フレックス PCB の銅の厚さ: 電流と曲げ寿命

2 つのウェアラブル プログラムは、同じ回路図で始まり、まったく異なる場所で終了することがあります。あるチームは、「銅が多いほど信頼性が高い」という理由で、どこでも 1 オンスの銅を選択しましたが、EVT 中に、8,000 回のヒンジ サイクル後にダイナミック テールに亀裂が入ることを発見しました。別のチームは、静的電力セクションにのみ 1 オンスを使用し、曲げ領域を 0.5 オンスの圧延焼きなまし銅に落とし、安定した抵抗で 100,000 サイクルを超えました。その違いは運ではありません。銅の厚さの規律です。

15 年間にわたるフレックス回路の見積りと DFM レビューの中で、銅の決定は、製造可能な設計を現場返却プロジェクトから分離する最速の方法の 1 つでした。曲げひずみ、最小配線幅、エッチング耐性、積層厚さ、積層難易度、最終単価を一度に設定します。選択が遅れると、他のすべてのデザイン選択との戦いが始まります。

このガイドでは、電流容量、曲げ寿命、インピーダンス、コストが逆方向になる場合に、フレックス PCB の銅厚を選択する方法について説明します。目標は、単一の「最高の」銅重量を記憶することではありません。これは、いわゆる 銅重量の罠、つまり配線、スタックアップ ゾーニング、または機械的アーキテクチャで解決すべき電気的問題を解決するために厚い銅を指定することを回避するためです。

銅の厚さがフレックス PCB の第一次決定である理由

銅の厚さは、電気的動作と機械的動作の両方に即座に影響を与えるため、一次設計変数です。リジッド PCB では、設計者は多くの場合、銅の重量を追加して、多少のコスト増加を受け入れることができます。フレックス PCB では、同じ変更により剛性が向上し、銅が中立軸から遠ざかり、最小曲げ半径が増加し、微細フィーチャのエッチングが困難になります。電気的には保守的に見える選択も、機械的には積極的になる可能性があります。

この緊張が最も重要になるのは次の 4 つの状況です。

• 10,000 ～ 1,000,000 サイクルに耐える必要がある動的曲げセクション
• 過度の温度上昇なしに 1 A 以上を伝送する必要がある電源配線
• 銅プロファイルがインピーダンス許容差を変える制御されたインピーダンス・トレース
• ミクロン単位で剛性を高める多層フレックスまたはリジッドフレックススタックアップ

実際的なルールは簡単です。電流を安全に処理できる最も薄い銅を選択し、銅の質量を追加する前に形状で電流マージンを追加します。私たちの フレックス PCB 設計ガイドライン と 曲げ半径ガイド はどちらも同じ真実を示しています。つまり、可動回路では厚さが自由になることはありません。

「フレックス PCB では、銅は単なる導体ではありません。銅はバネであり、疲労要素であり、コスト要因でもあります。計算ではなく習慣によって銅の重量を増やすと、通常、その決定に対して曲げ信頼性、エッチング歩留まり、リード タイムの 3 倍の代償を払うことになります。」

— Hommer Zhao 氏、FlexiPCB エンジニアリング ディレクター

標準銅重量とその実際の意味

ほとんどのフレックス PCB の議論ではオンスという言葉が使用されますが、ミクロン単位で考えるとエンジニアリング上の決定が容易になります。一般的な開始オプションは 12 um、18 um、35 um、70 um、場合によっては 105 um です。各ステップの変化は電流容量よりもはるかに大きくなります。

多くのチームは、製品にダイナミックな動きがあるかどうかを尋ねることなく、0.5 オンスから 1 オンスに直接ジャンプするため、この表は重要です。組み立て中にのみ使用される静的な折り目では、1 オンスが完全に適切な場合があります。ウェアラブル ヒンジでは、環境ストレス スクリーニング後にプロトタイプが失敗するまさにそれが原因となる可能性があります。

2 番目の実用的な点は、実際に完成した銅は処理後に変化する可能性があるということです。ベースの銅、メッキ、表面仕上げはすべて、最終的な導体のプロファイルに影響を与えます。そのため、インピーダンスと曲げの計算には、積層板のカタログ値だけでなく、完成した銅の仮定を使用する必要があります。

電流容量と曲げ寿命: 重要なトレードオフ

銅が厚くなると、断面積が増加するにつれて抵抗が低下するため、電流容量が向上します。しかし、銅の厚さが厚くなると、外側の銅層の歪みが厚さとスタックアップの高さとともに増加するため、曲げ寿命も短くなります。したがって、フレックス設計は、単一の指標に基づいた最適化ではなく、制御された妥協です。

選択を組み立てる最も簡単な方法は、設計意図に基づいて選択することです。

ここで銅錘のトラップが登場します。エンジニアは、狭い配線での電圧降下や温度上昇を発見し、銅線を 2 倍にすることで問題を解決します。多くの場合、より良い修正は、トレースを 20% ～ 40% 広げるか、ルートを短くするか、リターン パスを追加するか、または 1 本の太い線をベンド ゾーンの外側で 2 本の平行な導体に分割することです。これにより、電力予算を満たしながら回路の柔軟性が維持されます。

より広い材料の見方については、フレックス PCB 材料ガイド で、公称オンス値が同じでも、ポリイミド の厚さ、接着剤システム、銅の種類によって結果がどのように変化するかについて説明しています。

実際のしきい値を備えた実用的な選択フレームワーク

使用可能な銅線のルールは数字で始まる必要があります。以下のしきい値は普遍的な法則ではありませんが、ほとんどのフレックス プログラムにおける DFM レビューの強力な出発点となります。

1. フレックス セクションが繰り返し曲がり、トレースあたりの電流が 0.5 A 未満の場合は、12 ～ 18 um RA 銅から始めます。
2. 取り付け後にセクションが静的で、トレースあたりの電流が 0.5 ～ 1.5 A である場合は、18 ～ 35 um 銅線から始めて、曲げ半径を確認します。
3. 可動領域内のいずれかの導体が継続的に 1.5 A を超える電流を必要とする場合は、デフォルトの 70 um 銅線を使用する前にアーキテクチャを再設計してください。
4. 曲げ部分の完成したスタックアップの厚さが約 0.20 mm を超える場合は、必要な曲げ半径がまだエンクロージャに適合するかどうかを再確認します。
5. 1 Gbps を超える高速差動ペアがフレックスを通過する場合は、より重いフォイルを求める前に、銅線を薄くし、ジオメトリをよりタイトに保ちます。

電流、熱、曲げが同じ場所でピークに達することはほとんどないため、これらのしきい値は重要です。医療用ウェアラブル用のフレックス ボードでは、1 つの静的ブランチで 1.2 A の充電電流が必要で、可動ネックではわずか 50 mA のセンサー電流が必要な場合があります。両方のリージョンに 1 つのグローバル銅重みを使用することは、怠惰なエンジニアリングです。設計をゾーニングすることで、製品の安全性と製造可能性の両方が保たれます。

「顧客が、1 つのブランチが 1.8 アンペアを伝送するため、フレックス全体に 2 オンスの銅線が必要だと私に言うと、アーキテクチャを再設計しようとしていることがわかります。電力密度はローカルであり、フレックス ペナルティはグローバルです。適切なスタックアップは、ボードが動かない場所での大電流を隔離します。」

— Hommer Zhao 氏、FlexiPCB エンジニアリング ディレクター

銅の種類が銅の厚さと同じくらい重要である理由

35 um 銅線のコールアウトは、銅線タイプにも対応しない限り不完全です。ダイナミックフレックスの場合、圧延焼鈍銅と電着銅は同じようには動作しません。圧延焼鈍銅は伸びと耐疲労性に優れているため、可動回路にデフォルトで推奨されています。電着銅は静的フレックスやコスト重視のビルドでは許容できますが、回路が繰り返しのサイクルに耐える必要がある場合にはお買い得ではありません。

重要なのは、ED 銅が悪いということではありません。それは、厚さと銅の種類が相互作用することです。 18 um RA 設計は、同じ移動アプリケーションにおいて 35 um ED 設計よりも大幅に寿命が長くなります。オンス値だけを比較すると、フィールド寿命を実際に決定する変数を見逃してしまいます。

同じ考え方は、より広範な IPC のガイダンスでも見ることができます。導体周囲の機械的コンテキストは、導体自体と同じくらい重要です。

厚さによって製造歩留まりとコストがどのように変化するか

銅の厚さは、購入者が過小評価しがちな方法で製造に影響を与えます。銅が厚いときれいなエッチングのために広い間隔が必要になり、ファインピッチのイメージングが難しくなり、より積極的な補正が必要になる可能性があり、カバーレイの位置合わせやラミネート圧力に追加のプロセス制御が必要になる場合があります。

引用的に言えば、18 um から 35 um に移行すると、コストが若干増加する可能性があります。 35 um から 70 um に移行すると、多くの場合、会話全体が変わります。パネル使用率が低下し、最小機能サイズが緩和され、スクラップのリスクが増加し、プロトタイプのリードタイムが数日伸びる可能性があります。調達チーム向けに、当社の フレックス PCB コスト価格ガイド では、材料コストが最終プレミアムのほんの一部にすぎない理由が説明されています。

表の下にある実際的なポイントは次のとおりです。設計上の問題がトレース ジオメトリ、銅線ゾーニング、または別個の強化された電源分岐によって解決できる場合、そのパスは通常、銅の厚さを世界的に増やすよりも安価になります。重い銅は最初ではなく最後の電気的修正であるべきです。

高速信号、インピーダンス、銅線プロファイル

銅の厚さによっても信号の完全性が変化します。高速フレックス設計では、完成した銅プロファイルがターゲットの配線幅、インピーダンス許容差、挿入損失に影響します。銅を厚くすると低損失電力に役立ちますが、導体の形状がすでにタイトな場合、正確なインピーダンス制御が難しくなります。

50 オームのシングルエンドまたは 90 ～ 100 オームの差動配線の場合、通常は 12 ～ 18 μm の銅線を使用するのが簡単です。これにより、より狭い補正範囲とよりスムーズなエッチング制御が可能になります。 35 um 以上にすると、トレース プロファイルの影響が大きくなり、スタックアップ ウィンドウが厳密に制御されていない場合、同じ公称幅でも処理後に許容誤差を超えてしまう可能性があります。

これが、多くの高速製品が機能を分離している理由の 1 つです。カメラ、ディスプレイ、センサーの相互接続には薄い銅線が使用されています。電力供給が静的ブランチまたはリジッドセクションに存在する場合にのみ、より重い銅線が使用されます。言い換えれば、1 つのネット クラスに対する電気的な応答が、他のすべてのネット クラスの機械的な負担になる必要はありません。

厚い銅が正しい答えである場合

薄い銅は道徳的な美徳ではありません。より重い銅がまさに適切な場合があります。

• 一度取り付けてから補強材で固定するバッテリー相互接続フレックス
• 抵抗負荷と熱拡散が設計の優先順位を占めるヒーター回路
• 低いサイクル数と十分な曲げ半径を備えた産業用機器の配電テール
• リジッドフレックス設計により、フレックスジャンパーは薄いままで、リジッドセクションに 35 ～ 70 um の銅を維持します。

ルールは動きに対する誠実さです。回路が本当に静的で、エンクロージャが十分な半径を与える場合、35 um または 70 um の銅線が最もリスクの低い選択肢となります。組立技術者が繰り返し曲げたり、サービスチームが修理中に折り畳んだり、エンドユーザーが毎日製品を動かしたりしているにもかかわらず、チームがそのセクションを静的であると表現すると、問題が始まります。

「フレックス銅の間違いのほとんどは計算ミスではありません。それらは分類ミスです。製品仕様にそのように記載されているため、チームは曲げを静的とラベル付けしますが、組み立てラインでは5回曲げられ、サービスマニュアルでは再度曲げられ、ユーザーは実際にねじります。銅の厚さは楽観的なものではなく、実際のサイクル数に耐える必要があります。」

— Hommer Zhao 氏、FlexiPCB エンジニアリング ディレクター

スタックアップをリリースする前の DFM チェックリスト

製造データを公開する前に、フレックス銅の決定ごとに次のチェックリストを実行してください。

• どの領域が動的、半静的、そして真に静的であるかを識別する
• 基板全体の電流だけでなく、導体ごとの電流を定義します
• 数十の意味のある曲がりを超えると予想される領域には RA 銅を選択します
• 銅の厚さ、ポリイミド、接着剤を合わせて曲げ半径の目標を満たしていることを確認します。
• 公称 CAD 幅だけでなく、エッチング補正後の最小トレースと間隔を確認します。
• ビア、パッド、スティフナーのエッジをアクティブな曲げアークから遠ざけてください。
• 可能な場合、大電流ゾーンを高速信号ゾーンから分離します。
• 選択した銅が設計を特殊プロセスの領域に押し込むかどうかを製造者に尋ねます
• RFQ の銅重量と銅の種類の両方の状態を確認します。

このチェックリストは退屈ですが、高価なエラーを見つけます。製造業者は、驚くほど多くの危険なフレックス ボードを製造できます。さらに難しい問題は、サーマル サイクル、アセンブリの取り扱い、および 6 か月の現場使用の後でもボードが動作するかどうかです。

バイヤーとデザイナーのためのシンプルな意思決定ツリー

見積り中または早期のスタックアップ計画中に迅速なルールが必要な場合は、この短いデシジョン ツリーを使用してください。

1. 通常の製品使用でフレックスが繰り返し動きますか? 「はい」の場合は、12 ～ 18 um RA 銅から始めます。
2. その可動領域での電流要件は 1.5 A を超えて連続していますか? 「はい」の場合は、銅線を増やす前に導体パスを再設計するか、電源分岐を分離します。
3. インストール後、領域は静的ですか? 「はい」の場合、通常は 18 ～ 35 um の銅が正常範囲です。
4. 35 um を超えているのは、1 つの分岐での電圧降下だけですか? 「はい」の場合は、まずトレースの拡張、並列配線、またはリジッドフレックス ゾーニングを比較してください。
5. 身長は 70 um 以上ですか? 「はい」の場合は、その設計を特別なパワーフレックスとして扱い、製造可能性を早期に検討してください。

このフレームワークは完全なスタックアップ レビューに代わるものではありませんが、移動する相互接続にパワーボードの考え方を適用するという、最も一般的なオーバースペックの間違いを防ぐことができます。

参考文献

1. IPC の概要とフレキシブル回路規格の背景: IPC (エレクトロニクス)
2. ポリイミド ラミネートの材料背景: ポリイミド
3. 導体の基礎と銅の特性: 銅
4. フレックス基板のフィルム材料の背景: Kapton

よくある質問

ダイナミック フレックス PCB に最適な銅の厚さはどれくらいですか?

ほとんどのダイナミック フレックス回路では、12 ～ 18 um の圧延焼鈍銅が最も安全な出発点となります。これは、ひずみを低く抑え、疲労寿命を長く保つためです。設計が 10,000 または 100,000 サイクルに耐える必要がある場合は、まずそこから始めて、35 um 銅線に移行する前に、トレース幅、平行導体、またはゾーニングで電流のニーズを解決します。

組み立て中に 1 回だけ曲がるフレックス PCB に 1 オンスの銅を使用できますか?

はい。曲げ半径が十分に大きく、スタックアップの機械的なバランスが保たれている場合、1 回限りの折り曲げまたは低サイクル折り曲げでは、多くの場合 35 um 銅を使用できます。重要なのは、実際の取り扱いプロファイルを検証することです。製品が顧客に届くまでに、組み立て、テスト、再加工、およびサービスにより 10 を超える曲げが追加される場合があります。

フレキシブル回路には 2 オンスの銅が現実的ですか?

これは、静的な領域や強くサポートされている領域には現実的ですが、通常は動的な曲げゾーンには適していません。完成銅が 70 μm になると、エッチングが難しくなり、剛性が急激に上昇し、必要な曲げ半径が大きくなります。 2 オンスは、デフォルトのフレックス オプションではなく、特殊用途のパワー ソリューションとして扱います。

銅線を厚くすると配線幅の圧力が減るため、常にフレックス PCB の総コストが下がりますか?

いいえ。銅を厚くすると DC 抵抗を減らすことができますが、配線と間隔のルールを広く強制し、パネルの効率を低下させ、より厳格な DFM レビューを行うことになるため、基板の総コストが増加することがよくあります。多くの場合、配線幅が広い 18 um 銅線は、歩留まりが低下する 35 um 銅線よりも安価です。

フレックス PCB 製造の RFQ で銅をどのように指定すればよいですか?

銅の厚さと銅の種類の両方と、それぞれが適用される場所を記載します。例: ダイナミック フレックス テールには 18 um RA 銅、リジッド パワー セクションには 35 um 銅。場所や材料の種類を指定せずに「1 オンスの銅」だけを言うと、サプライヤーは実際の信頼性の目標と一致しない可能性があるより単純な仮定を引用することになります。

銅の厚さはフレックス回路のインピーダンス制御に影響しますか?

はい。完成した銅の厚さによってトレースの形状が変化し、したがってインピーダンスが変化します。約 1 Gbps を超える 50 オームまたは 100 オームのフレックス相互接続では、エッチング補正や導体プロファイルが最終結果に与える影響が少ないため、通常、12 ～ 18 μm 銅の方が 35 μm 銅よりも制御が容易です。

Final Recommendation

直感で銅の厚さを選択している場合は、立ち止まって、問題を移動ゾーン、静的ゾーン、電流密度、およびインピーダンス クラスに分けてください。フレックス スタックアップの成功のほとんどは、1 つの数字で答えるのではなく、混合戦略です。移動セクションでの作業に安全に適合する最も薄い銅を使用し、大電流と厚い銅を曲がらないゾーンに移動します。

リリース前に製造可能性のレビューが必要な場合は、フレックス PCB エンジニアにお問い合わせ または 見積もりをリクエスト してください。最初のツールのリリース前に、銅線ゾーニング、スタックアップの厚さ、RA と ED の選択、DFM 制限を確認できます。