Présentation des différents matériaux pour PCB flexibles

Les matériaux pour PCB flexibles doivent répondre à plusieurs objectifs de conception et d'exploitation : flexion statique ou dynamique, compatibilité avec les processus d'assemblage standard et prise en charge de procédures de fabrication simples à haut rendement. Bien qu'ils puissent sembler exotiques de prime abord, les matériaux nécessaires pour produire de grands volumes de PCB flexibles et flex-rigides s'avèrent en réalité peu nombreux. Ce guide présente certaines des propriétés de base des matériaux pour circuits imprimés flexibles et indique comment les utiliser pour créer des circuits imprimés flexibles/flex-rigides. 

Substrat et couches de protection sous forme de film

Le matériau de base utilisé dans les cartes de circuits imprimés rigides les plus courantes est la fibre de verre tissée imprégnée de résine époxy. Il s'agit en réalité d'un tissu, qui bien que qualifié de « rigide », présente une certaine élasticité sur une seule couche de stratifié. C'est la résine époxy durcie qui rend la carte plus rigide. De par sa présence, les cartes de circuits imprimés sont souvent dites « rigides organiques ». Elles ne sont pas suffisamment flexibles pour de nombreuses applications, mais conviennent pour des assemblages simples qui ne sont pas soumis à un mouvement constant.

Le polyimide est le matériau le plus couramment utilisé pour les substrats de PCB flexibles. Il est très souple, très solide et incroyablement résistant à la chaleur.

Film flexible en polyimide (source : Shinmax Technology Ltd.)

Pour la majorité des applications de circuits flexibles, il est nécessaire d'utiliser un plastique plus souple que la résine époxy employée habituellement. Le choix se porte le plus souvent sur le polyimide qui s'avère très flexible, très solide (impossible de le déchirer ou de l'étirer à la main, ce qui le rend compatible pour l'assemblage du produit) et incroyablement résistant à la chaleur. Il tolère donc très bien plusieurs cycles de soudure par refusion et est peu sujet à la dilatation et à la contraction dues aux variations de température.

Le polyester (PET) est un autre matériau couramment utilisé dans les circuits flexibles, mais sa faible tolérance aux températures élevées le rend incompatible avec la soudure. J'ai parfois constaté qu'il était utilisé dans des produits électroniques à bas coût, avec des conducteurs imprimés sur la partie flexible (le PET ne pouvant pas supporter la chaleur du laminage), et bien sûr, aucun composant soudé. Le contact était établi par simple pression avec un élastomère conducteur isotrope.

L'écran du produit en question (radio-réveil) n'a jamais bien fonctionné en raison de la mauvaise connexion du circuit flexible. Nous ne nous intéresserons donc qu'au film en PI pour les circuits flex-rigides. (Des matériaux alternatifs sont néanmoins disponibles, mais ces derniers restent peu utilisés).

Les films en PI et PET, ainsi que les noyaux minces en époxy et en fibre de verre flexibles, forment des substrats couramment utilisés dans les circuits flexibles. La couche de protection des circuits est réalisée avec des films supplémentaires (généralement du PI ou du PET, parfois de l'encre flexible pour masque de soudure). Elle permet d'isoler les conducteurs de la surface extérieure et de les protéger de la corrosion et des dommages, à la manière d'un masque de soudure sur une carte rigide. Bien que pouvant être comprises entre ⅓ et 3 millièmes de pouce, les épaisseurs des films en PI et en PET sont généralement de 1 ou 2 millièmes de pouce. Les substrats en fibre de verre et en époxy sont nettement plus épais, entre 2 et 4 millièmes de pouce.

Conducteurs

Même si les circuits imprimés économiques décrits ci-dessus utilisent généralement un film de carbone ou de l'encre à base d'argent, le cuivre reste le conducteur privilégié. Selon l'application, différentes formes de cuivre peuvent être utilisées. Si la partie flexible du circuit ne vous sert qu'à réduire la durée et les coûts de fabrication en supprimant le câblage et les connecteurs, la feuille de cuivre laminée habituelle (électrodéposée, ou ED) conviendra parfaitement pour l'utilisation de cartes rigides. Ce procédé peut également être employé pour augmenter le poids du cuivre et ainsi garder des conducteurs de courant haute intensité à une largeur minimale, comme dans les inducteurs planaires.

Toutefois, le cuivre est également connu pour son aptitude à durcir et son usure. Si l'application finale nécessite des plis ou des mouvements répétés du circuit flexible, il convient d'envisager l'utilisation de feuilles laminées et recuites de qualité supérieure. Bien évidemment, l'étape supplémentaire qui consiste à recuire la feuille augmente considérablement le coût. Mais le cuivre recuit a la capacité de s'étirer davantage avant l'apparition des fissures de fatigue et il est plus élastique dans le sens de la déflexion suivant l'axe des Z. Il s'avère que c'est exactement ce que vous recherchez pour un circuit flexible qui sera constamment plié et enroulé. En effet, le processus qui consiste à laminer et à recuire allonge la structure des grains dans le sens de la surface.

Si la partie flexible du circuit ne vous sert qu'à réduire la durée et les coûts de fabrication en supprimant le câblage et les connecteurs, la feuille de cuivre laminée habituelle conviendra parfaitement pour l'utilisation de cartes rigides.

Illustration exagérée montrant le processus de recuit appliqué aux matériaux pour PCB flexibles. Elle n'est évidemment pas à l’échelle. La feuille de cuivre passe entre des rouleaux à haute pression qui allongent la structure du grain dans le sens de la surface, ce qui rend le cuivre beaucoup plus flexible et élastique que dans des conditions normales.

Adhesifs

Généralement, des colles sont nécessaires pour coller la feuille de cuivre aux films en PI (ou autres), car contrairement à une carte rigide FR-4 typique, le cuivre recuit comporte moins de « cannelures ». La chaleur et la pression seules ne sont donc pas suffisantes pour créer une liaison fiable. Des fabricants proposent des films préstratifiés revêtus de cuivre sur une ou deux faces pour la gravure de circuits flexibles à l'aide de colles époxy ou acryliques dont l'épaisseur se situe habituellement entre ½ et 1 millième de pouce. Les colles sont conçues spécialement pour garantir la flexibilité.

Les laminés « sans colle » sont de plus en plus répandus en raison de procédés récents qui consistent à plaquer ou à déposer le cuivre directement sur le film en PI. Ces films sont choisis lorsque des pas plus fins et des vias plus petits sont nécessaires comme dans les circuits HDI.

Les silicones, les colles thermofusibles et les résines époxy sont également utilisés lorsque des billes de protection sont ajoutées au niveau des jointures ou interfaces flex-rigides (c'est-à-dire à l'endroit où la partie flexible de l'empilage de couches se détache de la partie rigide). Elles assurent un renforcement mécanique du point d'appui de la jointure de la conception flex-rigide qui, sans cela, se détériorerait rapidement et se fissurerait ou se romprait en cas d'utilisation répétée.

Circuits flexibles monocouche

Découvrez ci-dessous un exemple typique de vue en coupe d'un circuit flexible monocouche. Sa construction est identique à celle utilisée pour les câbles FFC (Flexible Flat Connector) disponibles sur le marché. Ils peuvent se substituer aux circuits imprimés flex-rigides lorsqu'il faut intégrer des connecteurs FFC et que le coût est le principal facteur déterminant dans les décisions de conception. Dans les circuits flexibles monocouche, le cuivre est pré-laminé sur le film PI par le fournisseur de matériau, puis gravé et percé avec une plaque de support rigide. Enfin, il est laminé avec une couche de protection en polyimide à base d'adhésif qui est pré-perforée pour exposer les pads de cuivre. Les adhésifs utilisés dans cet agencement de la couche de protection peuvent déborder pendant le processus, mais il est possible d'y remédier en agrandissant les pads dans les zones exposées.

Empilement typique de circuits flexibles monocouche.

Il est important de connaître les matériaux utilisés dans les circuits flexibles et flex-rigides. Même si vous pouvez généralement laisser au fabricant la liberté de sélectionner des matériaux qui garantissent le rendement, vous devez maîtriser les facteurs susceptibles d'entraîner la défaillance d'un PCB flexible sur le terrain. Connaître les propriétés des matériaux vous aidera également pour la conception mécanique, l'évaluation et le test de votre produit. Si vous travaillez sur des produits pour l'automobile par exemple, la chaleur, l'humidité, les produits chimiques, les chocs et les vibrations doivent tous être modélisés en utilisant les propriétés précises des matériaux afin de déterminer la fiabilité du produit et le rayon de courbure minimum autorisé. L'ironie de l'histoire, c'est que les besoins qui vous poussent à choisir la technologie flexible ou flex-rigide sont souvent liés à un environnement difficile. Par exemple, les équipements électroniques personnels de consommation à bas coût sont souvent exposés à des vibrations, des chutes, à la transpiration, etc.

Une excellente ressource disponible dans le manuel de Coombs de 2008 traite le sujet bien plus en détail que cet article de présentation :

• Coombs, C. F. (éditeur, 2008) The Printed Circuits Handbook, 7^e éd. 2008 McGraw Hill.

Exemple d'empilage

Tout comme dans les PCB rigides, les empilements des PCB flexibles et flex-rigides peuvent devenir complexes lorsque le nombre de couches conductrices augmente. Ces empilements peuvent faire appel à plusieurs sections flexibles dans un même circuit imprimé, comme dans l'exemple ci-dessous. La planification de l'empilement des couches est plus simple dans un circuit flexible pur que dans un circuit flex-rigide, y compris au niveau de chaque section du circuit imprimé. Cependant, l'utilisation de raidisseurs peut rester nécessaire dans les zones où les composants sont montés ou aux bornes du circuit.

Dans votre logiciel de conception, chacune de ces sections est définie comme un empilement indépendant et s'applique à différentes zones du layout du PCB. Pour la fabrication de la carte, chaque section doit apparaître clairement dans les dessins de fabrication pour illustrer l'agencement des couches et les matériaux de la carte. Cet aspect important de la conception et de la production de PCB flexibles sera abordé dans un autre article.

Une fois que vous êtes prêt à sélectionner et à spécifier les matériaux de PCB flexibles dont vous avez besoin, utilisez l'ensemble complet de fonctionnalités de CAO et d'outils de dessin automatisés proposé dans le package Draftsman d'Altium Designer®. Pour la transmission de vos données de fabrication à votre fabricant, vous pouvez facilement collaborer et partager vos conceptions grâce à la plateforme Altium 365™. Tout ce dont vous avez besoin pour concevoir et produire des composants électroniques avancés se trouve dans une seule et même suite logicielle.

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