Comment les PCB flex thermoformés sont conçus et fabriqués

Les circuits flexibles continuent d'être une solution gagnante lorsque la durabilité et un facteur de forme compact sont requis. Les avantages évidents d'être plus minces et plus légers, avec la capacité de se plier et de se courber, sont faciles à comprendre et la technologie est utilisée depuis des décennies.

Alors que nous passons souvent du temps à examiner les matériaux, à concevoir pour la flexibilité et à comprendre le processus de fabrication, aujourd'hui, nous allons spécifiquement regarder les circuits imprimés flexibles thermoformés. Cette technologie est particulièrement intéressante parce que les circuits peuvent être moulés dans des formes spécifiques tout en maintenant leur performance. Comme avec les applications plus traditionnelles pour les matériaux flexibles, le thermoformage n'est pas une nouvelle technologie, mais il ajoute une autre couche de complexité à la fois à la conception du circuit et au processus de fabrication.

Considérations de Conception de Circuit

Les PCB flex thermoformés sont un type spécial de circuit imprimé flexible qui peut être formé de manière permanente pendant la fabrication. Les PCB flex peuvent être mécaniquement courbés pour obtenir un rayon de courbure statique souhaité, comme le discute Zach Peterson dans cet article lié. Contrairement aux PCB flex habituels qui se plient et se flexent, ou qui sont mécaniquement fixés après la fabrication, les PCB flex thermoformés sont moulés dans des formes fixes.

Ils sont généralement conçus dans des endroits où l'espace est restreint et où vous avez besoin de formes précises, comme dans les voitures, les dispositifs médicaux et les appareils portables. Si vous prenez en compte des applications telles que le tableau de bord de votre voiture ou le dernier moniteur de santé portable, les PCB flex thermoformés rendent ces conceptions élégantes possibles en s'adaptant à des espaces compacts et en épousant des formes complexes.

Exemple de PCB flex thermoformé images de FreddieHong19 sur github

Lorsqu'il s'agit de conception mécanique, vous devez réfléchir à la manière dont le PCB va se plier et se flexer, à la fois pendant le processus de formation et dans son utilisation finale. Évitez de placer des pistes et des composants dans des zones de haute contrainte. Utiliser des pistes courbées et des vias décalés peut aider à répartir le stress et à réduire le risque de fissures. Cela est très similaire aux dispositifs d'interconnexion moulés (MIDs), mais la principale différence est que les PCB thermoformés ont leur pliage appliqué après que la fabrication soit terminée.

Bien qu'il semble que la technologie flex thermoformée serait une solution fantastique dans un grand nombre d'applications, c'est également une technologie difficile à fabriquer et par conséquent à concevoir. Il y a de nombreux facteurs à considérer pour assurer un résultat réussi.

Processus de Fabrication Pour les PCB Flex Thermoformés

Le processus de fabrication pour les PCB flex thermoformés implique plusieurs étapes précises pour atteindre la forme et la fonctionnalité désirées, et je pense qu'il est important de souligner que le thermoformage n'est pas une capacité « standard » ou même typique pour la plupart des fabricants de circuits flexibles. Cela nécessite un contrôle strict du processus et un autre niveau de capacités de processus.

Le polyimide et le polyester (par exemple, le polyéthylène téréphtalate) sont des choix de matériaux populaires car ils sont flexibles et peuvent résister à la chaleur grâce à leurs températures de décomposition élevées et à leurs températures de transition vitreuse élevées. Le polyimide est favorisé car il peut supporter des températures élevées pendant le processus de thermoformage, et son traitement est bien compris par de nombreuses maisons de fabrication.

Outil de Thermoformage : La création de la version 2D du circuit flexible se déroule comme on peut s'y attendre pour tout processus de fabrication de circuit flexible. Une fois que le motif du circuit est créé et a passé la revue de qualité, le thermoformage a lieu.

Avant que le chauffage ne commence, le moule utilisé pour façonner le PCB doit être préparé. Ce moule est généralement fabriqué à partir de matériaux capables de supporter des températures élevées sans se déformer, tels que le métal ou les plastiques/polymères résistants à la chaleur. Le moule doit être usiné avec précision aux dimensions et à la forme exactes requises pour le design final du PCB. Une nouvelle approche pour le thermoformage consiste à utiliser des moules imprimés en 3D ; voir par exemple les moules ci-dessous de Proto3000 :

Proto3000 a imprimé en 3D des moules de thermoformage. (Source de l'image)

Fixation et chauffage : Le substrat de PCB flexible, qui a déjà été dessiné et plaqué, est soigneusement placé dans le moule. Un alignement correct est crucial pour garantir que le PCB se conforme à la forme souhaitée sans aucun désalignement ou distorsion. Cette étape implique souvent l'utilisation d'outils ou de dispositifs d'alignement spécialement conçus pour maintenir le PCB en place pendant le processus de chauffage.

La phase de chauffage et le contrôle du processus sont critiques. L'ensemble est chauffé à une température spécifique où le substrat devient malléable. Cette température doit être contrôlée avec précision pour éviter la surchauffe, qui peut endommager le matériau ou les pistes conductrices. Le chauffage peut être effectué en utilisant diverses méthodes, y compris des fours à convection, des chauffages infrarouges ou des équipements de thermoformage spécialisés. L'essentiel est d'appliquer la chaleur de manière uniforme sur le PCB pour garantir une malléabilité uniforme.

Une fois que le substrat atteint la température requise, il devient souple et malléable. Le moule donne alors au PCB la forme tridimensionnelle désirée. Cette étape doit être réalisée rapidement mais soigneusement pour garantir que le PCB se conforme au moule sans introduire de plis, de bulles ou d'autres défauts. La pression appliquée pendant le formage doit être répartie uniformément pour éviter de stresser le matériau.

À titre d'exemple, DuPont fournit des conseils de thermoformage pour leur gamme de matériaux Kapton, incluant le fixage et les valeurs de temps/température de pressage basées sur la profondeur du moule de formage. Lisez leurs directives pour les films Kapton ici.

Refroidissement et Solidification : Après que le PCB ait été façonné, il doit être spécifiquement refroidi pour solidifier sa nouvelle forme. Le refroidissement doit être contrôlé pour éviter d'introduire des contraintes internes ou des défauts tels que le gauchissement et la fissuration. Un refroidissement trop rapide ou pas assez rapide peut entraîner des défauts dans la conception finale. Le processus de refroidissement peut être géré à l'aide d'un refroidissement à air contrôlé, de bains d'eau ou de systèmes de refroidissement intégrés dans l'équipement de thermoformage. Un refroidissement progressif et uniforme est nécessaire pour maintenir l'intégrité du PCB.

Retirer le circuit flexible du moule nécessite également beaucoup de soin. Après que le PCB soit retiré du moule, il subit une autre inspection approfondie et des contrôles de qualité. Cela inclut des inspections visuelles pour les défauts de surface, des vérifications dimensionnelles pour s'assurer que le PCB se conforme à la forme désirée, et des tests mécaniques pour évaluer l'intégrité structurelle.

Processus Avancés dans les PCB Flex Thermoformés

Le domaine des PCB flexibles évolue constamment, avec de nouvelles avancées et innovations à l'horizon. Des recherches sont en cours pour développer de nouveaux matériaux aux propriétés améliorées, telles qu'une flexibilité accrue, une meilleure stabilité thermique et une performance électrique améliorée. Ces avancées vont élargir les applications potentielles des PCB flexibles thermoformés et améliorer leur fiabilité.

Les technologies de fabrication de haute densité, telles que la structuration directe par laser (LDS) et les processus de fabrication additive (mSAP ou SAP), peuvent intégrer des approches de conception d'interconnexion à haute densité (HDI) dans les PCB flexibles, qui pourraient alors également être utilisées dans des dispositifs thermoformés. Ces techniques offrent une précision plus élevée, une plus grande flexibilité de conception et des temps de production réduits.

Le processus de thermoformage est un équilibre délicat de contrôle précis de la température, de manipulation soigneuse et d'assurance qualité rigoureuse. Chaque étape, du chauffage au refroidissement, doit être méticuleusement gérée pour produire des PCB flexibles thermoformés de haute qualité qui peuvent résister aux exigences de leurs applications prévues. Si vous envisagez un circuit flexible thermoformé pour votre application, travaillez avec votre fabricant dès le début du processus de conception pour garantir le plus haut niveau de succès.