Meilleures Pratiques de Conception de Circuits Imprimés Souples

Sous-empilages de multiples parties flexibles

Même s'il est possible de créer toutes sortes d'empilages avec des parties rigides et flexibles, la production peut s'avérer extrêmement coûteuse si l'on ne prend pas en compte les étapes de production et les propriétés des matériaux utilisés. Un point important à retenir concernant les circuits souples concerne les contraintes exercées dans les matériaux lorsque le circuit se plie. Le cuivre, métal non ferreux, est bien connu pour sa tendance à durcir à l'utilisation. Des fractures de fatigue pourront apparaître en raison des cycles de flexion répétés et des rayons restreints. Pour pallier ce problème, il est possible d'utiliser uniquement des circuits flexibles monocouches qui placent le cuivre au centre du rayon de courbure médian par construction. Ce sont alors le substrat du film et la couche de protection qui sont soumis à la compression et à la tension les plus fortes, comme illustré ci-dessous.

Dans le même ordre d'idées, il est souvent nécessaire de disposer de plusieurs circuits flexibles distincts, mais il vaut mieux éviter les flexions aux endroits où les parties se chevauchent et où la longueur des parties flexibles limite le rayon de courbure. Comme le polyimide est très élastique, ce n'est pas un problème et il s'avèrera bien plus durable en cas de mouvement répété que plusieurs couches de cuivre. Le cuivre se situe au centre du rayon de courbure médian. Par conséquent, le substrat et la couche de recouvrement du film sont les parties qui subissent les plus grandes compression et tension.

Pour les circuits soumis à des flexions très fréquentes, il est préférable d'utiliser du cuivre RA et recuit en circuit flexible monocouche pour augmenter la résistance à la fatigue (en cycles avant défaillance) du cuivre dans le circuit.

Perles, Durcisseurs et Terminaisons Adhésifs

L'utilisation d'éléments de renfort doit être envisagée aux endroits où le circuit flexible sort de la carte rigide. L'ajout d'un cordon d'époxy, d'acrylique ou de colle thermofusible permettra d'améliorer la longévité de l'assemblage. Toutefois, l'application de ces liquides et leur durcissement peuvent ajouter des étapes laborieuses au processus de production, ce qui augmente les coûts. Comme toujours avec la conception de circuits imprimés, il y a des compromis à faire.

Il est possible d'utiliser un système automatisé de distribution des liquides, mais il faut vraiment veiller à collaborer avec les ingénieurs en assemblage pour être certain de ne pas se retrouver avec des globules pleins de colle qui dégoulinent sous l'assemblage. Dans certains cas, la colle doit être appliquée à la main, ce qui allonge la durée et augmente les coûts. Dans tous les cas, il faut fournir une documentation claire aux personnes chargées de la fabrication et du montage.

Les extrémités des circuits flexibles débouchent habituellement sur un connecteur, voire sur l'assemblage principal de la carte rigide. Dans ce cas, il est possible d'appliquer un durcisseur (polyimide plus épais avec adhésif, ou FR-4) sur la terminaison. En général, il s'avère donc pratique de laisser également les extrémités du circuit flexible encastrées dans les parties flex-rigides.

Panneaux de Circuits Imprimés rigides-flexibles

Le circuit flex-rigide est maintenu dans son panneau pendant le processus d'assemblage, ce qui permet de placer et de souder les composants sur les sections de terminaisons rigides. Certains produits requièrent le montage des composants sur des zones spécifiques du panneau flexible. Dans ce cas, il convient d'assembler le panneau avec des zones rigides supplémentaires pour soutenir le panneau flexible pendant l'assemblage. Ces zones ne sont pas collées au panneau flexible. Leur routage est effectué à l'aide d'un embout de routeur à profondeur contrôlée (avec des «morsures de souris») et le perçage final après l'assemblage est réalisé à la main.

Exemple de panneau de Circuit imprimé flex-rigide. Vous remarquez que celui-ci comporte des bords à l'avant et à l'arrière de la carte ainsi qu'un circuit souple, et que le routage est effectué. Des lignes de ruptures en V sont réalisées sur les côtés rigides pour pouvoir le détacher ultérieurement. L'assemblage dans le boîtier sera ainsi plus rapide (source : YYUXING Shenzhen Electronics Co., LTD.).

Les problèmes de conception d'empilage des couches, de placement des composants et de découpe peuvent sembler faciles à identifier et à résoudre. Mais n'oubliez pas que les matériaux des circuits flexibles présentent des caractéristiques peu enviables, Des coefficients d'expansion sur l'axe des z relativement élevés pour les adhésifs à une adhérence inférieure du cuivre sur le substrat en PI et la couche de protection en passant par le durcissement et la fatigue du cuivre à l'utilisation. Ceux-ci peuvent être largement compensés en suivant certaines recommandations.

Préservez la Flexibilité

Même si cela semble évident, il vaut toujours mieux le rappeler. Déterminez d'abord le niveau de flexibilité nécessaire, puis si la flexion doit être reproductible ou si la conception restera incurvée. Si les sections de vos circuits souples ne doivent être pliées que lors de l'assemblage, puis laissées dans une position fixe, comme dans un appareil à ultrasons portatif, vous disposez d'une plus grande liberté quant au nombre de couches, au type de cuivre (RA ou ED) et aux autres éléments que vous pouvez utiliser. Inversement, si les sections souples de votre circuit se déplacent en permanence, doivent se plier ou s'enrouler, vous devez réduire le nombre de couches pour chaque sous-pile du circuit souple et choisir des substrats sans adhésif.

Vous pouvez ensuite utiliser les équations trouvées dans la norme IPC-2223 (équation 1 pour un circuit monocouche, équation 2 pour un circuit à double face, etc.) pour déterminer le rayon de courbure minimum autorisé pour la section flexible, en fonction de votre déformation de cuivre autorisée et des caractéristiques des autres matériaux.

Cette équation d'exemple est valable pour une section flexible monocouche. Elle peut être utilisée avec un circuit imprimé souple assemblé, mais des contraintes sur les points de soudure des fils des composants pourraient s'exercer en cas de mauvaise localisation de la ligne de courbure. Vous devez choisir EB en fonction de l'application cible, avec 16% pour les conceptions flexibles à une seule courbure de cuivre RA à l'installation, 10% pour les conceptions «flexibles à l'installation» et 0,3% pour les conceptions flexibles «dynamiques» (source: IPC-2223B, 2008 http://www.ipc.org/TOC/IPC-2223B.pdf). Le terme dynamique signifie que le circuit est courbé et enroulé au cours de l'utilisation du produit, comme par exemple pour une connexion à un panneau TFT sur un lecteur de DVD mobile.

Évitez les Courbures dans les Coins et Utilisez des pistes Incurvées

Il est généralement préférable de maintenir les traces de cuivre perpendiculaires à la courbure d'un circuit flexible. Mais selon les conceptions, cela n'est pas toujours possible. En pareil cas, la courbure de la piste doit être aussi faible que possible et, si la conception mécanique du produit l'exige, il est possible d'utiliser des courbures à rayon conique. Comme illustré dans l'image ci-dessous, il est préférable d'éviter les angles droits sur les pistes, et recommandé de router les pistes selon un mode d'angle en arc plutôt que d'opter pour des coins fixes à 45°. Cela permet de réduire les contraintes dans le cuivre pendant le pliage.

Emplacements de courbure à privilégier.

Évitez les Changements de Largeur Brusques

Chaque liaison entre une piste et une pastille, ou pire encore une rangée de pastilles alignées dans la terminaison d'un circuit souple (illustration ci-dessous), formera un point faible où le cuivre risque d'être endommagé au fil du temps. En dehors des cas où un durcisseur est appliqué ou la courbure se limite à une flexion unique proche du changement de largeur de la piste, il est conseillé de commencer à réduire la largeur au niveau des pastilles (conseil : placez des larmes sur les pastilles et les vias dans le circuit flexible !)

La modification de largeur de la piste et les entrées des pastille constituent des points de faiblesse.

Ajoutez un Support pour les Pastilles

Le cuivre est plus susceptible de se détacher d'un substrat en polyimide sur un circuit flexible en raison des contraintes répétées liées à la flexion, ainsi que de la plus faible adhérence du cuivre au substrat (par rapport au FR-4). Il est donc très important de fournir un support pour le cuivre exposé. Les vias bénéficient par nature d'un soutien, car le placage traversant constitue une ancre mécanique adéquate entre deux couches flexibles. C'est pour cette raison (et aussi à cause de l'expansion sur l'axe z) que de nombreux fabricants recommanderont en plus du placage conventionnel des circuits rigides un placage supplémentaire à trou traversant jusqu'à 1,5 mil pour les circuits flex-rigides et souples. Les pastilles de montage en surface et les pastilles non plaquées sont incompatibles et des mesures supplémentaires doivent être prises pour éviter qu'elles ne se détachent.

Pastilles de soutien à trous traversants dans un circuit flex avec placage, métallisations d'ancrage et ouvertures d'accès à la couche de protection réduites.

Les pastilles des composants CMS figurent parmi les plus vulnérables, en particulier lorsque le circuit flexible peut se plier sous la broche rigide et le raccord de soudure du composant. La disposition des pastilles et des pistes ci-dessous illustre comment l'utilisation des ouvertures du «masque» de la couche de protection pour ancrer les pastilles sur les deux côtés permet de résoudre le problème. Pour ce faire et afin de garantir une quantité de soudure adéquate, les pastilles doivent être un peu plus grandes que celles typiquement utilisées pour les cartes rigides. Ceci réduit la densité de montage des composants du circuit flexible, mais les circuits souples sont par nature moins denses que les circuits rigides.

Ouvertures de la couche de protection d'un boîtier SOW ancrées à l'extrémité de chaque pastille.

Votre logiciel de conception de PCB ne propose pas de «couche de protection» spécifique. Vous devrez utiliser une couche masque pour définir l'ouverture de la couche de protection autour des pastilles. La couche de soudure supérieure à l'intérieur de la section souple peut servir à cet effet. Il suffit de placer une ouverture dans la couche masque pour définir l'ouverture de la couche de protection, comme vous le feriez avec le vernis d'épargne. Les pastilles sur l'empreinte devront également être modifiées pour garantir un assemblage précis et ajouter la quantité de revêtement supplémentaire optimale pour l'ancrage. L'exemple ci-dessous s'applique à l'empreinte d'un composant 0603.

Dans cette empreinte, les dimensions des pastilles et la couche de soudure supérieure sont utilisées pour indiquer le placement des pastilles d'un CMS passif et l'ouverture de la couche de protection requis pour le montage sur un circuit imprimé flex-rigide. Le motif géométrique supérieur est adapté à un boîtier 0603 nominal, tandis que la partie inférieure est une empreinte provenant du même composant, mais avec une ouverture de couche de protection modifiée.

Anticipez les Débordements

Dans le cas d'une couche de protection laminée sur le cuivre et le substrat, lors de l'étape d'application de la couche de protection, une partie de l'adhésif ressort par les ouvertures. Ainsi, la plage d'accueil de la pastille et l'ouverture d'accès doivent être à la fois suffisamment grandes pour permettre à l'adhésif de ressortir tout en laissant suffisamment de cuivre exposé pour obtenir un cordon de soudure robuste. La norme IPC-2223 recommande une soudure mouillée à 360° autour du trou pour les conceptions haute fiabilité et à 270° pour les conceptions flexibles à fiabilité modérée.

Dimensionnez les pastilles et les ouvertures de la couche de protection afin que l'adhésif puisse ressortir.

Routage Flexible à Double Face

Pour les circuits flexibles dynamiques double face, essayez d'éviter de disposer des pistes les unes sur les autres dans la même direction. Décalez-les plutôt entre les couches adjacentes afin qu'elles ne se chevauchent pas. Cette approche permet de réduire les contraintes de tension qui s'exercent sur les pistes lorsque le cuivre est réparti plus uniformément entre les couches de cuivre (voir ci-dessous). Si les pistes sont superposées, une des couches subira des contraintes plus importantes lors de la flexion puisque les couches se repousseront mutuellement. Leur décalage permet de répartir la contrainte sur le substrat flexible et ainsi de distribuer la contrainte sur les pistes le plus uniformément possible.

La configuration des pistes en cuivre de couches adjacentes (image supérieure) n'est pas recommandée. Répartissez plutôt les pistes entre les différentes couches afin de réduire la contrainte qui s'exerce sur elles lors de la flexion de l'assemblage.

Utilisez des Polygones Hachurés

Il est parfois nécessaire d'ajouter un plan d'alimentation ou de masse sur un circuit flexible. Un remplissage au cuivre lisse peut convenir si une perte de flexibilité importante et une éventuelle déformation du cuivre au niveau des courbures de faible rayon ne posent pas de problème particulier. Les polygones hachurés sont généralement à privilégier pour conserver une flexibilité importante.

En raison de l'alignement et des croisements des pistes hachurées, le cuivre d'un polygone hachuré normal reste soumis à des contraintes de polarisation fortes dans les directions d'angle de 0°, 90° et 45°. D'un point de vue statistique, un modèle de hachure hexagonal serait plus optimal. Il peut être réalisé à l'aide d'une couche de plan négative et d'un réseau d'anti-pastilles hexagonales, mais vous pouvez rapidement construire la zone hachurée illustrée ci-dessous en coupant et en collant des sections.

L'utilisation de polygones hachurés hexagonaux permet de répartir uniformément les tensions de polarisation entre trois angles.

Placement des Vias

Pour les zones flexibles multi-couches, il est parfois nécessaire d'ajouter des vias entre les couches. Dans la mesure du possible, l'ajout de vias doit être évité car le mouvement de flexion peut rapidement les détériorer. Il est également nécessaire de maintenir un dégagement d'au moins 20 millièmes de pouce (environ ½ mm) entre l'anneau en cuivre du via le plus proche et l'interface de la carte flex-rigide. L'éditeur de CAO du circuit imprimé peut gérer cette contrainte automatiquement à l'aide des règles d'espacement des bords de la carte.

En ce qui concerne le placement des vias, s'ils sont nécessaires dans un circuit flexible, utilisez des «zones» pour définir les secteurs qui ne seront jamais courbés et les règles de conception de l'éditeur de circuits imprimés pour placer des vias uniquement dans ces zones stationnaires. Sinon, il est aussi possible d'utiliser le gestionnaire d'empilage de couches pour définir des sections «rigides» qui s'avèreront finalement flexibles, mais sur lesquelles un matériau diélectrique rigide aura été appliqué.

Définition des Découpes et des Coins Flexibles

Si vous devez disposer une découpe ou une fente dans la section flexible d'une carte, la découpe doit être terminée correctement. La norme IPC recommande de terminer par des sections circulaires avec des rayons supérieurs à 1,5 mm (environ 60 millièmes de pouce) pour réduire le risque de déchirure des matériaux du substrat flexible au niveau des coins. En présence d'un coin intérieur (un angle sur le bord d'un circuit flexible avec un angle inférieur à 180°), la règle qui prévaut ici est d'utiliser un angle incurvé tangentiel de rayon supérieur à 1,5 mm. Si l'angle est nettement inférieur à 90° (plus aigu), une courbe circulaire doit y être découpée. Le même principe s'applique aux fentes et rainures du circuit flexible. Assurez-vous de prévoir un trou de décharge prévu à chaque extrémité d'un diamètre de 3 mm (1/8") ou plus. Un exemple est présenté ci-dessous.

Les fentes, les rainures et les coins intérieurs doivent disposer de trous de dissipation ou de courbes tangentes avec un rayon minimum de 1,5 mm.

Cet article ne constitue pas un ensemble complet de directives d'ingénierie pour les circuits imprimés souples, mais rassemble des conseils qui devraient vous aider à démarrer avec de nombreux produits. En cas de doute, votre fabricant doit être en mesure de vous donner les directives DFM qui concernent votre carte flexible, ou les sections flexibles d'un circuit imprimé flex-rigide.

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