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フレキシブルPCBとその実装技術
フレキシブルPCBは、その柔軟な構造、小型サイズおよび軽量といった顕著な利点により発展し、幅広い分野で応用されており、電子機器の小型化という発展トレンドにも適合している。静的な柔軟性に加えて、フレキシブルPCBは動的な柔軟性や、巻き付け、折り曲げにも対応可能である。3D空間へと展開できるため、フレキシブルPCBは回路設計および機構設計の自由度を高める。また、X・Y・Z各面に配線を行うことができ、接続ポイントを減らすことで、加工および組立作業を削減し、電子機器に用いられるシステム全体の信頼性と安定性を大幅に向上させる。その結果、フレキシブルPCBはコンピュータ、通信機器、計測機器、医療機器、軍事および航空宇宙などの分野で広く利用されている。さらに、ワイヤレスフローティングヘッド、中継器、デジタルカメラ、携帯電話、フラットパネルディスプレイ、HDI PCBといった新たな応用分野の拡大により、フレキシブルPCBは急速に発展し、PCB産業全体に占める割合をますます高めている。
・フレキシブルPCBの構造
構造タイプに応じて、フレキシブルPCBは次のカテゴリに分類できます。
a. 片面フレキシブルPCBであり、構造が単純で製作が容易である。
b. 両面フレキシブルPCBこれは片面フレキシブルPCBよりはるかに複雑な構造を特徴としており、より高度な制御が求められます。
c. 多層フレキシブルPCBこれは、2層フレキシブルPCBよりも複雑な構造を特徴としており、その製造品質の管理はより困難です。
d. 片面リジッドフレックスPCB
e. 両面リジッドフレックスPCB
f. 多層リジッドフレックスPCB
片面リジッドフレックスPCB、両面リジッドフレックスPCBおよび多層リジッドフレックスPCBは、前述の3種類のフレキシブルPCBよりも製造が困難で、構造もはるかに複雑です。フレキシブルPCBおよびフレックスリジッドPCBの構造は、下の図1に示されています。
・フレキシブルPCBの材料
フレキシブルPCBの構造に基づくと、フレキシブルPCBを構成する材料には、絶縁基材、接着剤、金属導体層（銅箔）、およびカバー層が含まれる。フレキシブルPCBの主要材料は、優れた機械的・電気的特性を有し、キャリアとしての役割を果たすフレキシブル絶縁フィルムでなければならない。一般的な材料にはポリエステルフィルムとポリイミドフィルムがあり、後者が大部分で使用されている。新材料の研究開発に伴い、選択可能な材料は多様化し、一般的な材料以外にも、PEN や薄型 FR4 などの他種の基材材料が利用可能になっている。主要材料の性能パラメータは、以下の表にまとめられている。
| アイテム | FR4 | ポリエステル | ポリイミド |
| はんだ付け性温度［℃（10秒）］ | ２６０ | ２３０ | ２６０ |
| 最大連続使用温度（℃） | 150 | １１０ | ２２０ |
| 引張強度（kPa） | １７５０ | 1500 | １７００ |
| 伸び（％） | 3 | 130 | 70 |
| 銅はく剥離強度（kPa） | 4.5 | 1.8 | 1.3 |
| 吸湿率（％） | 0.5 | 0.8 | 2.5 |
| 線膨張係数 | 1.1×10-5 | 1.5×10-5 | 1.5×10-5 |
| 誘電率（60Hz） | 3.400 | 3.250 | 3.500 |
| 誘電損失係数（1kHz） | 0.037 | 0.006 | 0.003 |
| 抵抗率 (Ω) | 1.6x1013 | 1.0×1017 | 1.4×1016 |
| メモ | 最大引張強さおよび最小伸び。連続的な曲げに対して不安定。 | 低コストであり、はんだ付け中に損傷しやすい。優れた物理的および電気的性能を有する | 優れた物理特性と電気特性、難燃性材料 |
フレキシブルPCBの組立
• フレキシブルPCBの組立工程
フレキシブルPCBは、特別な技術要件に基づく一部の特殊な工程を除き、リジッドPCBと同じ実装プロセスを共有しています。片面フレキシブルPCBにおける一般的な実装プロセスを、下記の図2に示します。
・フレキシブルPCBアセンブリの特性
a. フレキシブルPCBからリジッドPCBへ
フレキシブルPCBは軽量かつ薄型であるため変形しやすく、リジッドPCBのようにSMT製造ライン上で直接実装することはできません。したがって、フレキシブルPCBへの実装を成功させるためには、リジッドキャリアまたはトレイに固定し、リジッドPCBと同様に取り扱えるようにする必要があります。平坦性、位置決め精度、およびボードキャリアの一貫性は製品品質を確保するうえで重要な役割を果たしており、これこそがフレキシブルPCB実装における重点となる部分です。
b. 低密度
これまでのところ、フレキシブルPCBはリジッドPCBよりもコストが高いため、製品コストの観点から、機能の異なるモジュール間の接続用途にのみ使用されることが大半です。その結果、フレキシブルPCB上に実装される部品点数は比較的少なく、実装密度も低くなっています。一般的に、部品点数は50点以内であり、コネクタが2つだけ実装されている基板もあります。
c. 多数のパネル
フレキシブルPCBは、携帯電話やデジタルカメラなどの小型電子機器に主に使用されるため、単一基板の面積は小さくなります。さらに、単一基板に実装される部品点数は比較的少ないため、実装効率を向上させる目的で、通常はパネル化して実装を行い、その後、打ち抜きによって分割されます。
d. 組立工程における補助治具の幅広い応用
フレキシブルPCBは変形しやすく損傷しやすい特性があるため、フレキシブルPCB焼成治具、基板搬送トレイ、電気検査治具、機能検査治具、およびカット治具など、多くの補助治具がフレキシブルPCBの組立に使用されます。
e. 製品品質に対する高い要求
フレキシブルPCBは、繰り返しの曲げや制御精度が求められる環境で使用されることが多いため、フレキシブルPCBに実装される部品は、その使用環境の要求を満たす必要があります。その結果、フレキシブルPCBには、リジッドPCBよりも高いレベルの清浄度、静電気防止対策、およびはんだ付け信頼性が求められます。さらに、鉛フリー製造技術の普及と受け入れが進んでいることから、フレキシブルPCBの実装は、いくつかの技術的な課題に直面しなければなりません。
f. 高い組立コスト
剛性PCBアセンブリと比較すると、フレキシブルPCBアセンブリは全体的なコストが高くなります。これは特に立ち上げ段階で顕著であり、治具の用途範囲が広いこと、製造期間が長いこと、設備稼働率が低いこと、付属品および人員に対する要求が高いこと、さらに製造環境および製品品質に対する要求水準が高いことが原因となっています。
電子製品の発展に伴い、フレキシブルPCB組立技術が継続的に向上・最適化され、製造および組立コストが徐々に低減していくことで、その適用範囲はますます拡大し、今後フレキシブルPCBはさらに幅広い分野で利用されるようになります。
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役立つリソース
•フレックスリジッドPCBの概要と製造サービス
•フレックスリジッドプリント基板の用途
•フレキシブルおよびリジッドフレックスPCBで組立を効率化し、信頼性を向上させる
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