フレキシブルエレクトロニクス

フレキシブルエレクトロニクスは、フレックス回路とも呼ばれ、ポリイミド、PEEK、透明導電性ポリエステル^[1]フィルムなどの柔軟なプラスチック基板に電子デバイスを実装して電子回路を組み立てる技術です。また、フレックス回路は、ポリエステル上にスクリーン印刷された銀回路である場合もあります。フレキシブル電子アセンブリは、リジッドプリント回路基板に使用される同一のコンポーネントを使用して製造できるため、ボードを目的の形状に適合させたり、使用中に曲げたりすることができます。

フレキシブル プリント回路 (FPC) は、フォトリソグラフィー技術で製造されます。フレキシブル フォイル回路またはフレキシブル フラット ケーブル(FFC) を製造する別の方法として、2 層のPETの間に非常に薄い (0.07 mm) 銅ストリップをラミネートする方法があります。通常 0.05 mm の厚さのこれらの PET 層は、熱硬化性の接着剤でコーティングされており、ラミネート プロセス中に活性化されます。FPC と FFC には、多くの用途でいくつかの利点があります。

• カメラなど、3 軸で電気接続が必要な、しっかりと組み立てられた電子パッケージ(静的アプリケーション)。
• 折りたたみ式携帯電話など、通常の使用中にアセンブリを曲げる必要がある電気接続(動的アプリケーション)。
• 自動車、ロケット、衛星などの、重くてかさばるワイヤーハーネスに代わるサブアセンブリ間の電気接続。
• 基板の厚さやスペースの制約が重要な要因となる電気接続。

• 複数のリジッドボードやコネクタを置き換える可能性
• 片面回路は、動的または高屈曲アプリケーションに最適です。
• さまざまな構成のスタックFPC

• リジッドPCBに比べてコストが増加
• 取り扱い中または使用中に損傷するリスクが増大する
• より困難な組み立て工程
• 修理ややり直しが困難または不可能
• 一般的にパネルの利用率が低下し、コストが増加する

フレックス回路は、柔軟性、スペースの節約、または生産上の制約により、リジッド回路基板や手作業による配線の保守性が制限されるさまざまなアプリケーションでコネクタとしてよく使用されます。

フレキシブル回路のほとんどは、集積回路、抵抗器、コンデンサなどの電子部品を相互接続するために使用される受動配線構造ですが、中には他の電子アセンブリ間の相互接続を直接またはコネクタを介して行うためだけに使用されているものもあります。消費者向け電子機器では、カメラ、個人用娯楽機器、計算機、運動モニターなどでフレキシブル回路が使用されています。フレキシブル回路は、コンパクトなパッケージで多数の相互接続が求められる産業機器や医療機器で使用されています。携帯電話も、フレキシブル回路の一般的な例です。

フレックス回路の一般的な用途は、コンピュータのキーボードなどの入力デバイスです。ほとんどのキーボードでは、スイッチ マトリックスにフレックス回路が使用されています。

LCD の製造では、基板としてガラスが使用されます。代わりに、薄くて柔軟なプラスチックまたは金属箔を基板として使用すると、基板上に堆積されるフィルムが通常数マイクロメートル程度と非常に薄いため、システム全体を柔軟にすることができます。

フレキシブル ディスプレイでは、通常、バックライトの代わりに有機発光ダイオード(OLED) が使用され、フレキシブル 有機発光ダイオードディスプレイが作られます。

フレキシブル バッテリーは、従来の剛性バッテリーとは異なり、形状に適合し、柔軟になるように設計された一次および二次バッテリーです。

自動車分野では、フレキシブル回路は計器パネル、ボンネット下の制御装置、車内のヘッドライナー内に隠される回路、ABS システムなどに使用されています。

コンピュータ周辺機器では、フレキシブル回路はプリンタの可動プリントヘッドに使用され、ディスクドライブの読み取り/書き込みヘッドを搭載した可動アームに信号を接続するために使用されます。

フレキシブルな薄膜太陽電池は、衛星への電力供給用に開発されています。これらのセルは軽量で、打ち上げ時に巻き上げることができ、簡単に展開できるため、この用途に適しています。また、バックパックやアウターウェアに縫い付けることも可能で、^[2]その他多くの消費者向け用途に使用できます。

フレキシブルおよび/またはポータブル電子機器に関連する成長市場、例えば自己発電型IoTシステムなどは、オフグリッドデバイスのエネルギー自立性を高める観点から、曲げられる薄膜太陽光発電（PV）の開発を推進してきました。 ^[3]このクラスのPV技術は、特に効果的な光トラッピング構造と統合された場合、剛性ウェハベースの太陽電池と同等の高い太陽光から電気への変換効率をすでに達成できることが示されています。このようなフォトニックスキームは、機械的な曲げ性に必要な厚さが薄いにもかかわらず、薄いPV吸収材で高い広帯域吸収を可能にします。^{[4] [5]}

2021年12月、東京の慶応大学とスタンフォード大学のエンジニアが、伸縮性のある皮膚のような半導体回路の開発を発表しました。将来的には、これらのウェアラブル電子機器を使用して、健康データを医師にワイヤレスで送信できるようになるかもしれません。^[6]

プリンテッドエレクトロニクスが現在使用中または検討中のものには、パッケージ内のワイヤレスセンサー、インターネットと通信する皮膚パッチ、漏れを検知して予防保守を可能にする建物などがあります。これらのアプリケーションのほとんどは、まだ試作および開発段階にあります。^[7]太陽光発電、センシング、処理デバイスなどのフレキシブルスマート電子システムへの関心が特に高まっています。これは、最新の（光）電子技術の進歩を、日常生活の幅広い低コスト（使い捨ても含む）消費者製品に拡張および統合したいという要望に駆り立てられており、デジタル世界と物理世界を結びつけるツールとしても活用されています。^[8]

ノルウェーのThinFilm社は2009年にロールツーロール印刷有機メモリを実証した。^{[9] [10] [11] [12]}

スペインに拠点を置く別の企業、ロティンプレスは、スマート家具用ヒーターや曇り防止ヒーター、白物家電や産業機械のキーボード用静電容量スイッチなど、さまざまな市場にアプリケーションを導入することに成功しています。^{[13] [14]}

20 世紀初頭に発行された特許には、絶縁材の層の間に挟まれた平らな電気導体への関心が示されています。その結果得られた電気回路は、初期の電話交換アプリケーションで使用されました。フレックス回路と呼べるものの最も初期の記述の 1 つは、ケン・ギリオ博士によって発見され、1903 年にアルバート・ハンセンがイギリスの特許で開示したもので、パラフィンでコーティング された紙の上に平らな金属導体からなる構造が説明されていました。トーマス・エジソンの当時の研究ノートには、リネン紙に塗布したセルロースガムをグラファイト粉末でコーティングして明らかにフレキシブル回路を作成しようと考えていたことが示されているが、それが実際に実行されたことを示す証拠はない。^{[引用が必要] [引用が必要]}

1947年にブルネッティとカーティスが出版した「プリント回路技術」^[15]には、フレキシブルな絶縁材料（紙など）の上に回路を作ることについての簡単な説明がある。1950年代には、ダールグレンとサンダースがワイヤーハーネスに代わるフレキシブルなベース材料に平らな導体を印刷およびエッチングするプロセスの開発と特許取得で大きな進歩を遂げた。1950年代にフォトサーキット社が出した広告は、フレキシブル回路に対する同社の関心を示している。^[要出典]

フレキシブル回路は、世界中でフレキシブル プリント配線、フレックス プリント、フレキシ回路などさまざまな名前で知られ、多くの製品に使用されています。フレキシブル回路技術を採用する方法を発見した日本の 電子パッケージング エンジニアの努力のおかげです。フレキシブル回路は、相互接続製品市場で最も急速に成長しているセグメントの 1 つです。フレキシブル回路技術の 1 つのバリエーションは「フレキシブル エレクトロニクス」と呼ばれています。これは、デバイスにアクティブ機能とパッシブ機能の両方を統合するものです。^{[引用が必要]}

フレキシブル回路の構造には大きなばらつきがあります。

片面フレキシブル回路には、フレキシブル誘電体フィルム上に金属または導電性（金属充填）ポリマーでできた導体層があります。部品の終端機能は片面からのみアクセスできます。ベースフィルムに穴を開けて、通常ははんだ付けによって部品のリード線を通し、相互接続できるようにします。片面フレックス回路は、カバー層やカバーコートなどの保護コーティングの有無にかかわらず製造できますが、回路上に保護コーティングを使用するのが最も一般的な方法です。スパッタ導電性フィルム上に表面実装デバイスを開発することで、透明 LED フィルムの製造が可能になりました。これは、 LED ガラスだけでなく、フレキシブルな自動車照明複合材にも 使用されています。

ダブル アクセス フレックス (バックベア フレックスとも呼ばれる) は、単一の導体層を持ちながら、両側から導体パターンの選択された機能にアクセスできるフレキシブル回路です。このタイプの回路には利点がありますが、機能にアクセスするための特殊な処理要件により、その使用が制限されます。

彫刻されたフレックス回路の製造には、特殊なフレックス回路の多段階エッチング法が使用され、長さに沿ったさまざまな場所で導体の厚さが異なる完成した銅導体を持つフレキシブル回路が生成されます。(つまり、導体はフレキシブル領域では薄く、相互接続ポイントでは厚くなります。)

両面フレックス回路には 2 つの導体層があります。メッキスルーホールの有無にかかわらず製造できますが、メッキスルーホールのバリエーションの方がはるかに一般的です。メッキスルーホールなしで構築された場合、接続機能は片側からのみアクセスでき、回路は軍事仕様に従って「タイプ V (5)」として定義されます。メッキスルーホールのため、回路の両側に終端が設けられ、コンポーネントをどちらの側にも配置できます。設計要件に応じて、両面フレックス回路は完成した回路の片側、両側、またはどちら側にも保護カバー層を付けて製造できますが、最も一般的には両側に保護層を付けて製造されます。大きな利点の 1 つは、クロスオーバー接続が容易なことです。多くの片側回路は、クロスオーバー接続があるため、両面基板上に構築されます。この使用例の 1 つは、マウスパッドをマザーボードに接続する回路です。その回路のすべての接続は、反対側を使用する小さなクロスオーバー接続を除き、基板の片側のみにあります。

3 層以上の導体を持つフレックス回路は、多層フレックス回路と呼ばれます。通常、層はメッキされたスルーホールによって相互接続されますが、これは必須ではありません。これは、より低い回路レベルの機能にアクセスするための開口部を設けることができるためです。スルーホールによって占められる領域を除き、層は構造全体にわたって連続的に積層される場合とそうでない場合があります。不連続積層は、最大限の柔軟性が求められる場合によく使用されます。これは、曲げや折り曲げが発生する領域を未結合のままにすることで実現されます。

リジッドフレックス回路は、剛性基板とフレキシブル基板を 1 つの構造に積層したハイブリッドです。リジッドフレックス回路は、コンポーネントの重量を支えるために補強材が取り付けられたフレックス回路であるリジッドフレックス構造ではありません。リジッドフレックス回路または補強フレックス回路には、1 つ以上の導体層があります。これらの用語は、まったく異なる製品を表します。

通常、層はメッキされたスルーホールによって相互接続されます。リジッドフレックス回路は、軍事製品の設計者によって選択されることが多く、商用製品でもますます採用されるようになっています。Compaq Computer は、 1990 年代にラップトップコンピューターのボードにこのアプローチを選択しました。コンピューターのメインのリジッドフレックス PCBA は使用中に曲がることはありませんでしたが、その後の Compaq の設計では、ヒンジ付きディスプレイ ケーブルにリジッドフレックス回路を使用し、テスト中に何万回もの曲げに耐えました。2013 年までに、消費者向けラップトップ コンピューターでのリジッドフレックス回路の使用は一般的になりました。

リジッドフレックス基板は通常多層構造ですが、2つの金属層構造が使用されることもあります。^[16]

ポリマー厚膜 (PTF) フレックス回路は、回路要素をポリマー フィルムに印刷します。通常は単一の導体層構造ですが、印刷された絶縁層によって分離された 2 つ以上の金属層を連続的に印刷できます。導電性が低いため特定の用途に限定されますが、PTF 回路は、わずかに高い電圧での低電力用途で使用されています。キーボードは一般的な用途です。

フレックス回路構造の各要素は、製品の寿命を通じて、その要求を一貫して満たす必要があります。さらに、材料は、製造の容易さと信頼性を保証するために、フレキシブル回路構造の他の要素と連携して確実に機能する必要があります。以下は、フレックス回路構造の基本要素とその機能の簡単な説明です。

ベース材料は、ラミネートの基礎となるフレキシブル ポリマー フィルムです。通常、フレックス回路のベース材料は、フレキシブル回路のほとんどの基本的な物理的特性と電気的特性を提供します。接着剤を使用しない回路構造の場合、ベース材料はすべての特性を提供します。幅広い厚さが可能ですが、ほとんどのフレキシブル フィルムは、12 μm ～ 125 μm (1/2 ミル ～ 5 ミル) の比較的薄い寸法の狭い範囲で提供されますが、より薄い材料やより厚い材料も可能です。薄い材料は当然より柔軟であり、ほとんどの材料では、剛性の増加は厚さの 3 乗に比例します。つまり、たとえば、厚さが 2 倍になると、材料の剛性は 8 倍になり、同じ負荷でたわむ量は 1/8 になります。ベース フィルムとして使用される材料には、ポリエステル (PET)、ポリイミド (PI)、ポリエチレン ナフタレート (PEN)、ポリエーテルイミド (PEI)、さまざまなフルオロポリマー (FEP)、コポリマーなどがあります。ポリイミドフィルムは、電気的、機械的、化学的、熱的特性の優れた組み合わせにより、最も普及しています。

接着剤は、ラミネートを作成するための結合媒体として使用されます。耐熱性に関しては、特にポリイミドがベース材料である場合、接着剤がラミネートの性能を制限する要素となるのが一般的です。ポリイミド接着剤に関連する以前の問題のため、現在多くのポリイミドフレックス回路では、異なるポリマーファミリーの接着剤システムが採用されています。しかし、いくつかの新しい熱可塑性ポリイミド接着剤が重要な進歩を遂げています。ベースフィルムと同様に、接着剤にはさまざまな厚さがあります。厚さの選択は通常、用途に応じて行われます。たとえば、カバー層の作成では、銅箔の厚さが異なる場合に発生する可能性のある充填要求を満たすために、異なる接着剤の厚さが一般的に使用されます。

フレキシブル ラミネートの導電要素として最も一般的に使用されるのは、金属箔です。金属箔は、通常、回路パスがエッチングされる材料です。さまざまな厚さの金属箔から選択してフレックス回路を作成できますが、銅箔はすべてのフレキシブル回路アプリケーションのほとんどで使用されています。銅は、コストと物理的および電気的性能特性のバランスが優れているため、優れた選択肢となっています。実際には、銅箔にはさまざまな種類があります。IPC は、プリント回路用の 8 種類の銅箔を特定しており、これらは 2 つのより広いカテゴリ (電気めっきと鍛造) に分けられ、それぞれに 4 つのサブタイプがあります。その結果、フレックス回路アプリケーションには、さまざまな最終製品のさまざまな目的に対応するために、さまざまな種類の銅箔が用意されています。ほとんどの銅箔では、ベース フィルムへの接着性を向上させるために、通常、箔の片面に薄い表面処理が施されます。銅箔には、鍛造 (ロール) と電気めっきの 2 つの基本的なタイプがあり、それらの特性はかなり異なります。圧延および焼きなましされた箔が最も一般的な選択肢ですが、電気メッキされたより薄いフィルムもますます人気が高まっています。

特定の非標準ケースでは、回路製造業者は、特殊な銅合金や他の金属箔などの指定された代替金属箔を使用して、特殊なラミネートを作成するように求められる場合があります。これは、ベースフィルムの性質と特性に応じて、接着剤の有無にかかわらず、ベースフィルムに箔をラミネートすることによって実現されます。^{[引用が必要]}

仕様は、製品がどのように見えるか、どのように機能するかについての共通の理解を提供するために開発されます。標準は、Association Connecting Electronics Industries (IPC) などのメーカー協会とフレキシブル回路のユーザーによって直接開発されます。

IEEEフレキシブルエレクトロニクスジャーナル（J-FLEX）^[17]

IEEE国際フレキシブルエレクトロニクス技術会議（IFETC）^[18]

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