フレキシブルPCB完全ガイド：種類、設計、応用分野

　フレキシブルプリント基板（FPCまたはフレックスPCB）は、曲げたり折り曲げたりねじったりできる柔軟性を備えたPCBの一種です。FPCは、柔軟な基板上に配置された複数のプリント回路と部品の組み合わせを特徴とします。通常、高い柔軟性と熱安定性を保証するポリイミドフィルム材料で作られています。その小型化された設計により、民生用、自動車、医療機器、ウェアラブル、通信、航空宇宙などの主要な電子分野における革新と応用が促進されています。

フレキシブル回路基板は、より少ないスペースでより高い信頼性を実現します。最大360度まで曲げることが可能で、その多くは5億回の屈曲サイクルに耐える設計となっています。この技術は1950年代から様々な形態で電子機器の相互接続に用いられてきました。現在では、最先端電子製品の製造において最も重要な相互接続技術の一つとなっています。

フレキシブル回路基板の種類：

1) 片面フレキシブルPCB：

　片面フレキシブル基板は、フレキシブル基板の種類の中で最も基本的なものです。基板層、導電性銅層、オーバーレイ、シルクスクリーンで構成されています。

　フレキシブルなポリイミドまたはポリマーフィルムは単層のみであり、導電性銅層はPCBの片面のみにアクセス可能です。その結果、反対側には様々な電子部品を配置できます。そのシンプルな設計により、様々な用途に適し、より手頃な価格を実現しています。これが、最も広く使用されているフレキシブル回路である主な理由でもあります。

2) 両面フレキシブルPCB：

　片面フレキシブル回路とは異なり、両面フレキシブル基板では上面と下面の銅層の両方に配線パターンを形成できます。銅メッキスルーホールを用いて任意の位置で両面を接続可能です。層間での電気的接続も実現します。

　両面フレキシブル基板の利点の一つは、より複雑な電子製品で使用でき、より多くの機能を実現できることです。メーカーは、ダッシュボード部品、照明、その他の産業分野での製造に有用であると考えています。

3) 多層フレキシブル基板:

　多層フレキシブル基板では、複数の銅層が、両面基板と同様にメッキスルーホールによって結合されています。多層フレキシブルPCBは複数の銅層と誘電体層で構成されます。

　多層フレキシブル回路基板の利点の一つは、複数の機能を自由に設計できる点です。メーカーは複雑な設計要件を持つ製品に活用できます。携帯電話、衛星機器、カメラ、補聴器の部品製造に利用されています。

　現時点で、JLCPCB製造ユニットのサービスは、高精度かつ厳格な品質管理のもと、最大2層フレキシブルPCBの設計が可能です。

PCBはどの程度まで曲げられるか？

　「PCBはどの程度まで曲げられるか？」という質問は、一見簡単に答えられそうですが、実はそう単純ではありません。PCBを曲げると、基板の強度、銅配線、はんだパッドが損なわれる可能性があります。PCBの最大曲げ半径は、設計材料と基板の厚さによって異なります。0.4mmの基板であれば90度の曲げが可能です。一部のPCBは最大20回まで曲げられますが、回路基板は1回以上の曲げは避けるべきです。基板の厚さに基づくPCBの最大曲げ角度の計算式は以下の通りです：

　例えば90度の曲げを行うと、回路損傷のリスクが高まります。最後に、曲げ半径が1mmを超えないように注意してください。フレックス素材を使用すればPCBを最大180度まで曲げられます。ただし推奨限界を超えて曲げようとすると、回路基板を破壊する可能性があります。

フレキシブルPCBの構造：

フレキシブルPCBには、単層、二重層、多層回路の3種類が含まれます。単層フレキシブルPCBの主要構成要素は以下の通りです：

1) 誘電体基板フィルム：PCBの基材とみなせます。主流材料は耐熱性に優れたポリイミド（PI）です。

2) 導電層：回路の配線を含み、単層/多層プリント基板の製造では表面導体層として銅箔が使用される。

3) 保護被覆：有機フィルムと接着剤で構成される。カバーフィルムの機能は、完成したフレキシブル回路の導体部分を保護することである。

4) 接着材：粘着フィルムの一種で、接着剤の種類や厚さ仕様が異なる。粘着フィルムは多層基板の層間接着と絶縁に使用される。

フレキシブルPCB設計における補強材の役割：

　フレキシブルプリント基板（FPC）における補強材とは、ポリイミドやFR4などの材料で作られた剛性層であり、フレキシブルPCBの特定領域に追加されます。コネクタ領域や取り付けポイントなどの繊細な領域で、曲げやたわみを防止するための機械的サポートと補強を提供します。補強材は耐久性を向上させ、高応力領域での信頼性を高め、重要な部分におけるFPC全体の形状維持に貢献します。

フレキシブルプリント基板の設計上のポイント:

1. 異なる厚さのFPCを扱う際は、最大曲げ半径を考慮する。

2. 基板やオーバーレイが曲がる領域では、不連続部を避ける。

3. スルーホールの安定性と剛性を高めるため、ティアドロップを追加できる。

4. PCBの主要電子回路の下に補強材を使用する。

5. PCBの角が破れるのを防ぐため、角を丸くし、少し大きくする。

6. 補強材周辺ではエッチングによるマーキングが可能だが、シルクスクリーンマーキングは不可である。

設計に関する詳細情報は、完全フレキシブルPCBを搭載したArduinoボードに関する記事を参照のこと。

フレキシブルPCBの利点：

　フレキシブル回路基板には多くの利点があり、電子製品メーカーの間でPCBの選択肢として広く採用されています。電子部品にフレキシブル回路を使用する主な利点は以下の通りです：

柔軟性：この種のPCBは容易に曲げたりねじったりできます。これにより3次元空間での移動や拡張が可能となり、効果的な配線接続による部品の統合が容易になります。

軽量性：FPCはリジッドPCBと比較してサイズと重量が小さく、高信頼性・高密度製品に適しています。

耐久性：回路は360度まで曲げ可能。振動や衝撃の影響に耐え、あらゆる用途での性能を向上させます。

熱安定性：基板が薄く軽量なため、熱を容易に放散可能。フレキシブル回路は最大400°Cの高温に耐えられます。

信号完全性：高い機械的耐性と耐環境性を提供し、優れたEMI（電磁耐性）を実現します。

フレキシブルPCBの欠点：

フレキシブル回路基板は現代の電子機器に多くの利点をもたらしますが、考慮すべき懸念点もあります：

● このフレキシブルPCBの組立プロセスは複雑です。

● PCB基板で発生する作業や故障の修復は困難です。

● 取り扱い時の損傷リスクが高い。

● 従来型PCB設計に比べコストがやや高め。

● 傷に弱い特性を持つ。

● 硫黄フリープラスチックによる適切な保管環境が必要。

フレキシブルPCBの応用分野：

フレキシブルPCBは、その汎用性、信頼性、省スペース性から様々な分野で使用されています：

民生用電子機器：コンパクトで軽量な設計において、部品を効率的に接続するために使用されます。柔軟性と耐久性を求められ、スマートウォッチ、フィットネストラッカー、その他のウェアラブル技術に採用されています。高性能な接続性を実現するため、コンパクトなデジタル・アナログ混合信号ユニットに統合されています。

自動車産業：先進運転支援システム（ADAS）搭載車両において、センサーと制御ユニット間の効率的な通信を確保します。カーエンターテインメントシステムで信頼性の高い接続を提供。LEDヘッドライトや室内照明では、コンパクト設計と柔軟性を実現するために使用されます。

医療機器：MRIやCTスキャナーなどの機器小型化にFPCの高密度接続が貢献。補聴器やウェアラブルモニタリング機器など、複雑な小型設計においてコンパクトかつ信頼性の高い接続を実現し、快適性と柔軟性を提供。

産業用途：可動部品を有するロボットアームや機械装置において柔軟性と耐久性を提供。産業用センサーや制御ユニットを内蔵する自動化システムにおいて、効率的かつコンパクトな接続を実現し、信頼性の高い性能を確保。

なぜ常にフレキシブルPCBを使用しないのか？

　フレキシブルPCBは設計の自由度や省スペースといった利点がある一方で、従来の硬質PCBに比べてコストが高いため、あらゆる用途に最適とは限りません。製造がより複雑で、慎重に取り扱わないと損傷を受けやすいという欠点もあります。曲げや折り畳みを必要としないシンプルな設計ではフレキシブル基板は不要であり、そのようなケースではリジッド基板の方が経済的で耐久性に優れています。さらに、フレキシブル回路は高電力処理能力や機械的安定性において制限がある場合が多いです。

結論

間違いなく、フレキシブル回路基板は多くの産業において、より高性能でありながら携帯性を備えた製品を作る上で不可欠なものとなっています。従来の選択肢はフレキシブル回路の柔軟性と精度に及ばない。航空機、医療機器、自動車、さらには日常生活で使用される部品でさえ、機能を損なうことなく軽量化を実現するためにフレキシブル基板に依存している。技術が進歩し製品革新が続く中、フレキシブルPCBは様々な産業が生み出す製品向け回路基板の主要選択肢であり続けるだろう。