ガイド PFCの製造上の問題を回避するために デザイン

FPCの製造には、さまざまな技術やプロセスの連携が必要であり、製造工程は複雑で困難を伴います。そのため、通常のPCBと比較して、FPC回路は単位面積あたりのコストが大幅に高く、製造にもより多くの時間を要します。 しかし、FPCは優れた柔軟性、薄さ、信頼性を備えているため、多くの分野の機器や製品において、より幅広い応用可能性と新たな設計ソリューションを提供しており、ソリューションエンジニアの間でますます人気が高まっています。本記事では、FPCB設計における一般的な落とし穴について解説し、設計段階から量産時の問題を未然に防ぐお手伝いをします。.

FPCがなぜそれほど重要なのか、また一般的なものは何か FPCの種類は？

フレキシブルプリント基板（PCB） 回路基板上に、チップ、抵抗器、コンデンサなどのさまざまな電子部品を搭載しています。FPCBの製造および組立工程は極めて複雑で、50以上の工程を要し、さまざまな設備への多額の投資が必要となります。FPCBメーカーは、製品の品質と一貫性を非常に重視しており、 PCBの製造プロセス, 、特に新製品を発売する際には。.

これは、FPCの組み立てや製造の過程で欠陥が見つかった場合、プロセス全体に支障をきたすだけでなく、多額の費用がかかる再設計や試験の繰り返し、保証請求の増加、さらには最終製品が顧客に届いた際のブランドイメージの低下につながるためです。以下に、一般的なFPCの種類を挙げます。.

(1) 片面基板：回路形成後、片面基板の基板上にカバーフィルムが貼られる。.

(2) 両面基板：両面回路が形成された後、両面基板の基板上にカバーフィルムが貼付される。.

(3) 単層銅・両面：回路形成の過程で単層の純銅を使用する場合、その表面の両面にそれぞれ異なる被覆膜が貼り付けられる。このとき、両面に導電部分が露出しており、これを「単層銅・両面」と呼ぶ。.

(4) シングル＋シングル（エアギャップ）：2枚の片面パネルを組み合わせ、折り曲げ部分に接着剤を使用しないカットアウト設計を採用することで、高い柔軟性が求められる要件を満たしています。.

(5) 多層基板：片面基板または両面基板を組み合わせて、3層以上の回路層を形成するように設計されたもの。.

(6) COF（チップ・オン・FPC）：ドライバICチップや電子部品がフレキシブル回路基板に直接実装されている。.

(7) リジッドフレックス基板: フレキシブルPCBの柔軟性と、 リジッド基板, 汎用性の高い回路基板が作成される。.

FPCの製造プロセス

FPCの製造工程は非常に複雑です。高品質なフレキシブル回路基板を製造するには、完全かつ合理的な生産工程が必要であり、各工程を厳格に実行しなければなりません。以下では、その製造工程について解説します。.

切断	柔軟な素材はロール状に梱包されており、MIサイズに応じて必要なサイズに裁断されます。.
掘削	基板に対してCNC加工を行い、貫通穴や位置決め穴を開けることで、その後の銅メッキ工程後に両面の銅を接続できるようにします。.
ブラックホール／電気めっき	穴を開けた直後は、上層と下層の銅層は導電性を持ちません。導電層を形成するには、これらの層が「ブラックホール」を通過する必要があります。その後、電気化学的な方法を用いて導電層に銅をメッキし、上層と下層の銅層に導電性を与えます。.
フィルムの貼り付け・露光	感光性フィルムを電気めっきされた基板の表面に貼り付け、フォトリソグラフィーを用いて回路パターンを感光性フィルムに転写する。.
現像／エッチング／除去	現像：現像を行うと、フォトリソグラフィー処理されていないドライフィルムが除去され、回路パターンの外側の銅箔部分が露出します。.  エッチング：現像後、化学溶液を用いて露光された銅箔をエッチングして除去する。.  フィルムの除去：回路パターン上のドライフィルムを水酸化ナトリウムを用いて除去し、最終的な回路パターンを露出しします。.
被覆フィルム	回路パターンを保護し、短絡や酸化を防ぐためには、導体上に絶縁層を形成する必要があります。この絶縁層は、一般的にフレキシブルプリント基板（FPCB）に使用され、「カバーフィルム」と呼ばれます。 この工程では、まずカバーフィルムに開口部を設けて銅パッドを露出させ、次にその開口部のあるカバーフィルムをエッチング済みの基板に貼り付けます。カバーフィルムには、黄色、黒、白の3色があります。.
沈む黄金	FPCの表面処理には、一般的に浸漬金めっきプロセスが採用されています。このプロセスでは、まず露出しているパッド上にニッケル層を堆積させ、その後、パッドの酸化を防ぎ、はんだ付け性を向上させるために、1″または2″の薄い金層を堆積させます。.
文字	お客様のご指定の文字をインクジェット印刷で基板表面に印刷し、その後、インクが剥がれないように焼付け処理を行って基板表面に定着させます。.
テスト	基板の導通検査は、主に断線や短絡の有無を確認するために、フライングプローブテスターを用いて行われます。.
補強を施す	PI、電磁波シールドフィルム、FR4、鋼板、粘着裏打ち材、およびその他の副資材は、お客様の要件に応じて基板表面に貼り付けられます。.
レーザー成形	レーザーエネルギーを用いて基板の形状を切り出し、不要な廃材を取り除いて、基板の最終形状を得ます。.
検査用梱包	当社は、お客様固有の要件やIPC検査基準に基づき、FPCの包括的な検査を実施し、外観不良などの欠陥を排除することで、お客様の品質基準を満たすよう努めています。.

設計段階でFPCの量産上の課題を解決する

FPCの穴あけ、基板アウトライン、回路パターン、ソルダーマスク、および文字デザインは、PCBと同じです。唯一の違いは、部品の裏面や接合部に補強層が必要な点です。ただし、以下に示すように、特に注意が必要な箇所がいくつかあります。

1. 形状および穴あけ設計

(1) スルーホールと基板フレームラインとの間の最小距離は0.5mmです。0.5mm未満の場合は、U字型の穴に変更する必要があります（穴は基板フレームと接続されている必要があります）。.

(2) ビアがソルダーマスクの開口部から少なくとも0.2mm離れていることを確認してください。そうしないと、ビアの端で銅が露出してしまいます。.

(3) FPCにスルーホールを設けることは推奨されません。FPCでは樹脂充填されたスルーホールを形成することができず、FPCにスルーホールを設けるとはんだ漏れが発生する恐れがあります。.

2. 回路設計

(1) 広範囲の銅表面の酸化：広範囲の銅表面を想定した設計であるため、ラミネート工程中に空気を除去することが困難です。 空気中の水分が高温・高圧下で銅表面と反応し、外観不良の原因となりますが、機能には影響しません。この問題を回避するには、グリッド状の銅箔を設計するか、広範囲の銅表面にはソルダーマスクの開口部を設けることをお勧めします。.

(2) 独立したパッドは設計しないようにしてください。FPCのパッドは基本的に独立しており、両面で重なり合っています。FPCの中央部の基板厚はわずか25μmであるため、パッドが剥がれやすくなります。銅クラッドを追加し、パッドの四隅に接続線を設けて銅クラッドと接続することをお勧めします。 また、接着強度を高めるために、上面と下面のパッドを互い違いに配置する必要があります。.

(3) パッドの剥離：コネクタソケットのパッドは比較的独立しており、剥離しやすい。圧力パッド方式の採用が推奨される。.

(4) 銅が露出している部分を広範囲に設計しないようにしてください。そうしないと、しわができてしまいます。.

(5) フレキシブル基板では、カバーフィルムがソルダーマスク層として使用されています。カバーフィルムは、まず開口処理を行った上で貼り付ける必要があります。パッドと配線との距離は0.2mmとし、ソルダーマスクのブリッジ幅は0.5mm以上とする必要があります。 つまり、ブリッジを確保するためには、2つのパッド間の距離を0.5mm以上にする必要があります。そうでない場合は、お客様にウィンドウを開けていただき、配線が露出する状態での製造を受け入れていただくことをお勧めします。.

(6) FPCの配線密度が低い場合、角の部分が破れやすくなります。基板の端に破れ防止用の銅ストリップを追加するか、裏面にネットワーク銅を追加することをお勧めします。.

(7) ケーブルメッシュは、信号伝送の効率を高めるため、可能な限り45度の角度で敷設してください。推奨されるケーブルの幅と間隔は0.2/0.2mmです。.

3. 基板の端部に施されたゴールドフィンガー設計

(1) フィンガーの挿入・取り外し：レーザー切断の際、基板の端部が高温により炭化するため、金メッキフィンガー間にわずかなショートが生じます。金メッキフィンガーを0.2mm内側に収縮させる必要があります （Geyuan Electronicsでは、これらを均一に内側に収縮させます。特別な要件がある場合は、その旨をご指定ください）。.

(2) はんだフィンガー基板内のパッド上のビアは、ビアへの応力集中を防ぎ、破損を招きやすいことを避けるため、一列に並べて配置してはならない。.

(3) 溶接用ゴールドフィンガーの上部および下部のカバーフィルムは、破損を防ぐため、0.3mm以上ずらして配置する必要があります。.

(4) はんだマスクがはんだパッドに密着するように、はんだパッドを設計することを推奨します（すなわち、カバーフィルムがはんだパッドに0.3mm以上密着するように、はんだパッドを延長してください）。.

(5) ゴールドフィンガーのソルダーマスク開口部：ゴールドフィンガーPADが接続部から外れるのを防ぐため、0.3mm以上の厚さの圧力パッドを用いて開口部を設けることを推奨します。.

(6) Geyuan Electronicsでは、現時点では穴あき基板に対応していません。リバースフィンガーの場合、層の切り替えを行うには、追加のパッドとビアが必要となります。.

(7) FPCで使用されるソルダーマスクは、グリーンオイルのようにソルダーマスクブリッジとして使用できないため、ICパッドを設計する際には、パッド上に余分な銅が残らないようにする必要があります（パッドの設計が適切でない場合）。そうしないと、パッドが大きくなり、ピッチが狭くなってしまい、はんだ付け時に短絡しやすくなります。.

(8) 金色の指パッドは、独立したパッドとして設計する必要があります。指パッドに銅の被覆や配線がある場合、ソルダーマスクを開口すると、その銅や配線が露出することになります。.

(9) ゴールドフィンガーの形状に関するデフォルトの許容誤差は±0.1 mmです。±0.05 mmが必要な場合は、ご注文の際にその旨をご指定ください。.

4. はんだマスクの設計

(1) FPCコネクタのソケットは外れやすいため、プレスパッド方式を採用することをお勧めします。.

(2) ICの中央部分には、中央部のはんだマスクを保持するためにブリッジが必要です。.

(3) 金色の指パッドにはソルダーマスクの開口部が設けられていなければなりません。そうしないと、コネクタとの間で電気を導くことができません。.

(4) デフォルトでは、ソルダーマスクがはんだマスクとして使用されます。ソルダーマスクが正しく適用されていることを確認してください。.

(5) ビア内の銅線が曲げられた際に断線するのを防ぐため、FPCのビアには通常、デフォルトで油が塗布されています。この処理を解除したい場合は、Geyuan Electronicsに注文する際、その旨を明記する必要があります。.

(6) テストポイントはビアのプロパティで設計されていたため、表示されませんでした。テストポイントをビアのプロパティとして設定することはできませんが、テストポイントに個別にウィンドウを追加することは可能です。.

(7) 両面基板の端に露出した銅・金表面が広範囲にある場合、基板の端が黒ずむことがあります。基板の端の周囲にカバーフィルムを貼ることをお勧めします。.

5. シルクスクリーンデザイン

(1) シルクスクリーン印刷された文字が入った補強材については、製造工程でミスが生じないように、ご注文の際に「シルクスクリーン印刷された文字が入った補強材」を選択する必要があります。.

(2) ボード内に説明文を配置しないでください。そうしないと、次のような悲劇を招く恐れがあります。.

6. レイアウトデザイン

(1) ボード全体が鋼板でできているため、比較的重くなります。 FPCは伸びやすく変形しやすいため、鋼板を貼り付けることはできません。鋼板補強基板間の間隔は少なくとも3mm、溝の幅は0.5mm、接続点の幅は1mmとし、15mmごとに1つずつ追加することを推奨します。 ご注文に関する注意事項：各シートは紙で仕切り、発送の際は上下を段ボールで挟んでください。.

(2) パネル接続：接続部がゴールドフィンガーに追加されるため、ゴールドフィンガーの先端が不均一になってしまう。.

(3) 接続点が少なすぎると、基板が外れやすくなります。各PCSには、接続点幅0.8mmの接続点を少なくとも2か所設ける必要があります。具体的な幅は基板のサイズによって異なります。基板が大きくなるほど、より多くの接続点が必要となります。.

(4) 基板が小さすぎて接続点が多すぎると、基板を分解するのが困難になります。SMTを行わない場合、1個あたり0.3mmの接続点が2か所あれば十分であり、これにより手作業で基板を分解しやすくなります。.

(5) レイアウトの利用率が低いと、価格が過度に高くなってしまいます。したがって、レイアウトの幅は可能な限り119mm、または240/250mmにする必要があります。サードパーティのレイアウトプロバイダーを利用することをお勧めします。.

(6) 基板のサイズが小さすぎると、レーザー集塵機によって基板が吸い込まれてしまいます。20×20mm未満の基板については、パネル化して納品することをお勧めします。あるいは、Geyuan Electronicsのエンジニアリングチームにパネル化の作業を依頼することも可能です。 .

7. 補強設計

補強とは、組み立てを容易にするために、FPC（フレキシブルプリント基板）の特定箇所に剛性のある材料を追加することを指します。PI製の補強材はゴールドフィンガー挿入製品に適しており、FR4は低価格帯の製品に適しています。また、鋼板は平坦性に優れ、変形しないため、チップ実装が必要な製品に適しています。.

(1) 挿入穴の補強に鋼板を使用することは推奨されません。短絡を引き起こすおそれがあるほか、鋼板は磁性が弱いため、ホール効果素子を使用することができません。また、ゴールドフィンガーの挿入や取り外しに鋼板を使用することも推奨されません。.

(2) 弊社にご注文の際は、プラグイン式ゴールドフィンガーの総厚さの要件を必ずご明記ください。総厚さは通常、コネクタの仕様書に記載されています。PI補強材の厚さを選定する際、総厚さからFPC基板の厚さを差し引くだけでは、直接算出することはできません。 Geyuan Electronicsのゴールドフィンガー用PI厚さ計算ツールを使用して算出することができます。.

(3) 配線開口部の設計：これは、配線が下にある部品の穴やパッドを避けるべきであることを意味します。お客様ご自身で設計していただくのが最善です。Geyuan Electronicsでは、通常、パッドから0.3mm離すことをデフォルトとしています。 補強を除去した後に残りの補強幅が2mm未満となる場合、当社は直接その部分を延長します（つまり、その領域全体に補強がなくなります）。なお、この点についてお客様にご確認することはございません。特別なご要望がございましたら、お知らせください。.

(4) 使用中にゴールドフィンガーが破損するのを防ぐため、ゴールドフィンガーの補強高さは、ゴールドフィンガーパッドよりも少なくとも1.0 mm長くすることを推奨します。.

(5) 電磁膜の両面は導電性である場合がある。下側の電磁膜がネットワーク構成でない場合は、電磁膜の設計を取りやめることを推奨する。.

(6) 電磁波シールドフィルムの接地抵抗に関する要件がある場合は、接地用ソルダーマスクウィンドウを独自に設計する必要があります。要件がない場合、Geyuan Electronicsではデフォルトで1.0mm以上のソルダーマスクウィンドウをランダムに追加します。 注：電磁波シールドフィルムが接地されていない場合、大量の電磁波を吸収し、信号の問題を引き起こす可能性があります。必ず事前にテストを行ってください。.

(7) 鋼板がはんだパッドに接触すると、短絡を引き起こします。.

(8) 補強幅：FR4の補強幅が狭すぎると、破損や炭化を起こしやすくなります。最小幅が5mm未満の場合は、PIまたは鋼板による補強に置き換えることを推奨します。また、粘着裏面の最小幅も3mm以上である必要があります。.

(9) 表面実装パッドの周囲には補強材や接着剤があってはならない。そうしないと、はんだペーストのスクリーン印刷ができなくなる（必要な場合は、まず表面実装パッドを配置してから、補強材や接着剤を塗布すること）。.

8. プレートの厚さに関する仕様

Geyuan Electronicsにご注文いただく際、選択された基板の厚さには、カバーフィルム、銅箔の厚さ、および基板のPI厚さが含まれます。基板上に銅箔がない部分やカバーフィルムが貼られていない部分がある場合、基板の厚さはそれに応じて薄くなります。設計の際には、この点に特にご注意ください。 .

以下のためのDFM（製造を考慮した設計）チェックリスト ロット生産におけるカスタマイズされたFPCプロジェクト。.

量産前に95%を超えるプロセス上の問題を未然に防ぐため、設計を確定する前に以下の確認作業を完了させることを推奨します：

DFMルールのインポート	製造性の要件が厳しいPCB/FPC受託製造業者から、あらかじめプロセス能力限界（最小線幅、最小穴径、最小ソルダーマスクブリッジ幅など）を入手し、EDAソフトウェア（Altium Designer、Allegroなど）のルールマネージャー（DRC）でこれらのパラメータを直接制限するようにします。.
ステンシルとパッドのバランス	SMT部品（0402や0603の抵抗器やコンデンサなど）の両端にあるパッドから伸びる配線の幅が均一であることを確認してください。 一方の端が厚い銅箔に接続され、もう一方の端が細い配線に接続されている場合、放熱の不均一により、ロット全体で「トゥームストーニング」という欠陥が発生します。.
ソルダーマスクの細片	ピッチの狭いチップ（QFNやTSSOPなど）の場合、バッチはんだ付け時のはんだブリッジによる短絡を防ぐため、ピン間に幅5ミル以上のはんだマスクブリッジを確保する必要があります。.

カスタムFPC 量産向け総合バリデーションプロセス

設計図面があるだけでは不十分です。量産を円滑に進めるためには、設計段階において以下のプロセスを組み込む必要があります：

許容値の累積解析	公称寸法のみに基づいて設計を行わないでください。 PCBの厚さ公差（±10%）、筐体の射出成形公差、および積層後の部品高さ公差の極限ケースを計算し、最悪の場合でも、PFCの大型インダクタやFPCの曲げ加工された部品が筐体に対して強い圧縮力を受けないことを確認する必要があります。.
熱シミュレーションとバッチ処理における放熱の耐障害性	PFC整流ブリッジとスイッチングトランジスタは、主要な発熱源です。設計にあたっては、生産ラインの作業員によるサーマルペーストの塗布ムラに起因するプロセスばらつきに対応できるよう、ヒートシンクまたはサーマルパッドの接触面積に20%の余裕を持たせる必要があります。.
テスト容易性設計（DFT）	量産ラインにおけるICT（回路内試験）およびFCT（機能試験）を通じて不良品を迅速に排除できるようにするため、PFC高電圧コンデンサの両端およびFPCの重要な信号ライン上に、専用のテストポイントを確保する必要があります。 マルチメーターを用いた目視検査に依存することは固く禁じられています。.

なぜ F 電子製品にとってPCB設計は極めて重要である ?

フレキシブルプリント基板（FPCB）の設計は、現代の電子製品の開発において極めて重要な役割を果たしています。適切に設計されたFPCBがなければ、電子機器は安定した動作を維持することが困難になります。スマートフォン、医療機器、IoTデバイスなど、どのような機器であっても、期待通りに動作させるためにはFPCBが不可欠です。.

適切に設計されたFPCBは、電子製品の機能性、信頼性、および性能を左右します。FPCBは、特にワイヤレス接続などの高度な機能を備えた現代のデバイスの複雑さを管理するのに役立ちます。例えば、IoTデバイスでは、限られたスペース内に複数の部品を収めるために、コンパクトで効率的な回路基板が必要となる場合が多くあります。 高度なFPCB技術により小型化が可能となり、より小型で持ち運びやすいデバイスの開発が可能になります。.

高効率なFPCB設計は、コスト削減にもつながります。レイアウトや組立工程を最適化することで、材料の無駄や製造コストを最小限に抑えることができます。このコスト効率の良さは、民生用電子機器や大型の産業用製品を開発する際に極めて重要です。.

シグナルインテグリティは、F PCB設計におけるもう一つの重要な要素です。適切に設計された基板であれば、信号の歪みやクロストークなどの問題を回避し、部品間の円滑な通信を確保することができます。電磁両立性（EMC）も同様に重要です。EMCを考慮することで、電磁干渉による誤動作を防ぎ、機器が規制基準を満たしていることを保証することができます。.

FPCBの設計が不適切だと、性能の低下や、場合によってはデバイスの完全な故障につながる可能性があります。適切な設計手法を優先することで、こうした問題を回避し、高品質な製品を提供することができます。単純な回路の開発であれ、複雑なシステムの開発であれ、FPCBの設計を習得することは、エレクトロニクス分野で成功を収めるために不可欠です。.

Geyuan Electronicsは、FPCBの製造と組立を単一の工場ワークフローに統合しています。.

Geyuan Electronicsは、FPCベア基板の製造およびFPCB組立サービスを提供しています。これは、製造上の細部がSMT、スルーホール、および機械的組立に直接影響を与えるため、特に高度な回路基板において重要です。 VIPPOプロセス（圧着プロセス）はBGAのはんだ付けに影響を与え、圧入穴はコネクタの挿入に影響を与えます。また、フレキシブル基板やリジッドフレックス基板には適切な支持が必要であり、セラミック板や銅板は放熱特性に変化をもたらし、エッジコネクタや特殊な表面処理は最終的な機械的インターフェースに影響を与えます。.

製造と組立を連携させることで、PCBの生産リリース前に、パネルレール、基準マーク、ビア処理、表面処理、デパネリング、制限区域、および試験戦略を確認することができます。部品の調達、SMT/THT実装、プログラミング、または機能試験を必要とする項目については、Geyuan ElectronicsのワンストップPCB組立ワークフローを通じて進めることができます。.

まとめると

優れたFPCB設計は、安定した動作を保証するだけでなく、電子製品全体の成功の基盤を築くものでもあります。時間をかけてこれらの設計原則を理解し、ワークフローに取り入れることで、スムーズかつ効率的なFPCB製造を実現することができます。.

要約すると、FPCBの製造および組立工程は極めて複雑かつ緻密であり、あらゆる細部に細心の注意を払う必要があります。しかし、多くの工程や部品が関与しているため、FPCBにおけるエラーや欠陥はしばしば避けられないものです。 とはいえ、必要な安全対策や設計上の配慮をすべて遵守し、確立された基準に従って設計および製造プロセスを遂行するために全力を尽くし、最終的に量産される製品が要求される品質基準を満たすようにする必要があります。FPC製品の大量製造をご希望の場合は、無料の製造可能性分析および製造サービスについて、弊社までお問い合わせください。.