PCB技術 - FPCとPCBの接続と溶接方式についての紹介

電子製品の発展に伴い、FPCを用いてPCBに接続する技術需要も高まっており、本文は現在業界でよく使われているいくつかのFPCとPCBの接続と溶接方式を紹介してみました。

FPC（Flexible Printed Circuit，「フレキシブルプリント配線板」または「フレキシブル配線板」）は現在、多種多様な電子製品、特にウェアラブルデバイスと薄くて短いハンドヘルドデバイスに応用されています。現在、PCBAプロセスはFPCの上に電子部品を直接溶接できるように発展しているが、その溶接可能性と品質信頼度は依然としてよくなく、例えば、micro-USB、USBC充電と資料を伝送するコネクタ、大粒のBGAとQFNもFPCに溶接することをお勧めしません。

一般的なFPCは最終的にはリジッドPCBに接続する必要がありますが、FPCをPCBに接続するプロセスは次のように使用されます。

フレキシブルボードコネクタ（FPCコネクタ）

リジッドフレックス複合板（Rigid-Flex Board）

溶接（Soldering）。溶接を採用するのは主に「コネクタ」の費用を節約し、高さを下げることです。

本文はFPCとPCBの間の溶接技術だけを紹介し、そのフレックスボード溶接の方式も多種多様であるが、総じて以下のいくつかの方式で溶接することができます。

一、人工はんだごて溶接（manual soldering）

人工溶接ソフトボードは回路基板ではすべてのフレックスボードの溶接技術が最も安価なプロセスであり、治具を使用する必要もなく作業できるものもありますが、その溶接品質も最も頼りにならないプロセスであり、人工溶接は空溶接、虚溶接、仮溶接、架橋短路などの品質問題をもたらしやすいからです。これは、人工溶接時に半田付けヘッドがずれやすく、半田が硬化していないときに半田が移動したり反ったりするためであり、半田が硬化すると仮半田、空半田などの結果となります。

そのため、人工溶接の際には、溶接が完了するまで重量物を軟板に押して移動することが好ましく、溶接の良率を大幅に向上させることができます。また、フレックスボード溶接のゴールドフィンガーには貫通孔（PTH）が開いていることが好ましく、溶接が良好であるかどうかを視覚的に確認することができ、錫こぼれショートのリスクを下げることもできます。

一般的に、設計がまだ決まっていない場合（Lock-down）、治具の設計と製作の費用を減らすために、人工半田ごてでフレックスボードを溶接する作業を少量使用してRDに機能検証用を作ることができます。大量生産時には人工溶接不可を強く提案する。

二、HotBar溶接

HotBar溶接の原理は、基本的には、いわゆる【パルス電流（pulse）】を用いてモリブデン、チタンなどの高抵抗特性を有する金属材料を流れる際に発生する【ジュール熱】を用いて【ホットプレスヘッド（thermodes/heater-tip）】を加熱し、ホットプレスヘッドによって溶融PCB上に印刷された錫ペーストを加熱してFPCと連結することによって溶接の目的を達成します。

そのため、HotBar作業時にはHotBar機台が必要であり、FPCをPCBに固定するためのキャリア（carrier）も必要です。FPCとPCBがよく設計されていれば、基本的に量産と一定の良率の目標を達成することができます。

HotBar FPCB付近の部品の製限

HotBar FPCBフレックスボードの設計上の注意事項-PTHs

HotBarホットプレスFPCBとPCBパッドの相対位置の提案

HotBar FPCBフレックスボードの設計-応力集中を避け、線路が折れる

また、FPC金指の間隔の大きさは、間隔が大きくなるほど生産が容易になり、良率も高くなりますが、設計上の要求はますます小さくなり、HotBarがますますやりにくくなり、率直になる窮状をもたらしています。

最後に製程管理製御問題です。例えば、錫ペースト量の製御、HotBar時のフラックスの塗布が適切かどうか、HotBarの温度、圧力、時間設定、HotBar機台の能力（ホットプラグの圧力がプログラム可能かどうか）などを含みます。

また、HotBar軟板の設計では有効な熱伝導効菓が得られない場合もあり、この場合は錫ビスマス（SnBi）低温錫膏を採用するかどうかを考慮する必要があるかもしれませんが、低温錫膏は脆いので、補助構造を強化することをお勧めします。

三、還流溶接（Reflow soldering）リフローやりかた

そのやり方は基本的に現在PCBに錫ペーストを印刷し、その後、リフロー炉の前にFPCを配置し、上部カバーと下部シートリフローキャリア（reflow carrier）を使用してリフロー炉を通過し、上部ダウンロード具は磁気バックルを使用してFPC位置が移動しないことを確保し、リフロー時にFPC溶接点が反りません。

このFPCリフロープロセスにはいくつかの注意事項があります。

FPC材料は無鉛逆溶接の高温に耐えられるかどうか。FPC材質の高温が製限されている場合は、低温錫膏の実行可能性を考慮する必要があるかもしれません。

FPCの配置は一般的に人工作業であり、このとき錫膏は膏状であり、どのように人工作業が錫膏や他の部品に触れないようにするかが大きな課題である。そのため、このプロセスはFPCの下に部品を置くのに適していません。

このプロセスはPCBにあまり部品がなく、FPCの上にも部品がない製品に適しています。そうしないと、他の部品や錫膏に触れると発生する不良率が高く、細ピッチのFPCも適切ではないはずです。

四、レーザー溶接（Laser soldering）リフローやりかた

レーザー溶接（Laser soldering）はレーザーエネルギーの励起によって熱エネルギーに変換して溶接の目的を達成するので、その溶接は通常、溶接材料にレーザーを打つことができる位置で直接加熱するために使用されます。

レーザー溶接はFPCをPCBに溶接する作業にはあまり適しておらず、レーザーはコネクタの溶接に適していると考えられています。現在、多くのFPC設計には導通孔がないため、レーザー光が直接半田に当たらず、レーザー光を十分に加熱することができません。

また、このレーザー溶接設備は通常専用機非汎用機であり、そのエネルギーは一般的に他の作業を実行するのに適していないので、設備費用も安くありません。生産量の大きい製品がない限り、ROIを自分で計算してみましょう。

五、ACF（異方性導電性接着剤）

FPCとPCBを半田で溶接することができない場合、「ACF（異方性導電性接着剤、Anisotropic Conductive Film）」を採用してFPCとPCBの電子信号を導通することが考えられるかもしれません。ACFの加工温度はHotBarより低く、FPCのやけどの問題を心配する必要はありません。ACFの仕事のやり方は実はHotBarと似ていますが、ACFはもっと簡単で、実は接着剤のようになっており、PCBとFPCの金指の間に置かれています。その後、加熱加圧すれば接続が完了し、一部の設備機台は異なる温度と圧力を設定することもでき、HotBarとACFプロセスに同時に使用することができます。

しかし、ACFには最大の欠点があります。一定期間使用すると、その接着剤が失効してはがれやすくなるので、FPCがPCBから離脱しないようにするために追加の機構を追加しなければなりません。

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