Transgresser les règles : Concevoir des circuits flexibles pour des applications dynamiques

Les circuits flexibles permettent des conceptions compactes, légères et adaptables que les PCB rigides ne peuvent pas réaliser. Des dispositifs portables aux systèmes robotiques, les PCB flexibles excellent dans les applications nécessitant un mouvement constant. Cependant, ces environnements dynamiques posent des défis uniques pour la conception de circuits, exigeant un mélange d'expertise technique et de planification stratégique.

Dans ce blog, nous examinerons la conception de circuits flexibles pour des applications dynamiques. De la compréhension de la science des matériaux aux défis communs, ce blog dotera les concepteurs de PCB des connaissances nécessaires pour créer des cartes de circuits flexibles durables et fiables.

Qu'est-ce qui rend les circuits flexibles essentiels pour les applications dynamiques ?

Les PCB flexibles se distinguent par leur capacité à s'adapter à des espaces restreints et à supporter des pliages et torsions répétés. Cela les rend utiles dans des applications où les PCB rigides échoueraient, telles que :

• Les appareils électroniques portables comme les trackers de fitness et les montres intelligentes.
• La robotique, où les circuits doivent gérer un mouvement continu dans les bras et articulations robotiques.
• Les systèmes automobiles, incluant les airbags, capteurs et l'éclairage intérieur.
• Les écrans pliables et enroulables dans les smartphones de pointe et les appareils portables.

Ces applications dynamiques nécessitent des conceptions capables de résister au stress mécanique et au mouvement répétitif sans compromettre la performance.

Science des Matériaux

Les matériaux que vous sélectionnez pour un circuit flexible ont un impact significatif sur sa performance dans les applications dynamiques. Décortiquons les matériaux essentiels et leurs rôles :

Matériaux de base

• Polyimide (PI) : Le matériau le plus couramment utilisé pour les circuits flexibles en raison de sa résistance mécanique excellente, de sa flexibilité et de sa résistance à la chaleur.
• Polymère à cristaux liquides (LCP) : Idéal pour les applications nécessitant une faible absorption d'humidité et une performance haute fréquence supérieure.

Types de cuivre

• Cuivre laminé recuit (RA) : Préféré pour les applications dynamiques en raison de sa surface lisse et de sa haute ductilité. Le cuivre RA est moins sujet aux fissures sous contrainte répétée par rapport au cuivre électro-déposé (ED).
• Laminés sans adhésif : Les constructions sans adhésif éliminent les points faibles potentiels, tels que le délaminage, et offrent une épaisseur de matériau réduite, améliorant la capacité du circuit à résister à la flexion répétée.

Un exemple de superposition rigide-flexible avec construction en reliure est montré ci-dessous. Lisez plus sur l'approche de conception de ces superpositions dans cet article.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Tester pour réussir : Tests de flexion dynamique et de cycles de flexion

Concevoir pour des environnements dynamiques nécessite des tests rigoureux pour valider la durabilité d'un circuit. Les tests simulent les conditions réelles pour prédire la durée de vie et la fiabilité du PCB flexible.

Méthodes de Test Clés

• Test de Flexion : Détermine combien de pliures un circuit peut supporter avant que la fatigue des conducteurs ne commence.
• Test de Torsion : Évalue la capacité du circuit à gérer le stress torsionnel, un facteur critique dans les applications robotiques et automobiles.
• Test de Stress Environnemental : Inclut les tests de cyclage thermique et de résistance à l'humidité pour simuler des conditions d'opération difficiles.

Conseils de Conception pour les Circuits Flexibles dans les Applications Dynamiques

Lors de la conception de PCBs flexibles pour une utilisation dynamique, chaque détail compte. Un petit oubli peut entraîner la fissuration des conducteurs, la délamination, ou une défaillance prématurée. Voici quelques conseils essentiels :

Optimiser le Routage des Traces

• Courbes Douces Plutôt que Coins Aigus : Les coins aigus concentrent le stress et peuvent conduire à des fissures. Si les traces doivent être routées sur une région de pliage, utilisez des traces courbées pour répartir le stress plus uniformément plutôt que de placer un coin à 45° dans la région de pliage.
• Orientation Parallèle des Traces : Lors du routage près d'une région de pliage, envisagez de router les traces parallèlement à l'axe de pliage pour réduire le stress mécanique lors de la flexion. Mettez suffisamment d'espace entre les traces pour qu'elles ne tombent pas trop près de la zone de pliage.

Décaler les Vias pour Réduire la Concentration de Stress

• Évitez d'aligner les vias en une rangée droite, car cela crée une concentration de contraintes à travers la rangée de vias. À la place, décalez les vias pour répartir uniformément la contrainte à travers le circuit.

Utilisez des Gouttes sur les Pads et les Vias

• Les pads en forme de goutte réduisent la concentration de contrainte aux jonctions trace-pad, prévenant la défaillance mécanique lors de la flexion. Apprenez-en plus sur l'application de gouttes sur les pads et les vias.

Renforcez les Zones de Haute Contrainte

Les régions des connecteurs et les joints de soudure sont particulièrement sujets à la contrainte. Si ces zones subissent une flexion excessive ou répétée, les pads en cuivre pourraient se délaminer ou les joints de soudure pourraient se fissurer. Envisagez de renforcer ces zones avec des renforts en polyimide, des couches de cuivre plus épaisses, ou ajoutez des trous de montage pour fixer le circuit flexible à un boîtier.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Choisissez un Masque de Soudure Flexible

Un masque de soudure standard peut se fissurer sous l'effet de flexions répétées. Cependant, il existe des options de masque de soudure flexible (connu sous le nom de couverture en polyimide) pour protéger les traces de cuivre tout en permettant un mouvement dynamique.

Aborder les Défis Communs dans les Circuits Flexibles Dynamiques

Les applications dynamiques présentent des défis uniques, mais des stratégies de conception proactives peuvent atténuer ces risques.

Fatigue du Conducteur

La flexion répétée peut conduire à des microfissures dans les conducteurs en cuivre.
Solution : Utilisez du cuivre recuit laminé et concevez avec un rayon de courbure adéquat pour réduire la contrainte.

Décollement

Les circuits flexibles avec des couches adhésives peuvent se décoller sous l'effet du stress ou de l'humidité élevée.
Solution : Sélectionnez des stratifiés sans adhésif ou des adhésifs à haute résistance de liaison.

Problèmes d'Expansion Thermique

Les taux d'expansion différents entre les matériaux peuvent causer un stress mécanique dans les environnements avec des fluctuations de température.
Solution : Choisissez des matériaux avec des coefficients de dilatation thermique (CDT) compatibles pour minimiser ce risque.

Failles Induites par les Vibrations

Dans les applications automobiles et aérospatiales, les vibrations constantes peuvent dégrader l'intégrité du circuit.
Solution : Utilisez des renforts renforcés et des matériaux d'amortissement des vibrations.

Applications Passionnantes des Circuits Flexibles Dynamiques

Les circuits flexibles alimentent certaines des technologies les plus innovantes de notre époque. Voici quelques exemples :

Électronique Portable

Les montres intelligentes et les traqueurs d'activité comptent sur les circuits flexibles pour maintenir leur fonctionnalité malgré un mouvement constant et un contact étroit avec le corps.

Appareils Pliables

Les derniers smartphones et tablettes présentent des conceptions pliables, rendues possibles par des circuits flexibles ultra-minces qui peuvent se plier à répétition sans se rompre.

Systèmes Robotiques

Les circuits flexibles sont utilisés dans certains bras robotiques, où ils peuvent supporter des torsions et des flexions pour fournir de l'énergie et des données aux parties mobiles.

Automobile

Certains systèmes d'éclairage dans les automobiles nécessitent des PCB flexibles capables de résister aux vibrations et aux extrêmes de température.

Tendances émergentes dans la conception de PCB flexibles

L'avenir des circuits flexibles est passionnant, avec de nouveaux matériaux et technologies repoussant les limites du possible. De nouveaux matériaux et des matériaux commerciaux plus avancés actuellement disponibles offrent une nouvelle classe de dispositifs électroniques sur des plateformes flexibles.

Circuits extensibles

Les électroniques extensibles peuvent se plier et s'étirer comme du caoutchouc, permettant de nouvelles utilisations dans les dispositifs médicaux, les e-textiles et la technologie portable.

Applications haute fréquence

Certains designs qui implémentent des composants ou des circuits haute fréquence/RF sur des conceptions flexibles peuvent utiliser des matériaux comme le LCP, qui offre un angle de perte inférieur à celui des mélanges de polyimide.

Certains matériaux de PCB flexibles, spécifiquement le polyéthylène (PET), sont transparents à toutes les couleurs de la lumière visible. À comparer avec le polyimide traditionnel, qui n'est transparent qu'à la lumière orange.

E-Textiles

Les tissus intelligents intègrent directement des circuits flexibles dans les textiles, permettant des applications telles que le suivi de la santé, les vêtements en réalité augmentée et plus encore.

Conclusion : Maîtriser l'art de la conception de circuits flex dynamiques

La conception de circuits flexibles pour des applications dynamiques est à la fois un art et une science. La réussite dépend du choix des bons matériaux, de tests rigoureux pour garantir la durabilité, et de l'application des meilleures pratiques pour atténuer les contraintes mécaniques.

Des dispositifs portables et la robotique aux véhicules automobiles et aux appareils pliables, les PCB flexibles sont à la pointe de l'innovation moderne. En relevant les défis de manière proactive et en tirant parti des tendances émergentes, les concepteurs de PCB peuvent créer des circuits robustes qui répondent aux exigences des environnements les plus dynamiques.