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初めてのフレキシブル基板ーFPCの用途から設計まで

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フレキシブル基板を使ったことが無い人向けに「フレキシブル基板とは何か」「フレキシブル基板の使い道は」「フレキシブル基板の設計」について解説します。

エレファンテック:https://www.elephantech.co.jp/

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初めてのフレキシブル基板ーFPCの用途から設計まで

  1. 1. 初めてのフレキシブル基板 エレファンテック株式会社 www.elephantech.co.jp 2018/2/1
  2. 2. このスライドの⽬標 読み終えた時に • 「フレキシブル基板の効果的な使い⽅」が分かり、 • 「フレキシブル基板を(それなりに)設計できる」こと。 • 次に基板を作るときに「フレキシブル基板が思い浮かぶようにする」こと。
  3. 3. このスライドの対象読者 • プリント基板を使ったことがあるけど、フレキシブル基板の経験はゼロという⼈ • 基板設計をしたことがなくても分かるように書いていますが、回路設計・基板設計の⼀般 的な話はしません。
  4. 4. このスライドの構成 フレキシブル基板を「始める」「もっと知る」 「学ぶ」の3ステップで解説します。 • 始める:フレキシブル基板(FPC)とは何 か、どう使うか • もっと知る:事例紹介、なぜFPCを使うの か、どのようなメリットがあるのか • 学ぶ:FPCを使う前に知るべき知識 始める もっと知る 学ぶ
  5. 5. 始める もっと知る 学ぶ
  6. 6. フレキシブル基板とは 「曲げられる」プリント基板 ↔リジッド基板(普通の硬いプリント基板) ⾮常に薄い(< 0.1 mm)材料の上に回路を形成 している。 FPCとも⾔う(Flexible Printed Circuits)が、 これは和製英語である。 ⾼価で設計が難しいという⽋点もあるが、軽量 化・⼩型化などのために使われている。
  7. 7. FPCの利点 ⼀番の利点はやはり「曲げられる」ところ。 曲げられるということは、可動する場所に利⽤ する以外にも、筐体にフィットした基板設計が できるという利点にもなります。 またリジッド基板と⽐較して薄くて軽いという 利点もあります。 配線については後述しますが、組み⽴て⼯程を シンプルにできることを⻑所と考えて採⽤する こともあるようです。 ✓ 曲げられる、筐体にフィットする ✓ ⼩型化・軽量化できる ✓ 配線をシンプルにできる
  8. 8. 主な⽤途 • ヒンジ、ロボットの関節などの可動部 • ⾃動⾞のワイヤーハーネス • IoT機器/ウェアラブルデバイス FPCには⽋点もあるため、「⽋点に⽬をつむっ てもFPCの利点を活かしたい」状況で使われる ことが多いです。 機械の可動部はもちろん曲がる必要があるし、 ⾃動⾞、航空機などは軽量化によるメリットが ⼤きい。 最近はIoT機器やウェアラブルデバイスなどで⼩ 型化のために使われている。
  9. 9. https://www.ifixit.com/Teardown/HTC+Vive+Teardown/62213
  10. 10. リジッド基板との⽐較 ✓ とにかく安いし納期が短い ✓ 設計や取り扱いが簡単 ✓ 特に困ってないので変える理由がない ✓ 曲げられる、筐体にフィットする ✓ ⼩型化・軽量化できる ✓ 配線をシンプルにできる リジッド基板 フレキシブル基板
  11. 11. 別にリジッドで良いや… 正直その通りです。 「とりあえず基板が動けば良い」という段階で使うものではなく、⼩型化などよりハイレベ ルな設計をするために使われています。 逆に⾔うと、FPCを抵抗なく使えるようになれば、リジッドではできないものを作れます。 その具体例は次ページ以降…
  12. 12. 始める もっと知る 学ぶ
  13. 13. 事例紹介1:ウェアラブルデバイス ダンスしながら、⼿のジェスチャーで照明を コントロールするグローブ型デバイス 歪みセンサとLEDを基板に取り付けること で、リアルタイムな演出を可能にした。 FPCの曲げられるという利点を⽣かしてい る。 設計 Groove 部品点数 87 基板サイズ 188 x 147 mm 裏板 裏板 0.5 mm 厚 緑⾊全体がFPC基板
  14. 14. 使⽤イメージ https://www.youtube.com/watch?v=tQVSSs2-HRs
  15. 15. 事例紹介2:ヘッドマウントディスプレイ HTC社製のヘッドマウントディスプレイ。 電⼦機器を分解して紹介するサイトのiFixitで、 内部にFPCがたくさん使われている画像が公開 されている。 FPCを使うことで⼩型化・軽量化していると思 われる。 設計 HTC 商品名 HTC Vive 参考ページ iFixit https://www.ifixit.com/Teardown/HTC+Vive+Teardown/62213
  16. 16. https://www.ifixit.com/Teardown/HTC+Vive+Teardown/62213
  17. 17. 事例紹介3 :基板+配線 複数のセンサをFPCで配線してモジュール化し たもの。エレファンテックのサンプル基板。 UVセンサと温度センサがあり、ICを載せたリ ジッド基板に繋いで使う。 FPCによって配線をシンプルにできている。 設計 エレファンテック 部品点数 13 基板サイズ 85 x 76 mm 写真は旧バージョン
  18. 18. 同等の機能を持つリジッド基板と⽐較すると、FPCは配線が不要な分だけシ ンプルに作れていることが分かる。 リジッド基板との⽐較
  19. 19. リジッド基板との⽐較 リジッド基板 FPC 部品点数 ⾯積⽐ 図⾯数 24 1.7 4 17 1 1 リジッド基板とFPCで作ったセンサモジュールを数値で⽐較する。FPCでは 部品や図⾯の管理が⾮常に楽になる。
  20. 20. 「基板」+「配線」 この事例のように、FPCを複雑な形状にして基板+配線の機能を持たせるこ とが多い。
  21. 21. 「でもFPCって難しそう…」
  22. 22. → このスライドを読めば⼤丈夫です 「でもFPCって難しそう…」
  23. 23. 始める もっと知る 学ぶ
  24. 24. 3つの学習ポイント 耐久性 設計 コネクタ フレキシブル基板を利⽤する前に学習すべき ポイントが3つあります。 • 耐久性:何度も繰り返し曲げ続けられる訳で はありません。どの程度曲げても良いか仕様 を確認します。 • 設計:曲げた時に問題が出ないような設計の ⼯夫があります。 • コネクタ:FPCをリジッド基板と接続するコ ネクタを確認します。
  25. 25. 耐久性 耐久性の中でも、特に重要なのは耐屈曲性で す。屈曲にもいくつかのモード(屈曲のしか た)がありますが、仕様書には⼀般的に摺動に 対する耐性が書かれています。 耐屈曲性は、屈曲半径と摺動回数で⽰されま す。⾔い換えると「ある半径で右図のように動 いた場合に何回動くまで使えるか」を⽰してい ます。 *具体的には「抵抗値がN%上昇するまでの回 数」という定義がされていることが多い 設計時に必ず仕様を⾒て、使おうとしている FPCが⽤途に合っているかを確認します。 摺動
  26. 26. 設計 フレキシブル基板に特有の設計のコツをいくつ か覚えれば、後はリジッド基板と同様に設計し てOKです。 FPCのコツは、耐屈曲性に配慮した設計です。 注意点は3つ • ⾓を作らない(曲線を使う) • 屈曲部はシンプルにする(部品を置かない、 線幅を変えない、できればコーナーを置かな い) • 外形も⾓を作らない(基材の避けを防ぐ) 設計の例
  27. 27. 設計 詳しくはブログで http://blog.elephantech.co.jp/archive/category/基板設計
  28. 28. コネクタ FPCコネクタでFPCとリジッド基板を接続します。 たくさん種類があるので、FPCの仕様に合うか チェックしましょう。 特に注意したいのは3つ。 • 電極のピッチ:FPCの最⼩パターン幅・間隔と 合うか • 適合するFPCの厚さ:FPCの厚み(補強板込み) と⼀致するか • 接点の表⾯処理:FPCと同じ⾦属か あとは使いたいコネクタを選べば(だいたい)⼤ 丈夫です。 FPCコネクタ
  29. 29. 詳しくはブログ『FPCコネクタの選び⽅』で http://blog.elephantech.co.jp/entry/2018/01/29/174802 コネクタ
  30. 30. 補強板 FPCでは多くの場合、補強板を使う必要があり ます。 使⽤する⽬的は以下の⼆つです。 1. コネクタにFPCの厚みを合わせる 2. 部品を実装する部位を硬くして、部品を外れ にくくする 設計は、コネクタや部品のエリアを単に囲えば OKです。 補強板のレイヤーもガーバー出⼒して注⽂しま す。 補強板の設計例 補強版
  31. 31. (おまけ) 慣れれば簡単とは⾔え、最初は間違えることもあると思います。 そんな⽅には、学⽣ライターが初めてフレキシブル基板にチャレンジした様⼦を ⾯⽩おかしく書いたブログシリーズをどうぞ。⼈気のブログです。 http://blog.elephantech.co.jp/archive/category/チャレンジ
  32. 32. まとめ
  33. 33. まとめ 「始める」「もっと知る」「学ぶ」の3ステップでフレキシブル基板を⼀から解説しまし た。3点でこのスライドをおさらいします。 • フレキシブル基板(FPC)は曲げられて、⼩型化・軽量化し、配線をシンプルにできる • リジッド基板と⽐べ⽋点もあるが、リジッド基板では作れないものを作れる • FPC特有の知識として耐屈曲性、設計、コネクタ・補強板を学ぶと良い(難しくない)
  34. 34. FPCをもっと知りたい⼈は… エレファンテックのコーポレートサイトと技術ブログで、FPCを使うための知識 やFPCがどのように作られているかなどFPCに関連する話を紹介しています。 エレファンテック公式サイト www.elephantech.co.jp エレファンテック技術ブログ blog.elephantech.co.jp
  35. 35. FPCを触ってみたい… エレファンテックが無料サンプル基板を配布しています。写真のような基板がもらえます。 (部品は実装していません) サンプル基板を申し込む

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