回路（使用Aとも呼ばれる）は、組み立てやサービス中に最小限の曲げが発生するものです。動的フレキシブル回路（使用Bとも呼ばれる）は、ディスクドライブのヘッド、プリンターのヘッド、またはラップトップ画面のヒンジ部分など、頻繁に曲げられるように設計されたものです。この区別は、材料選択と構造方法の両方に影響を与えるため、重要です。リジッドフレックスとして製造できる多数のレイヤースタックアップ構成があり、それぞれに電気的、物理的、およびコストの利点があります。

リジッドフレックス設計

フレックス回路やリジッドフレックス回路の設計は、非常に電気機械的なプロセスです。どんなPCBを設計するにしても、それは三次元の設計プロセスですが、フレックスまたはリジッドフレックスの設計においては、三次元の要件がより重要になります。なぜでしょうか？それは、リジッドフレックス基板が製品の筐体内の複数の表面に取り付けられる可能性があり、この取り付けはおそらく製品の組み立てプロセスの一部として行われるからです。完成した基板のすべてのセクションが筐体内の折りたたまれた位置に適合することを確実にするために、機械的なモックアップ（ペーパードールカットアウトとしても知られています）を作成することを強く推奨します。このプロセスは、可能な限り正確でリアルでなければならず、すべての可能な機械的およびハードウェア要素が含まれ、組み立て時のフェーズと完成した組み立ての両方が慎重に分析されなければなりません。

マルチボード設計でのリジッドフレックスの使用

Altium Designerは、マルチボード設計の物理的な組み立てボードを設計する際にリジッドフレックスもサポートしています。この記事を参照してください。

フレキシブル回路製造に使用される材料

フレックス回路は、柔軟な基板材料と銅を接着剤、熱、圧力を使って積層して作られます。

最も一般的な基板はポリイミドであり、これは強力でありながら柔軟性のある熱硬化性ポリマー（サーモセット）です。フレキシブル回路の製造によく使用されるポリイミドの例には、Apical、Kapton、UPILEX、VTEC PI、Norton TH、Kaptrexがあります。これらは登録商標であり、それぞれの商標所有者が所有していることに注意してください。

銅層は通常、圧延および焼鈍（RA）銅、または時には鍛造銅です。これらの銅の形態は箔として製造され、優れた柔軟性を提供します。これらは伸長した粒を持っており、最大の屈曲寿命を達成するために、動的フレックス回路でこれを正しく向けることが重要です。これは、動的フレックス回路をロールに沿って向けることによって達成されます（つまり、回路がロールに巻かれたのと同じ方法で曲がるようにします）。フレックス製造業者は通常、製造パネルの準備中にこれを扱います。これは、設計者が自分自身で回路パネル化（フレックス回路設計ではネスティングと呼ばれる）を行う場合にのみ問題となります。銅箔は通常、感光層でコーティングされ、その後露光およびエッチングされて、所望の導体パターンと終端パッドが形成されます。

接着剤は通常アクリル製であり、構造内で最も柔らかい材料として、最も多くの製造上の課題を引き起こします。これには、銅層にアクセスするためにカバーレイヤーに切り込まれた開口部に接着剤が押し出される「スクイーズアウト」、アクリル接着剤の熱膨張係数（CTE）が高いためのZ軸方向の膨張欠陥、そして吸湿率が高いための湿気のガス放出があり、これが樹脂の後退、ブローアウト、メッキスルーホール箇所での剥離を引き起こす可能性があります。代替の接着剤や無接着剤プロセスも利用可能です。これらは、コストがそれほど敏感でないアプリケーションでより適しているかもしれません。

柔軟な回路がどのように製造されるかの簡略化されたビュー；材料は熱と圧力の下で積層されます。

フレックスおよびリジッドフレックス層のスタックアップタイプ

フレックス回路およびリジッドフレックス回路には、タイプとして参照される標準的なスタックアップがいくつかあります。これらは以下の通りです。

タイプ1 - シングルレイヤー

一つの導電層と一つまたは二つのポリイミド外部カバーレイヤーを含む片面フレキシブル配線。

• 導電層が1層で、2つの絶縁層の間にラミネートされているか、片側が露出しています。
• 導体へのアクセス穴は、片側または両側のどちらかにあります。
• コンポーネントの穴にめっきはありません。
• コンポーネント、補強板、ピン、コネクタが使用できます。
• 静的および動的なフレックスアプリケーションに適しています。

2つのカバーレイヤー、両側にアクセス穴があり、コンポーネントの穴にめっきがないタイプ1フレックス構造。

タイプ2 - ダブルレイヤー

補強材付きまたは補強材なしのメッキスルーホールを備えた2つの導電層を含む両面フレキシブルプリント配線。

• 2つの導電層とその間の絶縁層；外層はカバーがあるか、露出したパッドがある。
• スルーホールが層間の接続を提供する。
• アクセスホールまたはカバーのない露出パッドは、片側または両側にあることができ、ビアは両側でカバーされることがある。
• コンポーネント、スティフナー、ピン、コネクターが使用できる。
• 静的および動的なフレックスアプリケーションに適している。

   両面にアクセスホールとメッキスルーホールがあるタイプ2フレックス構造。

タイプ3 - マルチレイヤー

メッキスルーホールを備えた3つ以上の導電層を含む多層フレキシブルプリント配線、補強材付きまたはなし。

• 各層の間に柔軟な絶縁層を挟んだ、3層以上の柔軟な導電層；外層はカバーがついているか、露出したパッドがある。
• メッキスルーホールにより層間が接続される。
• アクセスホールまたはカバーのない露出パッドは、片側または両側にあることができる。
• ビアはブラインドビアまたはバリードビアのいずれかである。
• コンポーネント、スティフナー、ピン、コネクターが使用されることがある。
• 通常、静的フレックスアプリケーションに使用される。

   タイプ3フレックス構造で、両面にアクセスホールとスルーホールがある。

タイプ4 - 多層リジッドフレックス

3層以上の導電層を持つ多層リジッドおよびフレキシブル材料の組み合わせ（リジッドフレックス）で、スルーホールがあります。リジッドフレックスはリジッド層に導体を持っている点が、スティフナー付きの多層回路とは異なります。

• 柔軟または硬質の絶縁材料を介して2層以上の導電層があり、外層にはカバーがあるか、パッドが露出しています。
• スルーホールメッキは、盲孔および埋め込みビアを除き、硬質層と柔軟層の両方を通過します。
• アクセスホールまたはカバーのない露出パッドは、片側または両側に配置することができます。
• ビアやインターコネクトは、最大限の絶縁のために完全に覆うことができます。
• コンポーネント、補強板、ピン、コネクタ、ヒートシンク、取り付けブラケットが使用できます。

  タイプ4のリジッドフレックス構造；リジッドセクションは、フレックス構造の外側にリジッド層を追加することで形成されます。

PCBエディタでのリジッドフレックスのサポート方法

PCBエディターは、レイヤー設計環境です。銅層は絶縁層によって分離されています。従来のリジッドPCBでは、これらの絶縁層は通常、FR4やプリプレグを使用して製造されますが、異なるアプリケーションに適した特性を持つさまざまな材料があります。従来のリジッドPCBの場合、これらの銅層と絶縁層はPCB全体にわたって存在するため、ボード全体のエリアに対して単一のレイヤースタックを定義することができます。

8層のリジッド回路のレイヤースタックを表す図です。

リジッドフレックス設計では、回路設計全体にわたって一貫したレイヤーのセットが存在しません。基板のリジッド部分は、フレキシブル部分とは異なるレイヤーのセットを持ちます。さらに、リジッドフレックス設計が複数のリジッド部分とそれらを結ぶ複数のフレックス部分を持つ場合、これらの各セクションで使用されるレイヤーのセットが異なる可能性があります。単一のレイヤースタックしかサポートしていないPCBエディターでは、この設計要件をサポートできません。これをサポートするために、PCBエディターのレイヤースタック管理システムは、以下に示すように複数のスタックの定義をサポートしています（レイヤースタックマネージャーでキャプチャされた画像）。

レイヤースタックマネージャーは、任意の数のレイヤースタックの定義をサポートします。

複数のレイヤースタック

メイン記事： レイヤースタックの定義

ボード設計の異なるエリアで異なるレイヤーセットを定義する必要性をサポートするために、PCBエディタは複数のレイヤースタックの概念をサポートしています。これは、この設計でボードデザイナーが利用可能なレイヤーの総セットを定義する全体のマスターレイヤースタックを持つことによって達成されます。このマスターレイヤースタックから、マスタースタックで利用可能なレイヤーを使用して、任意の数のサブスタックを定義できます。各サブスタックは定義され、名前が付けられ、リジッドフレックス設計での使用の準備が整います。

ボードの形状

主要記事: ボード形状の定義、ボード領域と曲げ線の定義

レイヤースタックは、垂直方向、またはZ平面におけるボード設計空間を定義します。PCBエディタでは、ボード空間はボード形状によってXおよびY平面で定義されます。ボード形状は、任意の角度に位置する直線または曲線のエッジを持つ、任意の形状の多角形領域であり、任意の形状のカットアウト（内部穴）も含むことができます。ボード形状はPCBエディタの基本的な概念であり、設計で使用可能な領域 - コンポーネントとルーティングを配置できる場所 - を定義し、設計ルールチェッカーやオートルーターなどのPCBエディタのインテリジェント分析エンジンはすべて、ボード形状の境界内で操作します。

全体の回路設計には、リジッドフレックスを含めて、単一の全体的なボード形状があることに注意してください。このボード形状内では、スプリットラインを配置してボードを別々の領域に分割することにより、任意の数のボード領域を定義できます。下の画像は、2本の水平な青いスプリットラインの配置によって3つの領域に分割されたボード形状を示しています。ボードを複数の領域に分割する方法については、上記のリンクを使用して詳しく学んでください。

通常とは異なる基板の形状 - 水平の点線の青い分割線に注目。これらは基板を3つの別々の領域に分けています。

基板の領域にレイヤースタックを割り当てる

メイン記事: 基板領域と曲げ線の定義

前述の通り、従来のリジッドPCBでは、銅と絶縁層がPCB全体にわたって存在し、したがって単一のレイヤースタックが全体のボード形状に対して定義できます。リジッド領域とフレックス領域の数から成るリジッドフレックス設計では、各領域が異なるレイヤースタックを必要とするため、別のアプローチが必要です。PCBエディタでは、ボード形状の特定の領域にレイヤーサブスタックを割り当てる機能をサポートすることでこれを実現します。これを行うには、領域をダブルクリックしてBoard Regionダイアログを開き、下の画像に示すように、ドロップダウンで必要なレイヤースタックを選択します。

領域をダブルクリックしてBoard Regionダイアログを開き、必要なレイヤースタックを割り当てます。

フレックスベンドラインの配置と管理

メイン記事： ボードリージョンとベンディングラインの定義

ある領域にレイヤースタックが割り当てられ、そのスタックにFlexオプションが有効になっている場合、その領域をまたがって曲げ線を配置することができます。各曲げ線には、半径、曲げ角度、および影響範囲の幅のプロパティがあり、実際の状況で折りたたまれた状態で表示できます。

2つの曲げ線が定義されており、このリジッドフレックスボードを折りたたまれた状態で表示できます。

リジッドフレックス設計を3Dで表示・折りたたみ

PCBエディタには、強力な3Dレンダリングエンジンが含まれており、ロードされた回路基板の非常にリアルな三次元表現を提示することができます。このエンジンはリジッドフレックス回路にも対応しており、折りたたみ状態スライダーと組み合わせて使用することで、設計者はリジッドフレックス設計を平らな状態、完全に折りたたまれた状態、およびその中間のどこかで検討することができます。

3D表示モードに切り替えるには、3のショートカットキーを押します（2Dに戻るには2を、ボードプランニングモードに戻るには1を押します）。ボードは3Dで表示されます。コンポーネントのフットプリントに3Dボディオブジェクトが含まれている場合、これらも表示されます。下の画像では、ボードにバッテリーとバッテリークリップが含まれていることがわかります。

全ての曲げ線を適用するには、折りたたみ状態スライダーを動かします（PCBパネルでLayer Stack Regionsモードに設定されている場合、下の画像で強調表示されています）。曲げられる順序は、それらのシーケンス番号によって定義されていることに注意してください。曲げ線は同じシーケンス番号を共有することができます。これは、折りたたみ状態スライダーを使用すると、それらの曲げが同時に折りたたまれることを意味します。ボードは、View » Fold/Unfoldコマンドを実行することによっても折りたたみ/展開することができます（5のショートカットを押します）。

折りたたみ状態スライダー（または折りたたみ/展開コマンド）を使用して、シーケンス値（折り目インデックス）で定義された順序で全ての曲げ線に適用します。

リジッドフレックス設計のための3Dムービーメーカーサポート

メイン記事： PCB 3Dビデオ

リジッドフレックス設計を折りたたむ能力も、3Dムービーとして捉えることができます。これは非常に簡単で、折りたたみシーケンス中にムービーキーフレームを使用する必要はありません。

3Dムービーの作成方法についての詳細な説明については、上記のメイン記事を参照してください。基本的なガイドとして：

1. PCBエディタを3Dモードに切り替えます。
2. PCB 3D Movie Editorパネルを表示し、パネルの上部に新しいムービータイトルを作成して名前を付けます。
3. 展開された状態のボードを示す初期キーフレームを作成します。
4. 折りたたみ状態スライダーを動かして、リジッドフレックスデザインを折りたたんだ状態にし、必要に応じて折りたたまれたボードを位置付けます。
5. このビューのために2つ目のキーフレームを作成し、時間を設定します。リジッドフレックスデザインを折りたたむのにかかる時間（持続時間設定）を考えます。通常、これは数秒です。
6. ビデオが折りたたみプロセスを正しくキャプチャしているか確認するために、パネルの下部にあるプレイヤーコントロールにある再生ボタンをクリックします。
   
7. ムービーファイルを生成するには、出力ジョブファイルにPCB 3Dビデオドキュメント出力を追加します。ビデオ形式オプションをVideo settingsダイアログで設定することを忘れないでください。
8. 出力ジョブファイルのGenerate Contentリンクをクリックして、ムービーファイルを作成します。

下に示されたビデオは、このプロセスを使用して作成されました。上記の2つのキーフレームに加えて、最後の位置を1秒間保持するために最後に追加された追加のキーフレームがあります。

3つのキーフレームから作成されたシンプルな3Dムービー; 折りたたみ動作は曲げ線列の値によって定義されます。

設計上の考慮事項

以下は、リジッドフレックスPCBを設計する際に考慮すべき主要な設計領域の要約です：

• 導体の配線 - フレックス領域を越えるルートのコーナースタイルの選択は重要で、鋭角を避け、最小のストレスでカーブを使用します。
• パッドの形状と面積 - フィレット（涙滴形）、シングルサイドフレックス用にラビットイヤー（アンカースパー）を使用し、パッドの形状の一部をカバーレイヤーで捕捉することが目的です。
• スルーホール - 曲げ領域内のスルーホールは、特に動的なアプリケーションでは避けるようにします。
• カバーレイヤー - ストレスライザー（入ってくるトラックを露出させる）を避け、カバーレイヤーの開口部を250μmに減らします。
• プレーン - 可能であればクロスハッチングします。
• 段違いの長さ - 本の背表紙のような（屈曲時の層のバックリング）を避けるために、層の厚さの約1.5倍に層の長さを段違いにします。
• サービスループ - 組み立て/分解を容易にし、製品の寸法変動に対応するために、フレックス領域を少し長くします（余分な長さはサービスループと呼ばれます）。
• 銅の節約 - フレックス回路がどのようにパネル化されるかを考慮し、最適な材料使用を保証するために設計を調整することが良いかもしれません。
• パネル化 - 材料の粒を考慮してフレックス領域を向け、粒に沿って曲げます。
• 引き裂き抵抗 - 曲がったコーナー、コーナーに穴を開ける、スリットに穴、コーナーに金属を残す。
• ルーティング - Iビーミングを避けるために2層ボード上のルートを段違いにし、曲げゾーンを通るルートを広げます（特に永久的な曲げには重要です）。
• 静的曲げ比率 - 曲げ半径と回路厚さの比率。理想的には、多層回路は少なくとも15:1の曲げ比率を持つべきです。両面回路の場合、最小比率は少なくとも10:1であるべきです。単層回路の場合、最小比率も少なくとも5:1であるべきです。動的なアプリケーションの場合、曲げ比率を20-40:1を目指します。
• 圧延焼鈍された銅はより延性があり、めっきされた銅はフレキシブル領域に最適な選択ではありません。

ドキュメントと図面の要件

一般的に推奨されるドキュメント要件には以下が含まれます： 

1. フレックスPCBは、IPC-6013、クラス(ご要件をここに記入)の基準に従って製造されなければなりません。
2. フレックスPCBは、最小限の燃焼性評価V-0(必要な場合)を満たすように構築されなければなりません。
3. フレックスPCBはRoHS準拠でなければなりません(必要な場合)。
4. 剛性材料は、エポキシ材料を使用する場合はIPC-4101/24に従ってGFNでなければなりません。
5. 剛性材料は、ポリイミド材料を使用する場合はIPC-4101/40に従ってGINでなければなりません。
6. 柔軟な銅張り材料は、IPC 4204/11(柔軟な無接着剤銅張り絶縁材料)でなければなりません。
7. カバーコート材料は、IPC 4203/1に従っていなければなりません。
8. 最大基板厚さは(ご要件をここに記入)を超えてはならず、これは全ての積層およびめっきプロセス後に適用されます。これは完成しためっき表面上で測定されます。
9. パネルの剛性部分を通るアクリル接着剤の厚さは、全体の構造の10％を超えてはなりません。上記のコメントを参照してください。
10. 製造の容易さのためにポーチ材料を使用でき、出荷前に基板の柔軟な部分から取り除かなければなりません。
11. 柔軟なセクションの厚さは(ご要件をここに記入、この厚さが重要でない場合はこの注記を追加しないでください)でなければなりません。
12. めっきされたスルーホールの最小銅壁厚さは(ご要件をここに記入)でなければなりません{.001”の平均が推奨されます}、最小アニュラリングは(ご要件をここに記入)でなければなりません(.002が推奨されます)。
13. 基板の剛性セクションのみ、両面の裸銅上に緑色のLPIはんだマスクを適用します(必要な場合)。すべての露出した金属は(ここに表面仕上げの要件を指定)になります。
14. 両面の基板に白または黄色(最も一般的)の非導電性エポキシインクを使用してシルクスクリーンを施します(必要な場合)。
15. マーキングおよび識別要件。
16. 電気試験要件。
17. 包装および出荷要件。
18. インピーダンス要件。

追加の図面詳細

1. 完成した穴のサイズ、関連する公差、メッキの有無を詳述したドリル表。
2. 基準データム、重要な寸法、リジッドとフレックスのインターフェース、曲げ位置と方向のマーカーを含む寸法図。
3. 必要に応じたパネライゼーションの詳細。
4. 各層に使用される材料、厚さ、銅の重さを詳述した構造と層の詳細。

参考文献

フレックス回路設計ガイド - Epec エンジニアリング テクノロジーズ

フレキシブル回路技術 - ジョー・フィエルスタッド

フレックス回路設計ガイド - ミンコ プロダクツ株式会社

マシンデザイン ウェブサイト：

• フレックス回路設計の基礎 - ロバート・レパス
• 柔軟を保つ - アプリケーションエンジニア、マーク・フィンスタッド