Poids du cuivre en rigide-flex : pourquoi une seule spécification ne fonctionne pas dans tous les cas

Il y a plusieurs années, nous avons reçu un rigide-flex qui était passé par de multiples revues de conception avant même d’arriver en production. Bonne équipe, processus rigoureux, rien d’évidemment problématique. Quand les cartes sont revenues, la zone flexible ne se pliait pas. Pas du tout. Elle était rigide sur toute la zone censée fléchir. Trop de couches laminées ensemble sur une portée trop courte.

La nouvelle itération a dissocié ces couches dans la zone flexible pour qu’elles puissent bouger indépendamment. Ce seul changement a fait toute la différence entre une carte fonctionnelle et une carte inutilisable.

Ce projet me revient à l’esprit chaque fois qu’un rigid-flex design arrive avec un seul poids de cuivre spécifié pour l’ensemble de la carte. Ce n’est pas toujours une erreur, soyons clairs. Mais c’est un signal qui mérite qu’on y regarde de plus près, car le poids de cuivre dans un rigide-flex n’est pas réellement une décision unique, mais plusieurs, qui interagissent avec l’empilage de couches de façons qui ne deviennent visibles que lorsque quelque chose ne bouge pas comme il le devrait.

Points clés à retenir

• Le poids de cuivre dans un rigide-flex dépend de la zone. Ce qui fonctionne dans la section rigide peut créer de vrais problèmes dans la zone flexible.
• La zone de transition entre rigide et flexible a son propre ensemble de contraintes.
• Le cuivre recuit laminé se comporte différemment du cuivre électrodéposé dans les applications flex, et cette différence compte lorsque la durée de vie en flexion est une exigence.
• L’empilage de couches et la spécification du cuivre doivent être développés ensemble, pas l’un après l’autre.

La zone rigide

Dans les sections rigides d’un rigide-flex, les décisions concernant le poids de cuivre ressemblent beaucoup aux pratiques PCB standard. Une once est un point de départ courant. Deux onces apparaissent lorsque la capacité de transport de courant ou les exigences d’ impedance poussent dans cette direction. Les règles de conception, les structures de vias et les considérations de métallisation sont similaires. Tout cela est familier pour quiconque a déjà conçu des cartes rigides.

Voici le piège. Le poids de cuivre choisi dans la zone rigide affecte ce qui est réalisable dans la zone flexible, parce qu’ils font partie du même système laminé. Si le cuivre des couches externes dans la section rigide est épais, ce même cuivre se prolonge dans la zone flexible, que cela ait été prévu ou non. Ce n’est pas automatiquement un problème, mais cela doit être réfléchi.

La zone flexible

C’est la zone où les décisions relatives au poids de cuivre ont l’impact le plus direct sur le fait que la carte fonctionne comme prévu ou non.

Un cuivre plus épais signifie un circuit plus rigide. Cela paraît évident, mais les implications pratiques ne sont pas toujours prises en compte au moment du routage. Un cuivre d’une demi-once est courant dans les zones flex exactement pour cette raison. Il se plie plus facilement, répartit les contraintes plus uniformément sur la section transversale et résiste mieux aux cycles répétés de flexion qu’un cuivre plus épais. Dans une application flex dynamique, un cuivre d’une once mérite une discussion avec votre fabricant avant l’envoi du design. Deux onces sont rarement le bon choix dans une zone flexible, sauf si les exigences de pliage sont essentiellement statiques et que la capacité en courant ne laisse pas d’autre option.

Le type de feuille de cuivre compte aussi, et c’est l’un des éléments que je vois le plus souvent insuffisamment spécifiés sur les plans de fabrication. Le cuivre électrodéposé est la valeur par défaut dans la plupart des fabrications rigides, et il convient bien aux zones rigides. Dans les zones flex soumises à des pliages répétés en revanche, le rolled annealed copper est le meilleur choix. La structure de son grain suit une direction qui supporte nettement mieux les contraintes de flexion que le cuivre ED. Si la durée de vie en flexion est importante pour votre application et que le cuivre RA n’est pas spécifié dans la zone flexible, cela mérite réflexion.

La géométrie des pistes interagit aussi avec le poids de cuivre de façons faciles à négliger. Un cuivre plus fin permet des pistes plus étroites pour une cible d’impédance donnée, ce qui signifie moins de masse de cuivre en mouvement avec le circuit. Faire passer les pistes perpendiculairement à l’axe de pliage, utiliser un routage courbe plutôt que des angles droits, équilibrer la répartition du cuivre sur la section transversale : tout cela relève des bonnes pratiques standard du flex, et tout fonctionne mieux avec le bon poids de cuivre en dessous.

La zone de transition

La zone où le rigide rencontre le flexible est là où beaucoup de problèmes de rigide-flex commencent réellement, et le poids de cuivre y joue un rôle. Par définition, la zone de transition subit une concentration de contraintes. Le circuit passe d’une structure contrainte et supportée à une structure flexible, et le comportement mécanique change brutalement exactement à cette frontière. Un cuivre épais à travers la transition aggrave cette brutalité. Il crée un point plus rigide qui empêche la zone flexible de faire ce qu’elle doit faire, et c’est exactement ce qui s’est produit sur la carte mentionnée plus haut. Les couches étaient liées ensemble à travers la transition et jusque dans la zone flexible. Le poids de cuivre a ajouté de la rigidité. Le résultat a été un circuit qui, physiquement, ne pouvait pas se plier.

Quelques éléments aident ici. Gardez un poids de cuivre aussi cohérent que possible entre les zones rigide et flexible, plutôt que de l’augmenter juste au bord de la section rigide. Évitez d’amener des plans à fort poids de cuivre jusqu’au bord de la zone rigide. Et si le design le permet, donnez à la zone de transition un peu plus de longueur physique que ce qui semble nécessaire. La répartition des contraintes s’améliore avec la distance, plus qu’on ne l’imagine.

Parler à votre fabricant avant de figer l’empilage

C’est l’une de ces décisions qu’il est bien plus facile de prendre correctement avant que le stack-up is locked qu’après. Une fois le nombre de couches, les matériaux de laminé et les poids de cuivre définis, toute modification a des répercussions sur l’épaisseur, l’impédance et parfois même sur les fabricants capables de construire la carte.

Questions utiles à poser tôt : quel type de feuille de cuivre est standard dans leurs fabrications flex, et quel impact la spécification du cuivre RA a-t-elle sur le délai ou le coût ? Quel poids de cuivre voient-ils le plus souvent pour votre exigence de pliage, et où ont-ils rencontré des difficultés ? S’il y a une inquiétude concernant la zone de transition, comment l’ont-ils traitée sur des conceptions similaires ?

Les fabricants qui réalisent régulièrement des rigides-flex ont vu les effets de ces décisions en aval d’une manière difficile à reproduire en revue de conception. Posez les questions.

Avant de publier le design

Quelques points méritent une vérification avant d’envoyer le design en fabrication. 

• Un seul poids de cuivre est-il spécifié pour toute la carte, ou les zones rigide, flexible et de transition ont-elles réellement été considérées séparément ? 
• Le type de feuille de cuivre est-il spécifié dans la zone flexible, ou laissé à la valeur par défaut du fabricant ? 
• Pour une dynamic flex application, un cuivre RA d’une demi-once est-il spécifié, ou explicitement exclu ? 
• L’empilage a-t-il été revu avec le fabricant avant la publication, et non après réception des premiers articles ?

La carte qui ne pouvait pas se plier m’a appris qu’une conception peut passer toutes les revues et pourtant ne pas fonctionner, si l’empilage et la spécification du cuivre n’ont pas été développés comme un seul système. La zone flexible doit réellement pouvoir fléchir.

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Questions fréquentes

Quel poids de cuivre dois-je utiliser dans la zone flexible d’un rigide-flex ?

Une demi-once (0,5 oz) est le point de départ le plus courant pour les zones flex. Elle se plie plus facilement, répartit les contraintes plus uniformément et résiste mieux aux cycles répétés de flexion qu’un cuivre plus épais. Une once peut convenir dans des applications statiques, mais mérite une discussion avec votre fabricant avant validation. Deux onces sont rarement appropriées dans une zone flexible, sauf si les exigences de pliage sont essentiellement statiques et que la capacité en courant ne laisse pas d’autre choix.

Quelle est la différence entre le cuivre recuit laminé (RA) et le cuivre électrodéposé (ED) dans les applications flex ?

Le cuivre électrodéposé est la norme dans la fabrication des PCB rigides et fonctionne bien dans les zones rigides. Le cuivre recuit laminé présente une structure de grain orientée de manière plus adaptée à la gestion des contraintes liées aux flexions répétées, ce qui en fait le choix privilégié dans les zones flex où la durée de vie en flexion est une exigence. Si le cuivre RA n’est pas explicitement indiqué sur le plan de fabrication, la plupart des fabricants utiliseront par défaut du cuivre ED ; il vaut donc la peine de le spécifier.

Le poids de cuivre dans la zone rigide affecte-t-il la zone flexible ?

Oui. Parce que les zones rigides et flex font partie du même système laminé, un cuivre épais sur les couches externes de la section rigide se prolonge dans la zone flexible, que cela ait été prévu ou non. Cela ne crée pas automatiquement des problèmes, mais cela doit être pris en compte pendant le développement de l’empilage, et non découvert après fabrication.

À quel moment dois-je impliquer mon fabricant dans les décisions de poids de cuivre pour une conception rigide-flex ?

Avant que l’empilage ne soit finalisé. Une fois le nombre de couches, les matériaux de laminé et les poids de cuivre figés, toute modification a des répercussions sur l’épaisseur, l’impédance et potentiellement sur les fabricants capables de construire la carte. Les fabricants qui réalisent régulièrement des rigides-flex ont vu comment ces décisions se répercutent en aval ; les impliquer tôt est l’un des moyens les plus fiables d’éviter une nouvelle itération coûteuse.