Comparaison entre la conception de flexibles statiques et dynamiques : rayon de courbure des PCB rigides-flexibles et autres considérations mécaniques

Que cela vous plaise ou non, les PCB flexibles et rigide-flexibles sont là pour rester, et les électroniques de plus en plus flexibles sortent de la phase de recherche pour entrer dans l'industrie. Les PCB flexibles sont désormais utilisés pour bien plus que simplement alimenter un moteur dans votre disque dur magnétique. Tout appareil contenant un élément pliable ou translatif inclut probablement un PCB flexible dynamique.

Avec la croissance du marché des PCB flexibles atteignant des dizaines de milliards, les concepteurs de PCB ont tout intérêt à apprendre autant qu'ils le peuvent sur la conception de PCB flexibles statiques et dynamiques. Le prochain produit de votre entreprise ou la refonte d'un produit existant pourrait en dépendre.

PCB Flexibles Statiques vs. Dynamiques

Tout PCB flexible est lié à un PCB rigide-flexible en ce qu'ils utilisent les mêmes matériaux pour la couche flexible. Plutôt que d'avoir des sections rigides avec un noyau en polyimide entouré de cuivre et de prepreg, un PCB flexible est entièrement construit à partir d'un matériel flexible. Le polyimide est généralement utilisé car il est facilement adaptable aux processus de fabrication rigide-flexible et est relativement peu coûteux, bien que des matériaux polymères comme le polyéthylène naphtalate (PEN), le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et l'Aramid peuvent également être utilisés pour les rubans flexibles.

Les PCB flexibles peuvent être conçus comme des PCB dynamiques ou statiques. Concevoir l'un ou l'autre type de PCB flexible est autant un exercice mécanique qu'électrique. Les logiciels de conception de PCB dotés de fonctionnalités de collaboration ECAD/MCAD sont excellents pour concevoir les deux types de PCB flexibles. Lors de la planification d'un empilement et du placement des pistes sur les PCB flexibles, la section courbée de la carte doit être traitée comme une plaque rectangulaire courbée lors de l'analyse mécanique. Cela est vital pour déterminer l'épaisseur de piste adéquate afin d'éviter les fissures et les défaillances.

Que vous conceviez un PCB flexible statique ou dynamique, un empilement flexible global plus épais nécessite un rayon de courbure plus grand. Cela réduit la quantité de stress en tension et en compression de se concentrer le long de la courbure tout en formant le PCB à l'angle désiré. Placer un rayon de courbure plus petit dans un PCB plus épais peut causer le regroupement du revêtement de protection à la couche de surface à l'intérieur de la courbure. Cela met alors plus de stress en cisaillement compressif sur les pistes qui se trouvent à l'intérieur de l'axe de flexion neutre. Si vous souhaitez réduire l'épaisseur globale, il existe des revêtements flexibles disponibles qui ne nécessitent pas d'adhésif.

PCB Flexibles Statiques : Considérations de Fabrication

Une fois qu'un circuit imprimé flexible statique est fabriqué, il est généralement plié pendant l'assemblage jusqu'au rayon de courbure souhaité et à l'angle de pliage à l'aide d'un outil de formage compressif. Cet outil agit comme un étau, et des outils de formage personnalisés peuvent être utilisés pour réaliser plusieurs plis simultanément dans un seul ruban flexible.

Les circuits imprimés flexibles statiques sont typiquement surformés au-delà du point de rendement, ce qui signifie qu'ils sont pliés au-delà de leur rayon de pliage prévu afin de garantir une certaine déformation plastique pendant le formage. Cela empêche le circuit imprimé flexible de revenir à sa forme originale une fois qu'il est retiré de l'outil de formage. Lorsque le rayon de pliage statique et l'angle sont spécifiés dans un PCB statique, vous devriez en fait prévoir une marge de sécurité dans l'épaisseur de vos pistes afin d'éviter les fissures capillaires et la défaillance pendant la surformation.

Ruban flexible statique pour un dispositif médical, comme présenté dans Electronics Weekly.

L'intuition pourrait dire que les pistes devraient être plus épaisses afin de résister au stress requis pendant la surformation, mais l'intuition n'est pas toujours correcte. En fait, plus le circuit est épais, moins il peut se plier sans dommage. Les circuits imprimés flexibles plus épais nécessiteront une surformation plus importante pour se conformer au rayon de courbure et à l'angle souhaités. Cela place encore plus de stress sur les pistes pendant le formage.

Tout comme une plaque rectangulaire pliée, il y aura un axe neutre de flexion à travers la carte flexée, qui définit une courbe le long de laquelle il n'y a pas de contrainte de traction ou de compression longitudinale. Les pistes plus fines peuvent supporter une plus grande contrainte de compression que de traction, donc les pistes plus fines peuvent être placées à l'intérieur de l'axe neutre de flexion. Le déplacement de l'axe neutre de flexion dépendra du rayon de courbure. Une bonne règle empirique pour le rayon de courbure minimal est d'utiliser l'équation suivante :

Si l'empilement et l'épaisseur des pistes sont choisis correctement, suivre cette règle garantira que l'axe neutre de flexion ne se déplacera pas de manière appréciable par rapport à la ligne médiane du PCB. À mesure que le nombre de couches augmente, cela garantira que vous respectez les normes IPC 2223C concernant le rapport de flexion (rayon de courbure divisé par l'épaisseur) dans les PCB flexibles.

PCB flexibles dynamiques : Durabilité

De nombreuses considérations de conception identiques pour les PCB flexibles statiques s'appliquent également aux PCB flexibles dynamiques. Un problème critique dans les PCB flexibles dynamiques est le durcissement par écrouissage lors de flexions répétées. Le cuivre va s'écrouir sous l'effet de cycles répétés, devenant finalement fragile et sujet à la fracture. La durabilité peut être prolongée en permettant simplement un plus grand rayon de courbure. Il est généralement conseillé que les PCB flexibles dynamiques ne dépassent pas un angle de courbure de 90°.

Lorsque le PCB se plie, l'axe neutre de flexion se déplacera vers l'intérieur du pli. Cela est très important dans les PCB flex dynamiques car cela limite le nombre de couches de cuivre autorisées à un faible nombre, typiquement une seule couche qui coïncide avec l'axe neutre de flexion. Bien que le cuivre soit ductile, il va se durcir sous l'effet du travail lorsqu'il est placé de manière répétée sous contrainte. Si vous choisissez d'utiliser plus d'une couche dans un PCB flexible, les pistes doivent être décalées, c'est-à-dire qu'elles ne doivent pas se chevaucher dans les couches adjacentes, afin d'éviter une contrainte excessive sur les pistes plus éloignées de l'axe neutre de flexion.

Pour éviter une contrainte excessive sur les pistes, assurez-vous de permettre une marge de sécurité suffisante et faites attention au rayon de courbure minimum. Assurez-vous que le rayon de courbure minimum est plus petit que le rayon de courbure prévu afin d'éviter une contrainte sur les bords du circuit imprimé. Cela ralentira le durcissement sous l'effet du travail et aidera à prolonger la durée de vie utilisable du PCB.

Ruban flex statique pour un disque dur

Alors que la conception de PCB flex continue de se frayer un chemin dans davantage d'appareils, les concepteurs ont besoin d'un logiciel pour les PCB flex qui facilite la conception de l'empilement des couches, la planification de la production, et plus encore. Altium Designer fournit ces outils de conception importants, des outils de CAO mécanique, et bien plus encore dans une interface de conception unifiée. L'interface de conception intuitive et le moteur de conception basé sur des règles sont facilement adaptables à la conception de PCB rigides, rigide-flex et entièrement flexibles.

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