Applications des PCB flexibles et rigides-flexibles

Il y a deux raisons fondamentales pour concevoir un circuit flexible dans votre produit : construire un dispositif compact et efficacement assemblé, ou rendre le circuit dynamiquement intégré à la fonction mécanique du produit. Vous pouvez, bien sûr, vous appuyer sur ces deux raisons pour justifier l'utilisation de circuits flexibles. Sur cette note, examinons quelques applications et exemples de conception de PCB rigide-flex pour voir les problèmes qui viennent à l'esprit lors de la conception de circuits flexibles.

Exemples d'application de Flex Dynamique

Mécatronique de Portique

Une application de flex dynamique très typique, comme vous pourriez trouver dans une imprimante 3D ou une tête de machine CNC, est un portique mécatronique. Dans les systèmes physiquement plus grands où les composants électroniques doivent suivre le même mouvement qu'un élément mécanique, cela serait accompli avec des cartes rigides ou des modules séparés, et ceux-ci seraient connectés avec des câbles. Dans des emballages plus petits et plus élégants, un ruban flexible est plus logique car il fournit un assemblage à profil bas ainsi que le mouvement requis.

Naturellement, l'exemple ci-dessous serait disposé le long de l'axe X du portique, et la tête d'outil de l'axe z se déplacerait le long de celui-ci. L'exemple ci-dessous ne montre que deux axes de mouvement ici, et le portique lui-même se déplacerait dans l'axe Y.

La longueur totale de la nappe flexible est la distance extrême requise en plus des coins et des courbures. Le coin situé derrière la tête d'outil se déplaçant sur l'axe z adhérerait au chariot de l'axe x qui se déplace le long du portique (probablement sur des paliers lisses). Les extrémités auraient un renfort ajouté pour terminer la section de la nappe flexible. Pour ce type d'application, il est préférable de s'en tenir à du cuivre laminé recuit monocouche et de garder les rayons de courbure aussi grands que pratiquement possible. Cela aidera à maximiser la durée de vie puisque la région de courbure est roulée le long de la longueur de la nappe flexible.

Exemple de conception de flex pour portique.

Considération de fabrication pour le portique : Panelisation

L'exemple ci-dessus soulève une bonne question concernant la fabrication et le coût. En utilisant un circuit en forme de L à angle droit comme celui-ci, nous pourrions, pour l'argument, adapter six nappes flexibles identiques sur un panneau de fabrication. Cela résulte en une perte d'environ 50% de l'espace du panneau, et si des composants devaient être montés sur ce circuit flexible particulier, cela ajouterait également au coût et au temps d'outillage. Un exemple de panneau fabriqué à partir de ce circuit flexible particulier dans un tableau de cartes embarquées est montré ci-dessous.

Panelisation du tableau de cartes embarquées du circuit flexible du portique CNC.

L'avantage du flex est que si nous utilisons les bons matériaux et planifions correctement l'assemblage global, nous pouvons également créer des plis d'installation à faible rayon. Placer une section de flex statique avec un pli permanent est une bonne alternative à l'utilisation de circuits flex courbés comme montré dans le panneau ci-dessus, mais seulement dans certaines circonstances. La figure suivante montre le même design de portique mais avec un pli marqué à 45° pour remplacer le coin à 90° montré dans la version précédente.

Portique flex redessiné avec un pli statique.

Le pli devient clairement utile une fois que nous regardons le panneau (montré ci-dessous). Pour fabriquer un circuit flex avec ce type de pli, nous n'avons pas besoin de concevoir une courbure dans le circuit. Au lieu de cela, nous pouvons utiliser une section droite dans le PCB flex, nous pouvons donc maintenant aligner toute une série de rubans flex dans un seul panneau. De cette manière, le rendement augmente significativement. Le coût total par circuit diminuera en raison de l'augmentation du rendement par panneau et ensuite de la facilité d'outillage pour l'assemblage pick-and-place. Cependant, cela peut être contrebalancé par le fait de devoir placer des composants sur le côté opposé à une extrémité de l'assemblage, en raison du pli.

Panneau avec le portique redessiné.

Dispositifs Rotatifs

Jetez un œil à la disposition du PCB rigide-flexible présentée ci-dessous. Dans cette disposition, les couches flexibles sont créées en utilisant des courbures plutôt qu'un pli permanent. Remarquez l'utilisation de guides de travail horizontaux dans l'éditeur de PCB ; cela permet une conception précise du contour de la carte basée sur les circonférences courbées des sections de circuits flexibles in situ. Cela permet également un placement exact des lignes de pliage des circuits flexibles dans le Mode de Planification de Carte à l'intérieur de l'éditeur de PCB, ce qui permet des simulations précises de pliage de circuits flexibles en mode 3D.

Disposition de PCB pour une conception flex dynamique rotationnelle. Les rubans flex peuvent être attachés à un boîtier fixe ou à un autre composant qui tournera avec l'arbre central dans l'assemblage.

Dans cet exemple, un moteur pas à pas doit être monté sur un assemblage de sorte que le moteur et son circuit imprimé de contrôle seront en mouvement, tandis que l'arbre sera stationnaire. Les circuits flex sont conçus pour être terminés aux extrémités extrêmes sur un assemblage de base fixe et pliés en forme de cylindre, se repliant pour permettre un mouvement bidirectionnel. Des vues 3D de cette conception sont montrées ci-dessous.

Vue 3D d'une carte de contrôle de moteur pas à pas en rotation. Des "bras" plus longs permettraient une rotation du moteur et de sa carte de contrôle de plus de 360°.

Vue entièrement pliée de l'assemblage, incluant le corps 3D du moteur pas à pas.

Nous pouvons voir les directions de mouvement et les terminaisons de circuit flexible ancrées pour vous donner une idée de la façon dont cet assemblage fonctionnera. Ce type d'agencement rend relativement facile d'atteindre plus de 360° de rotation. Cet exemple est hypothétique et montre un moteur pas à pas, bien que ce type de conception serait bien adapté aux applications de capteurs rotatifs. Les sections rigides-flexibles terminées pourraient également être montées sur certains composants de l'enceinte, tant que l'enceinte était en rotation, offrant un moyen simple de fournir une connexion de retour à la section de la carte de contrôle rigide.

Exemples d'application de Flex Statique

Magnétiques Planaires (Transformateurs et Inducteurs)

L'utilisation de circuits flexibles et rigides-flexibles pour les magnétiques planaires intégrés gagne en popularité. L'utilisation de circuits flexibles pour les magnétiques planaires présente des avantages distincts. Le film de polyImide est disponible en épaisseurs qui permettent une très haute isolation des enroulements, ainsi qu'une stabilité à haute température qui le rend adapté aux processus de potting à l'émail chaud. D'un point de vue des pertes ; l'utilisation de traces de cuivre gravées nécessite que les traces soient plus larges, mais cela peut facilement réduire les pertes par courants de Foucault car l'impédance supplémentaire due à l'effet de peau sera réduite.

Les tours de solénoïde déroulés d'un inducteur à quatre enroulements.

Un schéma d'entrée et de sortie intéressant pour un inducteur à noyau d'air enroulé est montré ci-dessous. Dans cet assemblage de PCB flexible enroulé, la fin de chaque enroulement se superpose au début de l'enroulement suivant. Cela pourrait être fait pour augmenter le nombre de tours par rapport à avoir simplement plusieurs enroulements séparés.

Enroulements d'inducteur enroulés.

18 couches pour le prix de 2

L'extension naturelle de ce concept consiste à inclure quelques couches flexibles dans votre conception de convertisseur dans l'intention de les plier les unes sur les autres. Dans l'exemple montré ci-dessous, une conception de transformateur de circuit flexible à 2 couches est présentée, où un seul noyau de ferrite planaire E18 dépasse à travers des découpes dans la région du terminateur final (sur le côté gauche). Cette idée pourrait être arbitrairement étendue (bien qu'avec des limites pratiques de l'épaisseur de la carte pliée finale). Dans la figure 11, les couches de cuivre supérieure et inférieure sur le flex double face fournissent 18 couches utilisables pour les enroulements du transformateur.

Autour de chacune des découpes du noyau central, vous pouvez réaliser un seul tour pour un enroulement d'inducteur. Faire serpenter la piste autour d'une patte latérale vous donnera un demi-tour, tandis que le chemin de retour fournit l'autre demi-tour dans une bobine de transformateur ; ensemble, les sections de conducteur pliées forment un ensemble de boucles de courant empilées qui peuvent générer et recevoir un champ magnétique.

Vue de dessus d'un transformateur de circuit flexible. Un seul enroulement de courant fort est montré sur la couche supérieure, et six enroulements de courant plus léger sont routés sur la couche inférieure.

Cela pourrait être déroutant, car il faut suivre les bonnes directions d'enroulement par rapport à la relation de chaque section pliée avec la géométrie du noyau de ferrite. Étant donné que ce circuit flexible va se plier orthogonalement, j'ai ajouté des flèches sur la couche Mécanique 1 du design, orientées à l'opposé de chaque couche d'enroulement adjacente, pour me rappeler dans quel sens router le cuivre. Ceci est montré ci-dessous pour plus de clarté.

La couche Mécanique 1 montrant le contour de la carte et les flèches indiquant le sens d'enroulement pour guider.

L'assemblage final noyau-et-flexible est montré ci-dessous. Notez que cela pourrait être intégré dans un design rigide-flexible où la majorité du circuit se trouve sur une Carte de Circuit Imprimé rigide à 2 couches, avec la partie flexible utilisée pour obtenir les couches supplémentaires nécessaires pour tous les enroulements du noyau. Bien sûr, il y aura un compromis de coût entre l'utilisation d'une grande zone flexible et l'ajout de nombreuses couches à un design uniquement rigide.

Le transformateur complètement plié final, avec le modèle 3D du noyau magnétique en ferrite Ferroxcube E18 à travers les découpes.

Multi-Couches Rigide-Flexible

Pour de nombreux designs militaires, aérospatiaux ou similaires à haute densité qui nécessitent des assemblages compacts et fiables dans des espaces restreints, il est difficile d'éviter l'utilisation de plusieurs couches de circuits flexibles entre les zones de cartes rigides. Cela est d'autant plus nécessaire avec les conceptions numériques à haute vitesse, en raison de la nécessité de disposer de couches de blindage ou de plans entre les bus traversant les régions flexibles. Le défi ici est de maintenir un bon degré de flexibilité. Le nombre de couches de circuits flexibles doit être maintenu au minimum, généralement deux couches de cuivre sur un seul substrat en polyimide avec des revêtements en polyimide.

Dans les conceptions « normales », la longueur des sections de circuit flexible est la même pour les régions flexibles qui se chevauchent. Cela signifie que vous vous retrouvez avec la situation illustrée ci-dessous, où les plis peuvent produire une tension significative dans les zones flexibles entre les cartes rigides une fois placées dans l'assemblage final.

La tension dans le circuit flexible externe et la compression du circuit interne résulteront lorsque plusieurs couches flexibles se chevauchant sont conçues avec la même longueur. Remarquez le « débordement » du cordon d'adhésif utilisé dans cette conception, juste là où le flexible entre dans la section rigide.

La plupart des fabricants spécialisés de cartes rigides-flexibles vous diraient à ce stade d'utiliser la construction "bookbinder" (reliure). La construction bookbinder est une méthode viable où les rayons in situ des courbures du circuit flexible sont utilisés pour déterminer la longueur correcte pour chaque combinaison de circuit flexible et de substrat dans l'empilement des couches. Une illustration de ce concept est montrée dans l'extrait de l'IPC-2223b ci-dessous.

Construction bookbinder [Source : IPC-2223B, 2008 p26].

Vous pouvez immédiatement dire que cette méthode va coûter de l'argent et augmenter le défi de la conception. Souvent, une meilleure alternative est d'utiliser des circuits flexibles de même longueur et rayon, mais de séparer les différentes couches de circuits flexibles afin qu'elles ne se chevauchent pas. Un exemple de cela est montré ci-dessous.

Construction bookbinder alternative. Normalement, les sections flexibles pourraient se chevaucher et nécessiteraient des longueurs différentes pour maintenir une faible tension/compression. Dans cette alternative, les sections flexibles sont placées dans différentes régions à travers le bord des sections rigides de sorte qu'elles n'ont plus besoin de se chevaucher.

Virages Ultra-Serrés Sans Sacrifier le Nombre de Couches

Avec des choix de conception créatifs le long de la région de courbure, il est possible d'obtenir des virages très serrés sans perdre de couches de cuivre.

La petite carte montrée ci-dessous utilise un ruban en forme de "S" pour définir des courbures et réduire le rayon de courbure minimum le long du bord des régions renforcées. Cela n'est pas visible sur cette photo, mais il y a des composants montés sur des sections qui avaient un renfort mince collé sur le côté arrière de la carte.

Obtenir essentiellement un rayon de courbure de 180° avec plusieurs couches de cuivre.

Ce concept peut être étendu dans plusieurs directions. Le design de PCB montré ci-dessous est un tableau d'affichage PCB ultra-flexible. Vous pouvez voir les nombreuses LED dans une matrice sur les sections plus larges et plus rigides. L'ensemble est rigide dans ces sections uniquement en raison du nombre élevé de couches de cuivre et de film PI laminées ensemble. Encore une fois, l'utilisation de courbures en S entre ces régions de matrice LED permet à cet assemblage de se courber plus facilement dans un boîtier incurvé.

Tableau flex en courbure X-Y S.

Prenez ce concept encore plus loin, et vous obtenez le design très compact montré ci-dessous. Les sections de circuit flexible dans cet exemple contiennent 8 couches. De tels circuits flexibles ne seraient normalement pas flexibles s'ils étaient placés comme de simples rubans entre des sections rigides. Cependant, l'utilisation de la myriade de courbes en S (remarquez que les couches supérieures de matériau flexible sont toutes en cuivre solide pour le blindage !) permet à cela de se plier suffisamment pour entrer dans le boîtier mécanique final, même avec des centaines de connexions mémoire et d'affichage à haute vitesse.

8 couches de flex, plus 4 couches supplémentaires de PCB rigide. Remarquez que la couche supérieure de flex est entièrement en cuivre pour le blindage. Remarquez également l'adhésif protecteur autour des bords des interfaces rigide-flex.

Concevoir pour toute application de PCB rigide-flex est facile avec l'ensemble complet de fonctionnalités de conception et de fabrication de PCB dans Altium Designer®. Une fois que vous êtes prêt à libérer vos données de conception à votre fabricant, vous pouvez facilement partager et collaborer sur vos conceptions via la plateforme Altium 365™. Tout ce dont vous avez besoin pour concevoir et produire des électroniques avancées se trouve dans un seul package logiciel.

Nous n'avons fait qu'effleurer la surface de ce qu'il est possible de faire avec Altium Designer sur Altium 365. Commencez votre essai gratuit d'Altium Designer + Altium 365 dès aujourd'hui.