フレキシブルプリント基板の製造における技術革新

はじめに

フレキシブルプリント基板（FPC）は、電子機器の小型化・軽量化を実現するために欠かせない部品です。
その特長は、軽く、薄く、折り曲げることができることにあります。
近年、スマートフォンやウェアラブルデバイス、自動車電子機器など多くの分野でFPCの需要が急増しており、その製造技術にも多くの革新が見られます。
本記事では、FPC製造における最新の技術革新について、現場目線で詳しく解説していきます。

フレキシブルプリント基板の基本概要

FPCとは、ポリイミドやポリエステルといった柔軟性のある材料を基材としたプリント基板のことを指します。
これにより、従来の硬質のPCB（プリント回路板）では実現できない自由な形状が可能になります。
そのため、機器内部のスペースの有効活用が求められる現代の製品設計において、大きな役割を果たしています。

製造工程の技術革新

レーザー加工技術の進化

レーザー加工はFPCの製造に欠かせない技術の一つです。
高精度なカッティングを可能にし、配線パターンを細かく設計できることが特徴です。
近年では、短波長のUVレーザーを使用することで、さらに細かい加工が可能になったり、加工スピードが向上したりしています。
これにより、生産性が飛躍的に向上し、より複雑なFPCの製造が可能となっています。

リジッド・フレックス基板の需要拡大

リジッド・フレックス基板は、FPCの柔軟性と硬質基板の強度を兼ね備えた基板です。
このハイブリッド基板は、複雑な設計を要求するデバイスにおいても高い信頼性を維持することができます。
こちらも製造プロセスが進化し、巻き取りによる加工や自動連続製造システムの導入などにより、コスト削減と量産化が実現されています。

品質管理での技術革新

AIによる検査システムの導入

FPCの品質管理には、従来よりも高精度な検査が求められています。
そのため、AIを活用した検査システムを導入する例も見られます。
画像認識技術を用いたAIは、微細な不良箇所を自動で検出し、品質向上に寄与しています。
また、検査のスピードを大幅に向上させるため、生産効率の最適化にも繋がっています。
ただし、検査の装置は欠陥を見つける手段であって、どの大きさの欠けや気泡までを合格とするかという判定の基準は、装置とは別に発注側と仕入先で決めておく必要があります。基準の決め方は後述の「品質を何で確かめるか」で扱います。

トレーサビリティの強化

FPCの製造プロセスにおいては、材料や加工の履歴を追跡することが重要です。
RFIDタグなどを使って各工程のデータを収集し、トレーサビリティを強化しようとする取り組みもあります。
これにより、不良の発生原因を迅速に特定し、品質管理の改善へとつなげることができます。
その出発点になるのは、出荷する包装に製造ロット番号か製造年月を表示し、そこから製造工程をたどれるようにしておくことです。JPCA の性能ガイドも、包装に表示する項目として、品名または製品コード、包装内の数量、製造業者名とともに「製造工程の追跡ができる製造ロット番号又は製造年月」を挙げています^[1]。購買の側は、この表示を受入時に記録として残せるよう、発注の仕様に含めておきます。

工場の自動化への取り組み

スマートファクトリー化の推進

FPC製造業界でも、IoTやビッグデータを活用したスマートファクトリー化が進行しています。
工場内の設備とネットワークを連携させ、製造プロセス全体の最適化を図る取り組みです。
リアルタイムで設備の稼働状況や品質情報を把握することができ、柔軟な生産計画の立案が可能になります。

ロボティクスの導入

製造業の多くの現場で自動化を進めるために、ロボティクス技術が導入されています。
FPC製造においても、搬送・組み立て工程に人手を介さないロボットが活躍しています。
精密な作業を安定して行うことができるため、生産のスピードと精度が向上し、人手不足の問題を解決する一助となっています。

持続可能性への取り組み

環境負荷低減のための材料開発

FPCの製造においても、環境負荷を低減するための取り組みが求められています。
例えば、リサイクル可能な材料や、環境に優しいプロセスを用いた製品の開発が進められています。
また、製造過程での廃棄物やエネルギー消費の削減を図るための技術も重要です。

サプライチェーンの見直し

製造業全般において、サプライチェーンの透明性や効率性が重要視されています。
FPCの製造においても、供給元の環境パフォーマンスを考慮した材料選定や、物流プロセスの効率化が図られています。
これにより、持続可能なサプライチェーンを構築し、製造コストの削減と環境保護を両立させることができます。

FPC を調達するとき、仕様で決めておくこと

ここまでの製造技術の話とは別に、購買の側で決めておかないと、複数の仕入先から取った見積が比べられない項目がある。同じ外形図を渡しても、基材や銅箔の種類、端子の表面処理、品質のレベルが決まっていなければ、各社は自社の標準で見積もる。安い見積が、実は屈曲性や外観の基準を一段下げたものだった、ということが起こる。

FPC の構成で最初に決まるのは基材と層の数である。JIS C 5017 は、銅張積層板を使いサブトラクティブ法で作る FPC のうち、ポリエステルフィルムまたはポリイミドフィルムを基材とする片面と、ポリイミドフィルムを基材とする両面を対象にしている^[3]。JPCA-DG02 も、ポリエステルフィルムまたはポリイミドフィルムの片面・両面銅張積層板を使う FPC を対象とし、ビルドアップ法で作るものは含めていない^[1]。多層やリジッド・フレックスのように、こうした規格の対象から外れる構成を頼むときは、基準を個別に決める範囲が広くなると考えておく。

銅箔の種類も、使い方で選び分ける。資源・素材学会誌の論文は、プリント配線板用の銅箔を硬い基板用と FPC 用に大別したうえで、FPC の中でも特に高い耐屈曲性が求められる用途には圧延銅箔が使われると述べている^[4]。組み立てるときに一度曲げるだけなのか、ヒンジ部のように製品の使用中に繰り返し曲がるのかで、指定すべき銅箔と試験の条件が変わる。

端子の表面処理は、はんだ付けのしやすさだけで選ぶと後で困ることがある。JPCA-DG02 の付属書は、鉛を含むはんだめっきから錫系めっきに切り替える場合、ウィスカ（ひげ状の結晶）の発生による回路間の短絡や異物の発生が懸念されるとし、その程度は部品の材質や形状、加わる応力に左右されるため、FPC を組み込んだ実機の状態での検討が必要だとしている^[1]。ウィスカの発生がまったく許容できない用途では、設計の段階で金めっきか有機防錆皮膜処理を選ぶ必要があるとも書いている^[1]。

品質を何で確かめるか——レベルと試験方法を指定する

FPC の外観、寸法、性能の基準として使われるものに、日本電子回路工業会（JPCA）の性能ガイド JPCA-DG02「片面及び両面フレキシブルプリント配線板」がある。この規格は、要求される特性ごとに、通常のレベルが要求されるレベル 1、高いレベルのレベル 2、特に高いレベルのレベル 3 の三つの標準レベルと、受渡当事者間で仕様を明確に協定しなければならない特殊なレベル X に分けている^[1]。レベルは規定する項目ごとに独立して選べるので、外観は通常の水準でよいが端子部のめっきだけは高い水準にする、といった指定ができる^[1]。

試験の方法は、この規格では原則として JIS C 5016 によるとされている^[1]。JIS C 5016「フレキシブルプリント配線板試験方法」は、製造方法に関係なく、電子機器に用いる片面および両面の FPC の試験方法を定めた規格で、1994 年に改正されたあと確認が続き、2024 年 10 月 21 日に確認されて有効とされている^[2]。古い年号の規格だから使えない、ということではない。発注の仕様には「JPCA-DG02 のレベル○、試験方法は JIS C 5016 による」のように、レベルと試験方法の両方を書く。

レベルによって、許される欠陥の大きさがどれだけ違うかを、JPCA-DG02 からいくつか拾うと次のとおりである^[1]。

表のとおり、レベル 3 の寸法や厚さは「協定による」とされていて、規格を指定しただけでは値が決まらない。繰り返し曲げる用途で最も大事な耐屈曲性も同じで、JPCA-DG02 は、カバーレイを施した FPC が受渡当事者間で協定した屈曲半径と繰返し速度での屈曲回数を満足すること、としか定めていない^[1]。耐折性も、協定した折り曲げ部の曲率半径と荷重のもとでの折り曲げ回数で判定する^[1]。一方、値が決まっている項目もあり、導体の引きはがし強さは 0.49N/mm 以上とされている^[1]。購買の側で数字を書かなければ決まらない項目と、規格を指定すれば決まる項目を分けて、前者を見積依頼の段階で書いておく。

判定に迷いやすい外観の項目については、受渡当事者間の協定で限度見本を作って判定基準にすることができる、とも定めている^[1]。量産に入る前に、試作品から合格と不合格の境目にあたる見本を双方で決めて保管しておくと、受入検査での食い違いが減る。

実装と保管の条件まで、発注量に入れる

FPC は、買ってから使うまでの期間にも制約がある。JPCA-DG02 の付属書は、ポリイミドベースの FPC について、基材とカバーレイに使うポリイミドが非常に吸湿しやすく、フィルム単体では約 4 時間で吸湿が飽和すると説明している。吸湿した状態でリフローなどのはんだ付けを行うと、急な温度変化で膨れが出やすくなるため、実装の前工程として予備乾燥を加えることを推奨している^[1]。乾燥の条件はパターンの構成と補材で変わり、片面・両面とも信号ラインのような細いパターンだけで補材のないものは 80℃で 30 分以上、グランドラインなどのベタパターンがあり、ガラスエポキシ板などの補材を付けた両面 FPC は 120℃で 2 時間以上とされ、表全体では 80〜120℃、30 分以上〜2 時間以上の幅がある^[1]。

保管の期間にも目安がある。同じ付属書は、導体部分の防錆処理の有効期間を、温度・湿度を管理した室内での保管で製造後 6 か月、めっきやクリームはんだの場合は 1 年を目処としている^[1]。予備乾燥を済ませた FPC は、乾燥した当日にはんだ付けすることを推奨し、翌日になる場合は防湿袋にシリカゲルを入れて封をすれば 1 か月程度まで延ばせるとしている^[1]。

購買の判断に置き換えると、単価を下げるために半年分、1 年分をまとめて買うと、使う前に防錆処理の目安の期間を過ぎるおそれがある。まとめ買いの量は、単価の差だけでなく、防錆の期間と乾燥・保管の手間まで含めて決める。発注の仕様には、包装の防湿の水準（JPCA-DG02 では、輸送中の傷を防ぐレベル 1、室温保管中の湿気を避けるレベル 2 などに分けている^[1]）と、製造年月の表示も入れておく。

発注するときの取引上の注意

自社の図面を渡して FPC を作らせる取引は、取適法の上では部品の製造の委託に当たりうる。取適法のテキストは、製造委託を、事業者が業として行う販売や製造の目的物である物品や、その半製品・部品・附属品・原材料の製造を他の事業者に委託することとし、それらの製造に専ら用いる金型、木型その他の物品の成形用の型若しくは工作物保持具その他の特殊な工具の製造の委託も含めている^[5]。テキストは工作物保持具その他の特殊な工具を、工作物を固定するいわゆる治具や、切削工具のような特殊な工具であって目的物の製造に専ら用いられるもの、と説明している^[5]。FPC 本体のほか、外形を打ち抜くための抜き型や、加工で FPC を固定する治具を仕入先に作らせる場合も、その FPC の製造に専ら用いるものなら、この範囲に入る。実際に対象になるかは、取引の類型に加えて、自社と仕入先の資本金や従業員数で決まる。資本金と従業員数による判定は自社の取引は取適法の対象かで、取引がどの類型に当たるかは製造委託・修理委託・情報成果物・役務提供——どれに当たるかで確かめる。対象になるなら、発注のたびに給付の内容や代金などを示す義務がある。示す項目は発注書とは｜取適法の「4条明示」12項目にまとめてある。

型を仕入先に預けたままにする場合も注意が要る。テキストは、部品の発注を長期間行わないなどの事情があるのに、型の保管費用を支払わずに保管させることは、不当な経済上の利益の提供要請に当たるとしている^[5]。モデルの切り替えが早い製品では、量産が終わったあとに抜き型が仕入先に残りやすい。保管、廃棄、回収のどれにするかを決める手順は有償支給材と金型代で扱っている。

EU に出す製品に組み込む場合は、化学物質の規制も仕様に入る。EU の RoHS 指令は、電気電子機器を構成する均質材料あたり、付属書 II に定める物質をそれぞれの最大許容濃度を超えて含まないことを求めており、許容濃度は鉛や六価クロムなど 9 物質が 0.1％、カドミウムが 0.01％である^[6]。FPC は、めっき、はんだ、カバーレイの接着剤など、性質の違う材料の重なりでできているので、どの材料について確認したかが分かる形で回答をもらう。仕入先から適合をどう確かめるかはRoHS適合を仕入先からどう確かめるかで詳しく扱っている。

よくある質問

海外の仕入先にも、JPCA-DG02 のレベルで指定できますか

指定はできる。JPCA-DG02 には、日本語の本文のあとに英語の版（Performance Guide for Single- and Double-sided Flexible Printed Wiring Boards）が収録されている^[1]。ただし、相手が規格の本文を持っていなければ、レベルを書いただけでは数字が伝わらない。数字が要る項目は、規格のレベルとあわせて値そのものを図面や仕様書に書いておく。

試作と量産で、同じ仕様書を使えばよいですか

項目は同じでよいが、レベル X や「協定による」とした項目の値は、試作の評価を経て確定させる。耐屈曲性の回数や限度見本は、試作品で決めた内容を量産の仕様書に書き写し、版を上げて仕入先と共有する。試作のときに口頭で済ませた条件が量産の仕様書に残っていないと、量産の受入検査で判定の基準がなくなる。

まとめ

フレキシブルプリント基板の製造における技術革新は、電子機器のさらなる進化と密接に関連しています。
製造工程の効率化から品質管理、工場の自動化、そして持続可能性まで、幅広い分野での革新が実現されています。
これらの技術は、製造業の未来を担う重要な要素となっています。
新しい地平線を開拓し続けるFPC製造業界において、引き続き注目していきたい分野です。

調達する立場で見ると、新しい製造技術を採り入れた仕入先を選ぶことと、仕様を詰めることは別の仕事である。基材、銅箔、表面処理、補強板、屈曲の条件、品質のレベルと試験方法を仕様に書き、実装前の乾燥と保管の期間まで含めて発注量を決める。図面を渡して作らせる取引では、取適法の対象かどうかと、型の扱いも先に確かめておく。

出典・参考資料

1. JPCA-DG02 片面及び両面フレキシブルプリント配線板（社団法人 日本電子回路工業会／平成 9 年 12 月制定・平成 18 年 5 月改正）
2. JIS C 5016:1994 フレキシブルプリント配線板試験方法（日本規格協会 Webdesk）
3. JIS C 5017:1994 フレキシブルプリント配線板―片面・両面（日本規格協会 Webdesk）
4. 電解銅箔の製造および特性評価に関する技術的問題について（大宮司弘昌／資源と素材 107 巻 12 号／1991 年）
5. 中小受託取引適正化法テキスト「下請法」から「取適法」へ（公正取引委員会・中小企業庁／令和 7 年 11 月）
6. EU RoHSに関するFAQ（一般社団法人 日本半導体製造装置協会）

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