リジッドフレックス基板の層構成：フレックスコアのZ方向位置と材料選定

「二つの層構成を貼り合わせる」という考え方が失敗する理由

リジッドフレックスの層構成は、たいてい次のように描かれます。リジッド部を通常の多層基板と同じ手順で積み上げ、中央にフレックスコアを挿入し、フレックス領域のプリプレグを窓抜きする。表は埋まり、総厚も合い、インピーダンスも計算済み。層構成確定、となります。

この手順では、リジッドフレックス基板の寿命を実際に決める唯一の量が抜け落ちています。屈曲時に、フレックスコア内の銅が引張を受けるのか圧縮を受けるのかです。

通常の多層基板の層構成表は静的な材料リストです。各行が材料と厚さであり、順序が正しければ作業は終わります。リジッドフレックスの層構成表は静的ではありません。フレックス部は組立時に屈曲され、その瞬間に表のすべての行が応力状態に入ります。屈曲中性面から遠い銅層ほど大きなひずみを受け、中性面上の銅層はほとんど受けません。

したがってリジッドフレックスの層構成確定の本当の判断基準は「厚さが合っているか、インピーダンスが合っているか」ではなく、フレックスコアの銅がZ方向のどこに来るかです。これは層構成設計の最初の一歩で決める必要があります。リジッド部を組み上げた後に挿入するのでは遅い。フレックスコアの位置が決まった時点で、リジッド部の層数、層数の偶奇、対称性、総厚がすべて同時に固定されるからです。

> この基板をリジッドフレックスにするか、リジッド基板と別体のフレックスジャンパーに分けるかを検討中であれば、それは一つ前の問題です。リジッドフレックスとフレックス基板の構造境界を参照してください。本稿はリジッドフレックスの採用が決定済みであることを前提とします。

原則1：フレックスコアのZ方向位置が他のすべてに優先する

フレックス銅1層：中性面にできるだけ近づける

屈曲部を横断するフレックス銅が1層だけであれば、層構成はその銅をフレックス部の厚さ中心にできるだけ近づけて配置すべきです。フレックス部が屈曲するとき、その中性面はおおむね当該部の厚さの中央に位置します。カバーレイ、接着フィルム、ポリイミド基材の弾性率差によって位置はずれますが、オーダーとしては中央付近に留まります。

ここから二点が導かれます。

• フレックス部の上下のカバーレイは対称にすべきです。片側が厚く片側が薄いと中性面は厚い側へ移動し、銅はそこから遠ざかります。
• フレックスコアが片面構成（ポリイミド1層＋銅1層）の場合、銅は本質的に偏心しています。この場合、対称なカバーレイで銅を中央側へ引き戻すことが、層構成レベルで可能な唯一の補償手段です。

フレックス銅2層：対称は要求事項であり、好みではない

2層のフレックス銅が屈曲部を横断する場合、必然的に1層は中性面の上、1層は下に位置します。屈曲時には一方が引張、他方が圧縮となります。この状況で可能なのは、両層を中性面に対して厳密に対称に構成することだけです。同じポリイミド厚、同じ銅厚、同じカバーレイ構成にします。

対称が崩れると両層のひずみは等しくなくなり、先に破断するのは常に外側の層です。層構成表における「上はカバーレイA、下は在庫にあるB」という一つの判断だけで、この基板の屈曲寿命は2層のうち弱い側の寿命に下がります。

フレックス銅3層以上：まず設計に戻る

屈曲部を横断するフレックス銅の層数がさらに増えると、最外層と中性面との距離は必然的に大きくなり、ひずみも増大します。ここで問うべきは、これらの層がすべて屈曲部を横断する必要があるのか、という点です。現実的な代替案としてよく採られるのは、屈曲部のフレックス層数を1〜2層に抑え、残りの層間接続をリジッド部で完了させることです。積層全体を一緒に曲げる必要はありません。

SKPCBのリジッドフレックス対応能力は最大20層（技術確認値）です。ただしこの20層は基板全体の層数であり、屈曲部に20層のフレックス銅を通せるという意味ではありません。屈曲部のフレックス層数、屈曲半径、屈曲回数要求は一括して技術審査に提出する必要があります。全体層数の上限から逆算することはできません。

原則2：屈曲半径と層構成厚は相互に拘束する

屈曲半径は組立段階で決まる量ではありません。層構成段階で層構成厚によって既に固定されています。

SKPCBのフレックス製品仕様が示すのは屈曲半径が基板厚の6倍以上という条件です。ここでいう「基板厚」はフレックス部の厚さであり、リジッドフレックス基板全体の総厚ではありません。この関係は双方向に働きます。

• 機構側から屈曲半径が与えられる（通常は筐体スペースで決まる）と、フレックス部の厚さに上限が生じます。
• フレックス部の層構成（層数、ポリイミド厚、カバーレイ、接着剤の有無）が実際の厚さを決め、したがって実現可能な最小屈曲半径を決めます。

実務上の順序は、まず機構側から使用可能な屈曲半径を受け取り、そこからフレックス部の厚さ予算を逆算し、その予算内でフレックス層数と材料を決める、というものです。逆に進めると——信号要求に合わせてフレックス層を詰め込んでから機構側に曲がるかを尋ねる——通常は「曲がらない」という回答になります。

もう一つの区別として、組立時の一回曲げと動的な繰り返し屈曲があります。前者は組立時に一度曲げて固定し、後者は製品寿命を通じて繰り返し屈曲します（折りたたみ、スライド、可動ヒンジ）。両者はフレックス層数、銅箔種別、屈曲半径の要求において同じオーダーにありません。この使用条件は設計入力として技術審査に提出すべき項目で、層構成表のどの一行よりも実現可能性を左右します。

原則3：接着剤系か接着剤レス系かは、接着強度以上のものを決める

フレックスコアとカバーレイには二つの材料系があり、その差は「ちゃんと付くか」をはるかに超えて効いてきます。

層構成判断に実際に効くのは次の三点です。

一、厚さ予算。 接着層が占める厚さは屈曲半径の予算から直接差し引かれます。屈曲半径が厳しい設計では、接着剤レス系は性能上の好みではなく厚さ上の必然になることが多い。

二、遷移領域の層間挙動。 リジッド部とフレックス部の境界は基板全体で最も応力が集中する箇所です。接着層はそこで両側の材料とは異なる挙動をする柔らかい中間層になります。これを工程上どう扱うかは遷移領域の製造技術の範疇であり、リジッドフレックス遷移領域の製造を参照してください。本稿では繰り返しません。層構成レベルで必要な認識は、接着剤系を選んだ時点で遷移領域の構造方案も併せて確定しなければならないということです。材料を先に決めて遷移領域を後で考える、という順序は成立しません。

三、熱サイクル中のZ方向挙動。 多層リジッドフレックス基板は積層プレスとその後の実装リフローで複数回の熱サイクルを経ます。接着剤、ポリイミド、エポキシプリプレグのZ方向膨張挙動は一致しません。層数が増えるほど、この不一致は界面にわたって累積します。これがリジッドフレックスの層数上限が通常の多層基板よりはるかに低い根本理由の一つです。

カバーレイ自体の材料選定（ポリイミドカバーレイか感光性レジストか、接着剤の有無）は、純フレックス基板の文脈で既にフレックス基板のカバーレイとポリイミド材料選定で扱っています。リジッドフレックスで追加的に注意すべきは、カバーレイの選択が逆方向に作用して実現可能なリジッド層数を制限することです。フレックス領域におけるカバーレイの厚さと挙動が、リジッド部のプリプレグ窓抜き縁での充填と突き合わせ方式を決めるためです。

三つの材料組合せとその境界

実際に製造されるリジッドフレックス層構成は、おおむね三つの組合せに収まります。

組合せA：ポリイミドフレックスコア＋エポキシプリプレグのリジッド部（最も一般的）

フレックス部にポリイミド、リジッド部に通常のFR-4系コアとプリプレグを使い、フレックス領域のプリプレグを窓抜きします。

• 適用：組立時一回曲げ、中程度の層数、リジッド部に通常の多層配線要求がある設計の大多数。
• 境界：ポリイミドとエポキシのZ方向膨張不一致が層数増加とともに累積する。フレックス領域上の窓抜き縁は樹脂流動と応力の両面で敏感。
• 技術判断点：フレックスコアのZ方向位置、および窓抜き縁と屈曲開始点との位置関係。

組合せB：全ポリイミド構成

積層全体をポリイミド系で構成し、エポキシプリプレグを使いません。

• 適用：基板全体でより高い耐熱性が必要な場合、またはリジッド部もフレックス部と同じ材料挙動を求められる場合。
• 境界：組合せAよりコストが著しく高い。入手可能な品番が少ない。リジッド部の「剛性」はFR-4ではなくポリイミドの厚みから得られるため、厚さ効率が低い。
• 技術判断点：リジッド部に本当に同一材料が必要なのか、それとも材料界面を避けたいだけなのか。

組合せC：ハイブリッド構成（局所補強）

フレックスコアが基板全体を貫通し、剛性は実装・組付が必要な局所領域のみでスティフナーまたは局所積層によって実現されます。

• 適用：屈曲部が多く、リジッド領域が小さく分散し、全体に薄型軽量が要求される設計。
• 境界：補強領域と非補強領域の境界自体が応力集中点になる。パネル寸法と平坦度の管理難度が上がる。
• 技術判断点：補強を層構成内で実現するか、後工程で貼り付けるか。この二つは製造フローが完全に異なるため、設計入力でどちらかを明示する必要があります。

これら三つの組合せはいずれも、SKPCBの板厚能力（0.2〜6.0 mm）と最大パネル寸法（標準 600×570 mm）に対して評価する必要があります。リジッドフレックスで実現可能な板厚範囲は通常、純リジッド基板より狭く、層構成ごとの確認が必要です。

線幅とインピーダンス：フレックス部はリジッド部の数値では作れない

層構成確定時に最も見落とされやすいのは、線幅能力とインピーダンス制御条件がフレックス部とリジッド部で別々の数値セットであることです。

SKPCBの最小線幅／線間能力は三段階あり、内層・外層同値です。標準 4/4 mil、アドバンス 3/3 mil、開発 2/2 mil。フレックス製品仕様は別途最小線幅 2 mil を示しています。ただしこれらは製造能力値であり、屈曲部の推奨値ではありません。屈曲部の線幅は基板全体の最小線幅より明示的に広げるべきで、屈曲部には細線、ビア、パッド、あらゆる不連続構造を置かないようにします。これは設計ルールの問題であり、能力上限の問題ではありません。

インピーダンスについては、フレックス部の誘電体構成（ポリイミド、接着層、カバーレイ）はリジッド部（エポキシプリプレグ、コア）とまったく異なります。同一のインピーダンス制御ネットが両区間を横断する場合、各区間を個別に計算し、個別の線幅を与える必要があります。リジッド部で算出した線幅をそのままフレックス部へ延長することが、リジッドフレックスのインピーダンス不適合の最も多い単一原因です。

> 通常のリジッド多層基板の層構成計画（層数、対称性、厚さ予算）は4層と8層の多層基板層構成計画を参照してください。本稿はフレックスコアが入ることで変わる部分のみを扱います。

層構成確定前に答えるべき材料項目

層構成表を凍結する前にこれらに答えておけば、手戻りの大部分は避けられます。技術審査が必要と記した項目は、層構成ファイルと併せて提出してください。

使用条件（すべてを規定する前提項目）

1. 組立時の一回曲げか、動的な繰り返し屈曲か。動的な場合、想定屈曲回数のオーダーと屈曲頻度は。
2. 機構側から与えられる最小屈曲半径は。筐体やコネクタがフレックス部の自由長を制限していないか。
3. 屈曲方向は一方向か双方向か。同一フレックス部に複数の屈曲箇所があるか。

フレックス部の層構成

1. 屈曲部を横断するフレックス銅は何層か。1〜2層に抑えられないか。
2. フレックスコアは片面構成か両面構成か。銅とフレックス部厚さ中心との相対位置は確認済みか。
3. 上下のカバーレイは対称か（同一材料、同一厚さ、同一構成）。
4. フレックス部の総厚は。項目2の屈曲半径に対して「基板厚の6倍以上」の関係を満たすか。

材料系

1. フレックスコアは接着剤系か接着剤レス系か。理由は厚さ予算、コスト、品番入手性のいずれか。
2. カバーレイはポリイミドカバーレイか感光性レジストか。接着剤の有無は。
3. リジッド部は組合せA（エポキシプリプレグ）、B（全ポリイミド）、C（局所補強）のいずれか。
4. 補強がある場合、層構成内で実現するか後工程で貼り付けるか。

リジッド部と基板全体

1. 基板全体の層数は。SKPCBのリジッドフレックス能力最大20層の範囲内か（具体的な層構成は技術審査が必要）。
2. リジッド部の層構成は対称か。フレックスコア挿入後に対称性を再確認したか。
3. 基板の呼び厚さと公差要求は。0.2〜6.0 mm の範囲内か。
4. 基板外形は標準パネル寸法 600×570 mm の範囲内か。

電気

1. リジッド部とフレックス部を横断するインピーダンス制御ネットはあるか。各区間で線幅を個別に計算したか。
2. 屈曲部の線幅は基板全体の最小線幅より明示的に広げたか。屈曲部にビア、パッド、銅面の不連続は残っていないか。

受入

1. 受入はIPC-6012 Class IIかClass IIIか。リジッドフレックス部分についてIPC-6013系の基準を別途取り決める必要があるか。
2. IATF 16949体系の工程文書は必要か。UL認定品番の指定はあるか。

量産可能な層数、線幅、板厚、穴径能力の全体像は製造能力を参照してください。受入等級、検査項目、トレーサビリティは品質システムに記載しています。リジッドフレックスの製品ページと仕様はリジッドフレックス基板、純フレックスはフレキシブル基板です。

FAQ

フレックスコアは層構成の真ん中に置く必要がありますか。

「層構成の真ん中」ではなく「フレックス部の厚さ中心」です。リジッドフレックス基板ではこの二つは一致しません。基板の幾何中心にはリジッド部の材料が含まれますが、屈曲が起きるのはフレックス部だけなので、基準はフレックス部自身の厚さ中心になります。実務上は、フレックス部の上下のカバーレイと接着フィルムを対称にして、フレックス銅を中央付近に落とすことを意味します。

屈曲半径の6倍則は、総厚基準ですかフレックス部厚さ基準ですか。

フレックス部の厚さ基準です。総厚にはリジッド部のコアとプリプレグが含まれますが、これらの材料は屈曲に関与しません。総厚で計算すると屈曲半径が過大になり、筐体スペースを無駄にします。逆に、より薄い単一層から計算できると考えると、材料の許容範囲を超える過小な半径になります。層構成ファイルにはフレックス部の呼び厚さを明示すべきです。

接着剤レス系は常に接着剤系より優れていますか。

常にではなく、何が制約かによります。接着剤レス系はより薄く、層間のひずみ分布がより予測しやすいため、屈曲半径が厳しい設計や動的屈曲では明確な優位性があります。一方でコストが高く、入手可能な品番が少ない。組立時一回曲げで屈曲半径に余裕があり層数も多くない設計であれば、接着剤系で十分であり、追加コストを払う価値はありません。判断基準は項目2の屈曲半径と項目1の使用条件であり、材料の等級ではありません。

リジッドフレックスは最大何層まで可能ですか。

SKPCBの技術確認値は最大20層です。ただしこれは基板全体の上限であり、どの層構成でも20層に到達できるという保証ではありません。屈曲部のフレックス層数、屈曲半径、使用条件、材料組合せが実際に実現可能な範囲を共に狭めます。通常の層数を超えるリジッドフレックス層構成は技術審査が必要です。使用条件と併せて層構成ファイルを提出してください。

なぜリジッドフレックスの層数上限は通常の多層基板よりこれほど低いのですか。

通常の多層基板の能力は標準量産40層・最大64層ですが、リジッドフレックスは20層で止まります。この差は材料挙動の不一致に起因します。リジッドフレックスの層構成にはポリイミド、接着剤（接着剤系の場合）、エポキシ系が同時に存在し、三者は積層プレスとリフローの熱サイクルにおいてZ方向で異なる挙動を示します。層数が増えるほど、この不一致が界面にわたって累積します。通常の多層基板は上下通して単一の材料系であり、この累積項が存在しません。

屈曲部にビアを置いてよいですか。

置くべきではありません。屈曲部のビアは剛性と形状の二重の不連続点です。穴壁銅の剛性は周囲のフレックス材料と異なるため、屈曲時にひずみが穴壁へ集中します。層間接続はリジッド部で完了させ、屈曲部には連続した直線配線のみを残します。パッド、テストポイント、銅面の急変、配線の折れ角についても同様に屈曲部から外してください。

インピーダンスネットがリジッド・フレックス境界を越える場合はどう扱いますか。

区間ごとに計算し、区間ごとに指定します。フレックス部の誘電体はポリイミド＋カバーレイ（接着層がある場合もある）、リジッド部はエポキシプリプレグとコアで、誘電環境がまったく異なるため、同じ線幅でも各区間で得られるインピーダンスは異なります。層構成ファイルには同一ネットについて区間別の線幅を記載し、境界での遷移処理方式を示してください。SKPCBのインピーダンス制御能力は製品仕様に対して確認が必要で、区間横断インピーダンスネットの具体的な実現方法は技術審査が必要です。