PCB補強材： フレキシブル回路に不可欠な要件

　プリント基板補強材は、PCBに機械的なサポートを提供する際に重要な役割を果たします。補強材はフレキシブル回路基板に特に役立ちます。部品がフレックスゾーンに配置され、これらの部品の重量がフレックス材料にストレスを与える場合、スティフナーは特に必要とされます。これらの部品は、フレキシブル部分からソリッド基板への剛性接続を提供します。この堅固さにより、相互接続や部品のはんだ付けが容易になり、フレキシブル部分を通る回路が完成します。

　また、SMTパッド部品を配置するために、剛性の高いプリント基板表面を作成する必要がある場合にも使用されます。また、複数挿入が必要なコネクターには、パッドのストレスを軽減するためにスティフナーが必要です。スティフナーの用途をもう少し詳しく見てみましょう。フレキシブルプリント基板にスティフナーが必要なのは、次のような場合です：

・フレキシブルを他の基板や電源に接続する必要がある。

・PCBのフレキシブル素材に部品を取り付ける必要がある。

・ 取り付けた部品がフレキシブルPCBに重くなりすぎる。

・複数回の挿入が必要なコネクターは、接続パッドにストレスを与える可能性があります。

フレキシブルPCB設計におけるスティフナーの役割

　フレキシブルプリント回路（FPC）の補強材は、一般的にポリイミドやFR4などの材料で作られた硬い層で、フレキシブルPCBの特定の領域に追加されます。機械的なサポートと補強を提供し、コネクターエリアや取り付けポイントなどのデリケートな領域での曲げやたわみを防止します。補強材は耐久性を向上させ、高ストレス領域での信頼性を高め、重要な部分でFPCの全体的なフォームファクターを維持するのに役立ちます。

PCB補強材の様々な用途とは？

　PCBに必要な補強材のタイプは多くの要因によって異なります。補強材には3つのタイプがあり、それぞれに長所と短所があります。各タイプの補強材には、利用可能な厚さの典型的な範囲があります。必要な補強材が厚ければ厚いほど、PCBと回路の全体的な設計に影響します。それぞれを見てみましょう。

1. FR4補強材

　FR4は、一般的にPCBを製造する際に使用される基板と同じものです。エポキシ樹脂、強化ガラス繊維、銅でできた固い素材です。このため、補強材として最も広く使われている材料でもあります。FR4の厚さは、0.003インチから0.125インチの間です。FR4補強材の主な利点は以下の通りです：

・ピックアンドプレースおよびリフロー組立工程で、強固で平坦なサポートを提供する。

・強固な導電性材料のため、メッキスルーホール（PTH）コネクタの適用が容易。

・コスト効率の高いソリューションを提供し、フレキシブルプリント基板を類似材質のソリッドプリント基板とシームレスに統合できる。

2. ポリアミド（PI）

　ポリアミド補強材は、カプトンのような高温ポリマーで薄く強固な層を形成することによって作られます。これらのポリマー層を積み重ねることで、最終製品の要件に応じて、より厚く強固な補強材を作ることができます。ポリアミド補強材の厚さは通常、0.001インチ、0.002インチ、0.003インチ、0.005インチがあります。PIスティフナーを使用する主な理由は以下の通りです：

・はんだ耐熱性と高い接着強度に優れている。

・層数が多いほどPCBの曲がりが制限され、組み立てが容易になります。

・穴位置の耐摩耗性を高め、長期的な損傷を軽減する。

・ZIFコネクターやソケットのような追加挿入に容易に適応できる。

3. アルミニウム/ステンレススチール

　PIやFR4よりもはるかに高価ですが、ステンレス鋼とアルミニウムは、困難な回路に理想的な多くの利点を提供します。アルミニウム/ステンレススチールの厚さは0.1mmから0.45mmの間で変化します。以下のような利点があります：

・コネクター内の強靭で堅牢なセキュリティ

・耐腐食性

・部品成形性の向上

・スティフナーの厚さ

PCB補強材の設計上の考慮事項

　補強材を回路に取り付ける場合、熱と圧力が使用されます。感圧接着剤を使用してPCB補強材を取り付けることもできます。 PCB設計に補強材を組み込む際には、いくつかの要素を考慮する必要があります：

基板のサイズと厚さ： 基板のサイズと厚さ：基板が大きく薄い場合、一般に、より実質的な補強が必要です。

部品レイアウト： PCB上の部品の分布と重量は、必要な補強材の配置と設計に影響します。

環境条件： 使用環境の温度変動、湿度、振動レベルを考慮する必要があります。

電気的性能： 補強材は、シグナルインテグリティやEMIシールドなど、PCBの電気的特性を阻害しないようにする必要があります。

製造プロセス： 補強材の設計は、PCB製造および組立工程に適合していなければならない。

コストの考慮： 補強材材料の選択と設計の複雑さは、PCB全体のコストに影響します。

PCB設計との統合

PCB設計プロセスに補強材を統合するには、いくつかのステップが必要です：

1- 初期の計画： 最初のPCBレイアウト段階で補強材の要件を検討します。

2- 材料選択： PCB基板と用途に適合する補強材を選択します。

3- 熱解析： 補強材がPCBの熱特性に与える影響を評価します。

4- 機械シミュレーション： 有限要素解析（FEA）を使用して補強材の設計と配置を最適化します。

5- 製造上の考慮事項： 補強材の設計がPCB製造および組立工程に適合していることを確認します。

6- 試験と検証： 補強材設計の有効性を検証するために試作と試験を実施します。

補強材の取り付け方法

　メッキスルーホールアセンブリ部品を使用する場合、部品と同じ側でフレキシブルPCBにスティフナーを取り付けます。これにより、分解することなくコネクタ下のはんだパッドにアクセスできるため、必要に応じて反対側に2つ目のスティフナーを簡単に取り付けることができます。

補強材は、熱接着または感圧接着剤で所定の位置に密閉されます。

熱接着： 補強材は熱と圧力で効果的に溶融し、コンポーネントを損傷しません。これにより、より強固な接着が可能になり、使用時の安全性が高まります。しかし、この方法はより高価で時間のかかるオプションです。PCBとそのコンポーネントに大きなダメージを与えずにスティフナーを取り外すことはできません。

感圧接着剤： この方法は圧力を使って補強材を貼り付けるだけで、永久的ではありませんが、より安価で迅速です。そのため、このオプションは民生用電子機器に最適で、問題が発生した場合はかなり簡単に取り外すことができます。

補強材の配置と構成

最適な性能を得るためには、補強材の効果的な配置が重要です。一般的な構成は以下の通りです：

フルボード・スティフナー： PCBエリア全体をカバーし、最大限のサポートを提供しますが、重量とコストが増加する可能性があります。

部分的な補強材： 重量のある部品やたわみやすい部分など、追加サポートが必要なPCBの特定の領域に適用されます。

エッジ補強材： PCBのエッジを補強し、屈曲を防ぎ、組み立て時の取り扱いを改善します。

局部補強材： 特定の部品または懸念される領域をサポートするために使用される、小型で的を絞った補強材。

リジッド-フレキシブルプリント基板設計のヒント

1. 異なる厚さのFPCを扱う場合は、最大曲げ半径を念頭に置いてください。

2. 基板やオーバーレイが曲がる部分では、不連続を避ける。

3. ティアドロップを追加することで、スルーホールの安定性と剛性を高めることができます。設計にティアドロップを追加する方法については、EasyEDAのチュートリアルページをご覧ください。

4. PCBの主電子回路の下に補強材を使用する。

5. PCBの角が破れないように、角を丸く、少し大きくする。

6. スティフナー周辺では、エッチングによるマーキングが可能である一方、シルクスクリーンによるマーキングはできない。

設計に関連する詳しい情報は、ArduinoボードのフレックスPCBに関する記事を参照してください。

リジッドフレキシブルとリジッドフレキシブルPCBの違い

　補強材をどのように使用するかによって、得られるPCBのタイプが変わります。これらはリジッドフレキシブルまたはリジッド化フレキシブルPCBとして知られています。PCBの剛性を向上させるには、アセンブリの機能とサポートの必要性に基づいた慎重なプランニングが必要であり、タスクに適したスティフナーを使用する必要があります。これらの違いは以下の通りです：

・リジッドフレキシブル： スティフナーは電気的接続を提供し、PCBの機能部品となります。

・リジッド済みフレキシブル：スティフナーはPCBの機能に影響を与えることなく機械的サポートのみを提供し、アセンブリを助け、強度を追加します。

結論：

　部品やコネクタを保護するために回路に剛性が必要な場合、PCBスティフナーを使用する利点は言い過ぎではありません。そうすることで、回路が曲がらないようにし、はんだ接合部の完全性を保護することができます。FR4をスティフナー材として使用し、回路の特定エリアをリジッド化するのが一般的です。

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