PCB技術 - FPC技術と材料の発展と技術動向

FPC技術とは、フレキシブルな材料から印刷、めっきなどのプロセスによって作られた回路基板を指す。FPCは、従来の剛性回路基板と比較して、一定の範囲内で自由に曲げたり折り曲げたりすることができるので、空間的に制限された電子機器に適しています。軽量、小型、折りたたみ可能などの利点から、FPCはスマートフォン、タブレット、ウェアラブルデバイスなど、さまざまな電子製品に広く応用されている。

従来のFPCの場合、銅箔導体はポリイミドなどのベースフィルムに固定され、エポキシ樹脂などの接着剤を中間に挿入した後、エッチングにより形成された回路を保護膜で覆っている。このような構造にはエポキシ樹脂などの接着剤が用いられる。この層組成の高い機械的信頼性のため、現在でも一般的に使用されている標準構造の1つである。しかし、エポキシ樹脂やアクリル樹脂などのバインダーは、ポリイミド樹脂マトリックスフィルムよりも耐熱性が低いため、FPC（ボトルネック）全体の使用温度の上限を決めるボトルネックとなっている。

この場合、耐熱性の低い接着剤のFPC構造を排除する必要がある。この配置はFPC全体の厚さを最小化するだけでなく、曲げ抵抗などの機械的性能を大幅に向上させるだけでなく、微細回路や多層回路の形成にも有利である。ポリイミド層と導体層のみからなる無接着性銅被覆材が実用化されており、様々な目的に適した材料の選択範囲が広がっている。

FPCには、両面スルーホール構造や多層構造を有するFPCもある。FPC両面回路の基本構成は剛性PCBとほぼ同じである。接着剤は層間接着に用いられる。しかし、最近の高性能FPCは接着剤を含まず、ポリイミド樹脂のみを用いて銅被覆板を形成している。例がたくさんあります。FPC多層回路の層組成は、印刷PCBの層組成よりもはるかに複雑である。これらは多層剛性フレキシブルまたは多層フレキシブルと呼ばれています。層の数を増やすと柔軟性が低下し、部品の曲げに使用される層の数が減少したり、層間の接着が除去されたりして、機械的運動の自由度を高めることができます。多層剛性フレキシブル板を製造するためには、多くの加熱プロセスが必要であるため、使用する材料は高い耐熱性を持たなければならない。無接着性銅被覆板の使用が増加している。

FPC技術トレンド

用途の多様化とコンパクト性に伴い、電子機器に使用されるFPCは高密度回路と定性的な意味での高性能を必要とする。FPC回路密度の最新の変化。減成法（エッチング法）は、導体間隔が30 um以下の片面回路を形成するために使用することができ、導体間隔が50 um以下の両面回路も実用化されている。両面回路または多層回路を接続する導体層間の貫通孔径も小さくなり、現在では貫通孔径が100 um以下の孔は量産規模に達している。

製造技術の観点から、高密度回路の可能な製造範囲。高密度回路は、回路ピッチと貫通孔径に応じて、（1）従来のFPC、（2）高密度FPC、（3）超高密度FPC。

従来の減成法では、ピッチ150 um、貫通孔直径15 umのFPCが量産されている。材料や加工装置の改良により、減算法においても30 umの回路ピッチを加工することができる。また、CO 2レーザーや化学エッチングなどのプロセスを導入することで、直径50 umのスルーホールの量産と加工を実現することができ、現在量産されている高密度FPCの多くはこれらの技術で加工されている。

しかし、間隔が25 um未満、貫通孔径が50 um未満であると、従来技術を改良しても良率を高めることが難しく、新技術や新材料を導入しなければならない。提案したプロセスには様々な加工方法があるが、電鋳（スパッタリング）技術を用いた半付加法が最適な方法である。基本的なプロセスが異なるだけでなく、使用する材料や補助材料も異なります。

一方、FPC接続技術の進歩により、FPCはより高い信頼性性能を要求されている。回路密度の向上に伴い、FPCの性能に多様化と高性能が求められている。これらの性能要件は、回路処理技術または使用される材料に大きく依存する。

FPCの基本構成材料

フレキシブルプリント基板（FPC）の基本構成

1.基板

フレキシブル回路基板の基板は主にポリイミド（PI）またはポリエステルフィルム（PET）で作られ、回路基板に構造基礎を提供している。ポリイミドは優れた耐高温性と曲げ特性を有し、多くの用途に最適な材料となっている。一方、ポリエステルフィルムは比較的経済的であるが、柔軟性と耐高温性の点でPIに劣る。

2.導電層

導電層は主に銅箔で作られ、電子信号の伝送を担当している。銅箔の表面処理は、電気めっきによって光沢のある表面または光沢のない表面が形成されるなど、その接着性能に影響を与え、これらの特性は線路の信頼性と性能に直接影響を与える。

3.保温層

絶縁層は一般的にポリエステルまたはポリイミドフィルムから作られ、その主な機能は導電層を隔離し保護することである。絶縁層は異なる回路間の電気的隔離を保証するだけでなく、水分とほこりが回路に影響を与えることを防止し、多層設計において重要な保護作用を有する。

4.カバーフィルム

カバーフィルムはフレキシブル回路基板表面を保護するための重要な構成部分であり、一般的に厚さは1ミルと1／2ミルの2種類である。この薄膜は回路の耐久性を高め、外部環境要因の影響を減らすために追加の絶縁保護を提供する。

5.接着剤

接着剤の役割は、絶縁層と導電層との間に接着を提供することである。絶縁膜を導電性材料に接着するだけでなく、保護と絶縁を提供するカバー層としても使用されています。接着剤は通常、スクリーン印刷技術によってコーティングされる。

6.その他の要素

さらに、フレキシブル回路基板は、機械的強度を高め、実用的な使用を容易にするための補強板を含むことができる。補強板は通常、追加の支持を提供するために他の材料の間に配置される。

せきそうばん

多くのFPCメーカーは積層板の形で積層板を購入し、それを出発材料として積層板を使用してFPC製品に加工することが多い。第1世代ポリイミドフィルムを用いたFPC積層板または保護フィルム（被覆フィルム）は、エポキシ樹脂やアクリル樹脂などの接着剤からなる。ここで使用する接着剤の耐熱性はポリイミドより低く、FPCの耐熱性やその他の物理的特性は制限されている。

従来の接着剤を用いた銅被覆板の欠点を回避するために、高密度回路を含む高性能FPCは接着剤フリーの銅被覆箔を用いた。これまで多くの製造方法がありましたが、現在では次の3つの方法が実用化されています。

1）鋳造技術

鋳造技術は銅箔を原料とする。液状ポリイミド樹脂を表面活性化銅箔に直接塗布し、熱処理して薄膜を形成した。ここで使用するポリイミド樹脂は銅箔に優れた接着性と優れた寸法安定性を持たなければならないが、この2つの要件を満たすポリイミド樹脂はない。まず、活性銅箔の表面に接着性の良いポリイミド樹脂薄層（接着層）を塗布し、その後、接着層（コア層）上に一定厚さの寸法安定性の良いポリアミド樹脂を塗布した。これらのポリイミド樹脂は熱物理特性が異なるため、銅箔がエッチングされると、ベースフィルムに大きなピットが発生する。これを防止するために、コア層上に接着剤層を塗布し、ベース層の良好な対称性を得る。

両面銅被覆板を製造するために、接着層は熱可塑性（ホットメルト）ポリイミド樹脂を用い、その後、熱プレス法を用いて銅箔を接着層に積層した。

2）スパッタリング／電気めっきプロセス

スパッタリング／めっきプロセスの出発材料は、良好な寸法安定性を有する耐熱膜である。第1ステップは、スパッタリングプロセスを用いて活性化ポリイミド薄膜表面にシード層を形成することである。この種結晶層は導体基層との結合強度を保証することができ、同時に電気めっき導体層の役割を担っている。通常、ニッケルまたはニッケル合金が使用される。導電性を確保するために、ニッケルまたはニッケル合金層上に銅を薄くスパッタし、銅を所定の厚さに電気めっきした。

3）ホットプレス法

熱プレス法は、熱可塑性樹脂（熱可塑性接着樹脂）を良好な寸法安定性を有する耐熱ポリイミドフィルムの表面に塗布した後、高温で銅箔を熱溶融樹脂に積層する。ここでは複合ポリイミドフィルムを用いた。

この複合ポリイミドフィルムは専門メーカーから入手でき、製造プロセスは比較的簡単である。銅被覆積層板を製造する際には、複合フィルムと銅箔を積層し、高温で熱プレスする。設備投資は比較的小さく、小ロット、多品種生産に適している。両面銅被覆板の製造も容易である。

FPCを構成するもう1つの重要な材料元素は保護層（被覆層）であり、現在では様々な保護材料が提案されている。最初の実用的な保護層は、基材と同じ耐熱フィルムをコーティングし、銅張積層板と同じ接着剤を使用した。この構造の特徴は対称性がよく、依然として市場の主要部分を占めており、通常は「フィルム被覆層」と呼ばれている。しかしながら、このような薄膜保護層は、加工プロセスの自動化を図ることが困難であり、これは全体の製造コストを増大させ、また、細かい窓加工を行うことが困難であるため、近年主流となっている高密度SMTの需要を満たすことができない。