Circuits flexibles & Rigid-Flex : bien commencer

En m'adressant récemment à un groupe d'étudiants à propos de la fabrication de circuits imprimés, je leur ai demandé de lever la main pour savoir combien d'entre eux avaient déjà conçu un circuit imprimé rigide. Environ 75 % de la salle a levé la main. Ensuite, j’ai demandé à ceux qui avaient déjà conçu un circuit flexible de lever la main. Le nombre de mains levées a chuté de façon spectaculaire. Je suppose que ce n’est pas surprenant. Bien que les circuits flexibles soient un segment en pleine croissance de l'industrie des circuits imprimés, de nombreux concepteurs de circuits imprimés chevronnés n'ont pas encore travaillé avec des matériaux flexibles. En repensant à mes années d'université, je pense que ma connaissance des circuits flexibles se limitait à "ce ruban blanc qui bouge d'avant en arrière dans mon imprimante".

Ces circuits flexibles sur polyester représentent une part importante du marché des produits flexibles. On ne peut nier le volume généré par les étiquettes RFID, qui utilisent souvent de l'aluminium sur des matériaux flexibles en polyester. Cependant, quand on me demande de parler de la fabrication ou de la conception de circuits flexibles, je m'adresse presque toujours au segment de marché utilisant des matériaux polyimides flexibles. Ces matériaux sont standard dans le monde des circuits flexibles et rigides-flexibles car ils s'intègrent dans un empilage de PCB, permettant un routage simplifié entre les régions rigides et flexibles avec des interconnexions standard. Dans ce guide, nous allons examiner comment les PCB flexibles sont fabriqués, en commençant par la conception et en couvrant les différents matériaux et processus utilisés dans la fabrication.

• Le processus de conception des circuits imprimés flexibles
• Matériaux pour les circuits imprimés Flex/Rigide-Flex
• Avantages des conceptions de circuits imprimés flexibles et rigides-flexibles

Le processus de conception des circuits imprimés flexibles

La conception des circuits imprimés flexibles et des circuits imprimés rigides-flexibles sont liées. La principale différence entre les circuits flexibles et les circuits rigides-flexibles est une interconnexion qui s'étend jusqu'aux extrémités rigides de la carte. Comme pour un PCB rigide standard, le processus de conception d'un circuit flexible commence par la conception d'un empilage, le placement des composants, la planification et le routage des chemins pour les pistes, et enfin le nettoyage du schéma de montage pour préparer la fabrication.

Certaines étapes supplémentaires sont nécessaires pour s'assurer que la section flexible présente les propriétés mécaniques requises, comme l'ajout d'un raidisseur, la sélection d'un matériau de recouvrement ou d'un masque de soudure photo-imageable, ou la définition d'un rayon de courbure statique dans la conception. Étant donné qu'une grande partie du processus de conception des rubans flexibles est centrée sur l'empilage, ainsi que sur son intégration avec toute section rigide, la conception de l'empilage est une partie essentielle du processus de conception des circuits imprimés flexibles/rigides-flexibles. En outre, des éléments comme le poids du cuivre et la densité des composants/du routage dans certaines régions de la carte peuvent limiter la flexibilité, rendant préférable une carte flex-rigide. Pour commencer à concevoir une carte flexible ou rigide-flexible, pensez aux aspects suivants de l'assemblage final et à la manière dont la carte sera intégrée dans son boîtier :

• Planification de l'espace: Où le ruban flexible doit-il se plier dans le PCB assemblé, et comment la conception sera-t-elle montée dans son boîtier ? Les zones de pliage et de montage devront être exemptes de composants, et vous souhaiterez peut-être utiliser une section rigide pour certains circuits intégrés à nombre de broches élevé ou pour des circuits à haute densité. Décidez de l'emplacement du ruban flexible par rapport aux zones de la carte comportant un nombre élevé de composants.
• Nombre de couches: Combien de couches sont nécessaires pour le routage, et certaines de ces couches seront-elles nécessaires dans une section rigide ? S'il y a une section rigide, le ruban flexible devra tenir au centre de l'empilement, ce qui peut rendre le routage difficile lorsqu'un grand nombre de plans est nécessaire (par exemple, dans une conception à grande vitesse).
• Rigidité: Une carte plus rigide peut-elle convenir, ou avez-vous besoin d'un assemblage très flexible ? Le niveau de flexibilité peut être contrôlé par la densité des composants, le poids du cuivre ou l'ajout de raidisseurs à certaines parties du ruban flexible. Si vous avez besoin d'une section polyimide très rigide, il peut être intéressant de placer une section entièrement rigide à la place. Les raidisseurs peuvent être utilisés pour supporter une densité de composants plus élevée sur un ruban flexible et ils seront moins coûteux que l'intégration d'une section rigide.
• Composants à haute densité de broches: Les petits composants CMS comme les passives peuvent être facilement placés sur un ruban flexible en polyimide. D'autres composants dans des boîtiers BGA nécessitent une structure de via plus avancée, ainsi que davantage de couches internes pour prendre en charge le routage. Pour les conceptions haute vitesse ou RF, des couches de plans hachurés peuvent être nécessaires pour assurer l'impédance requise ou la continuité de la masse (par exemple, pour les signaux asymétriques), ainsi que l'isolation.

Les exigences de votre application pourraient vous obliger à équilibrer un certain nombre de ces caractéristiques. En attendant, les concepteurs doivent s'assurer que leur conception rigide-flexible ou flexible peut être fabriquée et qu'elle sera fiable sur le terrain.

• PCB flexible ou PCB rigide : votre approche de conception est-elle adaptable ?

Matériaux pour les circuits imprimés Flex/Rigide-Flex

Une fois que vous avez décidé d'aller de l'avant avec la conception d'un circuit flexible, quels sont les éléments clés à garder à l'esprit ? Nous les examinerons plus en détail dans les prochains blogs, mais vous devez prendre en compte votre ensemble de matériaux afin de lancer le processus. Les matériaux requis pour les circuits imprimés flexibles comprennent les matériaux de base (polyimide, feuilles de cuivre), les matériaux de couverture (polyimide ou liquide photo-imageable) et enfin les matériaux raidisseurs.

Matériaux de base et de couverture flexibles

Il est essentiel de comprendre les matériaux de base eux-mêmes ainsi que le revêtement. Votre application nécessitera-t-elle de matériaux sans adhésif ? Ou des matériaux à base d'adhésif ? L'application doit-elle tenir compte des exigences UL ? Quel poids de cuivre et quelle épaisseur de polyimide conviennent le mieux à votre application ? Quels matériaux votre fabricant stocke-t-il habituellement ? (Conseil : si vous avez de la flexibilité dans les matériaux, des matériaux flexibles stockés régulièrement peuvent aider à réduire les coûts).

Certaines applications conviendront mieux à un matériau de recouvrement flexible et photo-imageable, qui offre la possibilité de former des ouvertures de tampon très étroites. Si la conception nécessite une flexion dynamique, l'application doit utiliser un matériau de recouvrement en polyimide à base de film. Les films peuvent avoir des ouvertures découpées au laser ou percées, en fonction de la taille du tampon requise.

Raidisseurs

Votre application supportera-t-elle des composants plus lourds ou aura-t-elle besoin de bénéficier de la robustesse d'un raidisseur supplémentaire ? Différents composants et applications nécessitent différents raidisseurs pour soutenir le comportement mécanique du ruban flexible ou du circuit imprimé. Les raidisseurs courants comprennent :

• Raidisseur FR4: La fibre de verre rigide FR4 imprégnée d'époxy est probablement le raidisseur le plus simple, appliqué efficacement comme un stratifié sur la zone de flexion.
• Polyimide rigide: une couche de polyimide rigidifiée peut être utilisée pour raidir une région en empilant simplement des feuilles de polyimide supplémentaires pour produire une augmentation locale de l'épaisseur. Cette méthode est normalement utilisée pour la terminaison avec un connecteur ZIF (Zero Insertion Force), où un raidisseur en polyimide est utilisé pour atteindre l'épaisseur appropriée.
• Raidisseurs de connecteurs/composants: Les options de matériaux pour cette application comprennent les métaux, le FR4 ou le polyimide, qui sont collés thermiquement avec un adhésif flexible ou un adhésif sensible à la pression.

Capacités des fabricants

Vos fabricants préférés travaillent-ils régulièrement avec des matériaux flexibles ? La complexité de votre conception correspond-elle aux capacités de vos fabricants préférés, ou bien dépassez-vous leur domaine d'expertise ? Il ne s'agit certainement pas d'une liste exhaustive des éléments à prendre en compte, mais elle a pour but de lancer le processus de réflexion sur la conception d'un circuit flexible. Votre fabricant de PCB sera une ressource vitale, et vous devez le contacter avec une proposition d'empilage pour vous assurer qu'elle peut être fabriquée de manière fiable. Ils connaissent les matériaux et le processus de fabrication et seront toujours heureux de guider un client le long de la courbe d'apprentissage des PCB flexibles.

Avantages des conceptions de PCB flexibles et de PCB rigides-flexibles

Pour ceux qui n'ont pas d'expérience dans la conception de circuits flexibles, examinons quelques-uns des principaux avantages qui poussent les concepteurs à utiliser des matériaux flexibles. Bien qu'il faille tenir compte de certaines considérations particulières pour s'assurer qu'un circuit imprimé flexible ou rigide-flexible puisse être fabriqué comme prévu, ces conceptions offrent de nombreux avantages qui n'existent pas dans les circuits imprimés rigides.

• Espace et poids: De nombreuses conceptions électroniques actuelles doivent relever le défi de réduire la taille et le poids du produit final. Les matériaux souples peuvent remplacer les câblages et points de soudure plus volumineux et, selon une statistique fréquemment citée, les économies réalisées peuvent atteindre 60 % dans les bonnes conditions. C'est considérable.
• Avantages de l'emballage: Il est indéniable que la capacité de plier et de replier un circuit flexible autour d'un coin et la capacité de fournir une connexion à trois axes donnent au concepteur de circuits imprimés un avantage significatif par rapport aux matériaux traditionnels des circuits imprimés rigides. En fait, la capacité à tirer le meilleur parti de ces avantages est plus limitée par l'imagination que par toute autre chose.
• Assemblage simplifié: Par rapport aux fils et câbles encombrants, un simple circuit flexible peut réduire considérablement l'effort d'assemblage. Un circuit flexible peut remplacer plusieurs lignes de produits sur une nomenclature.
• Gestion thermique: Les matériaux en polyimide peuvent supporter des applications à forte chaleur, et le polyimide fin dissipe la chaleur bien mieux que les matériaux plus épais et moins thermoconducteurs, ce qui en fait un candidat de choix pour les conceptions à haute puissance et à haute fréquence.
• Biocompatibilité: Le polyimide et le LCP sont deux matériaux flexibles qui constituent un excellent choix pour la biocompatibilité et sont régulièrement utilisés pour cette raison dans les applications médicales et les applications portables. Il est intéressant de noter que je constate un intérêt croissant pour les circuits flexibles qui utilisent l'or comme conducteur plutôt que le cuivre, offrant ainsi une option entièrement biocompatible.

Après la fabrication, la partie flexible de la carte de circuit imprimé peut être placée dans son boîtier avec une flexion statique, ou elle peut être autorisée à fléchir dynamiquement avec le boîtier ou d'autres éléments mécaniques. Parfois, un circuit flexible est conçu pour être "flexible à installer" ou, en d'autres termes, pour être plié avec l'intention de rester stationnaire une fois que le circuit est installé dans l'électronique finale. D'autres fois, l'application exige qu'un circuit soit fléchi des centaines, des milliers, voire des millions de fois. Les lecteurs de disques sont un exemple couramment cité d'une application à flexion dynamique, tout comme les circuits flexibles des charnières de nos ordinateurs portables. Le processus de conception varie légèrement avec les assemblages flexibles statiques et dynamiques, la principale considération étant la déformation qui peut se produire pendant la flexion.

Les ingénieurs de conception de PCB flexibles et rigides-flexibles, les ingénieurs d'implantation et les ingénieurs SI/PI font confiance aux outils de conception avancés d'Altium Designer® pour leurs besoins de conception et d'implantation. Lorsque vous avez terminé une conception et que vous êtes prêt à la lancer en fabrication, la plateforme Altium 365™ facilite la collaboration et le partage de vos projets.Altium Designer s'intègre également aux applications populaires de MCAD et de simulation, ce qui vous permet de mieux comprendre le comportement de l'alimentation et des signaux dans les systèmes multicartes.

Lorsqu'une conception est terminée et prête à être lancée en fabrication, la plateforme Altium 365™ permet de collaborer et de partager facilement vos projets.

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