Conception de PCB rigides-flexibles : directives relatives aux contraintes mécaniques, aux empilements et à la fiabilité

La conception de PCB rigides-flex implique l’intégration de matériaux de circuits flexibles avec des sections rigides afin de créer des types de conceptions uniques. L’objectif est souvent d’intégrer les conceptions dans des boîtiers complexes, des formats compacts ou pliés, ou des boîtiers comportant des pièces mobiles. Les PCB rigides-flex nécessitent une approche différente de celle d’une conception rigide standard, mais ils offrent dans certains cas une fiabilité supérieure et permettent des fonctionnalités difficiles à obtenir avec des connecteurs et du câblage.

Si vous n’avez encore jamais conçu de PCB flexible ou de PCB rigide-flex, ces recommandations vous aideront à créer des cartes flexibles et rigides-flex dotées de fonctionnalités uniques tout en respectant les exigences DFM de la plupart des fabricants. Les empilements de couches PCB pour les conceptions rigides-flex peuvent également être complexes ; nous fournirons donc des conseils sur les différents empilements possibles, y compris sur l’utilisation appropriée des raidisseurs.

Types de conceptions rigides-flex et empilements de couches PCB

Les différents types de conceptions rigides-flex sont toujours définis par l’empilement de couches PCB, car c’est lui qui permet la fonctionnalité d’un PCB rigide-flex. Voici une courte liste de différents types de conception de PCB rigide-flex, ainsi que quelques images montrant ce qu’il est possible de réaliser.

• Rigide-flex intégré : le type de rigide-flex le plus courant, où la section flexible est laminée dans un empilement PCB
• Rigide-flex avec raidisseurs : au lieu de laminer la zone flexible dans l’empilement, une feuille de préimprégné rigidifie la partie flexible dans des zones spécifiques
• PCB entièrement flexible, ou FPC : une conception sans aucune section rigide, généralement utilisée en remplacement d’un câble
• Rigide-flex de type reliure : une conception avec plusieurs zones flexibles superposées pouvant se replier les unes sur les autres
• Rigide-flex à flexion dynamique : une conception rigide-flex destinée à subir des flexions répétées pendant le fonctionnement
• Rigide-flex HDI : une conception avec des microvias percés au laser dans la section rigide, la section flexible, ou les deux
• Rigide-flex transparent : une conception utilisant des matériaux flexibles entièrement transparents avec un empilement rigide ou un raidisseur
• Rigide-flex à base de PTFE : une conception rigide-flex qui utilise des noyaux PTFE et des bondplies pour constituer la partie rigide de l’empilement

Les conceptions rigides-flex peuvent comporter plusieurs zones où la section flexible se ramifie. Cela peut se terminer sur un connecteur, une autre section rigide, un raidisseur, des doigts dorés ou un circuit assemblé sur la zone flexible. Un exemple complexe est présenté ci-dessous.

Les assemblages de PCB rigides-flex peuvent comporter plusieurs branches et sections rigides.

Contraintes mécaniques sur les conceptions rigides-flex

Fixation

Les conceptions rigides-flex doivent souvent être fixées dans le boîtier, ce qui peut se faire avec des vis ou des fixations encliquetables. Certaines méthodes de fixation utilisent également un support coulissant qui maintient en place la section flexible ou rigide. Cela nécessite généralement des trous de montage pour maintenir l’assemblage rigide-flex en position.

Déformation permanente

Dans certains assemblages rigides-flex, le ruban flexible est plié de manière permanente ou marqué pendant l’installation afin que la carte finale conserve sa forme à l’intérieur du boîtier. Il s’agit d’applications flex statiques où le pli est appliqué une seule fois et où le ruban ne bouge plus pendant le fonctionnement. Lorsque cette déformation permanente est prévue, le concepteur doit définir la zone de pliage ou de marquage dans le routage PCB à l’aide de zones d’exclusion. Ces zones d’exclusion empêchent le placement de composants, de vias et de pistes dans la zone où le pli se produira, car les éléments en cuivre situés dans une zone de pliage sont soumis à des contraintes mécaniques concentrées susceptibles de fissurer les pistes ou de rompre les joints de soudure au fil du temps. Définir ces zones d’exclusion dès le début du routage, idéalement à partir du modèle MCAD du boîtier, garantit que le ruban flexible pourra être plié dans sa position finale sans interférences imprévues.

Limites de flexion

La distinction entre flexion statique et flexion dynamique est la contrainte principale qui détermine le rayon de courbure minimal admissible dans une conception rigide-flex. La flexion statique se produit lorsque le ruban flexible est plié une seule fois, ou un petit nombre de fois, pendant l’installation, puis reste dans une position fixe pendant toute la durée de vie du produit. La flexion dynamique se produit lorsque le ruban flexible subit des flexions répétées et continues pendant le fonctionnement normal, comme dans une charnière, une articulation robotique ou un dispositif portable. Le rayon de courbure minimal est défini comme un multiple de l’épaisseur totale de la partie flexible dans la zone de pliage. Pour les applications flex statiques, le rayon de courbure minimal généralement admis est de 6x l’épaisseur flexible, 10x constituant un point de départ plus prudent et largement recommandé. Pour les applications flex dynamiques, le rayon de courbure requis augmente considérablement, souvent jusqu’à 100x l’épaisseur flexible, selon le nombre de cycles de flexion attendus sur la durée de vie du produit.

À titre d’exemple de calcul, considérons une zone flexible à quatre couches d’une épaisseur de 11 mils dans une application statique. En utilisant la règle prudente de 10x :

Rmin = 10T = 10×11 mils = 110 mils

En utilisant la règle minimale stricte de 6x :

Rmin = 6T = 6×11 mils = 66 mils

Si cette même zone flexible de 11 mils était utilisée dans une application dynamique exigeant une longue durée de vie en cycles, le rayon de courbure devrait augmenter jusqu’à environ :

Rmin = 100T = 100×11 mils = 1100 mils

Cela illustre à quelle vitesse l’enveloppe mécanique augmente lorsqu’une zone flexible doit résister à des flexions répétées. Des épaisseurs de cuivre plus faibles (une demi-once ou un tiers d’once), du cuivre recuit laminé et des stratifiés sans adhésif contribuent tous à améliorer la durée de vie en flexion, mais ils ne suppriment pas la nécessité de respecter la contrainte de rayon de courbure.

Ces limites de flexion créent un lien direct entre l’empilement de couches du PCB rigide-flex et la conception mécanique du boîtier. Si la géométrie du boîtier est définie en premier, l’espace disponible pour la courbure du ruban flexible détermine l’épaisseur flexible maximale et le rayon de courbure minimal que le concepteur PCB peut utiliser. À l’inverse, si l’empilement est défini en premier sur la base d’exigences électriques telles que le nombre de couches, l’impédance ou l’épaisseur de cuivre, l’épaisseur flexible résultante impose un rayon de courbure minimal que le concepteur mécanique doit prendre en compte dans le boîtier.

En pratique, cela signifie que l’empilement PCB et la géométrie du boîtier doivent être développés conjointement. Une zone flexible à quatre couches qui satisfait aux exigences électriques peut être trop épaisse pour se plier dans le volume disponible du boîtier, imposant un compromis entre le nombre de couches, l’épaisseur de cuivre et le dégagement mécanique. Une collaboration précoce entre les équipes de conception électrique et mécanique, idéalement via des outils de collaboration ECAD-MCAD synchronisés, évite les conflits de fin de développement où le ruban flexible ne peut tout simplement pas s’intégrer physiquement dans le boîtier sans enfreindre ses limites de rayon de courbure.

Essais mécaniques et de fiabilité sur un PCB rigide-flex

Une fois les contraintes mécaniques définies, des essais de fiabilité typiques sont souvent exigés pour la conception ou pour le produit dans son ensemble. La question peut alors se poser de savoir comment valider mécaniquement la conception rigide-flex.

Les logiciels EDA ne fournissent pas directement ce type de validation. Cependant, il existe deux façons de procéder :

• Essais physiques : l’assemblage peut être soumis à des essais vibratoires, des essais environnementaux, etc., afin de vérifier la fiabilité du PCB et de l’assemblage
• Simulation : des simulations mécaniques peuvent être utilisées pour comprendre le comportement de l’assemblage sous vibration, choc mécanique ou autres conditions extrêmes

Pour la partie simulation, il est possible d’importer des conceptions rigides-flex dans un logiciel MCAD sans recourir à des échanges de fichiers. Les logiciels MCAD commerciaux peuvent fournir des simulations de vibration, de contrainte/déformation et d’assemblage sur des conceptions rigides-flex créées dans Altium Develop. Grâce à la fonctionnalité avancée MCAD CoDesigner, les utilisateurs peuvent créer un jumeau numérique de leur conception électrique dans un logiciel MCAD commercial. Un concepteur mécanique peut ensuite l’utiliser pour créer un boîtier, vérifier les interférences et même placer les composants principaux ou définir les contraintes mécaniques du rigide-flex.

La fonctionnalité avancée MCAD CoDesigner permet aux utilisateurs d’Altium de transférer instantanément leur routage PCB rigide-flex dans des applications MCAD populaires.

Comment inclure les contraintes mécaniques

Les contraintes mécaniques dans les conceptions rigides-flex impliquent généralement le placement verrouillé de composants spécifiques et l’utilisation de zones d’exclusion. Parfois, les zones d’exclusion sont basées sur la hauteur des composants afin d’éviter les interférences dans un assemblage. Dans les logiciels de conception PCB, elles sont définies à l’aide de règles de conception et de définitions de keepout tracées directement dans le routage PCB.

Définition des règles de conception pour les contraintes mécaniques

Altium Designer fournit un système de règles de conception piloté par contraintes qui permet d’appliquer directement les exigences mécaniques pendant le routage. Les règles d’espacement, les règles de placement et les contraintes spécifiques à certaines zones peuvent toutes être appliquées à des régions particulières de la carte, à des empilements de couches ou à des classes de composants, ce qui les rend particulièrement adaptées aux conceptions rigides-flex où différentes zones de la carte ont des exigences mécaniques fondamentalement différentes. Les étapes suivantes décrivent comment configurer des règles de conception prenant en charge la définition des contraintes mécaniques dans un routage rigide-flex.

• Les flux de conception vont d’interfaces de type tableur centrées sur les objets à des moteurs de règles classiques basés sur des requêtes pour un périmètre d’application flexible.
• L’application des exigences mécaniques telles que l’espacement et les contraintes de type région est assurée par le DRC automatisé et les constructions Room.
• L’optimisation de l’intégrité du signal implique une terminaison précise, un contrôle d’impédance basé sur l’empilement de couches et l’évaluation des pertes de canal à l’aide de diagrammes de l’œil et de réponses impulsionnelles.
• La gestion centralisée des bibliothèques réduit le risque de conception en facilitant la réutilisation de symboles validés, d’empreintes et de blocs de circuits éprouvés.
• L’aptitude à la fabrication dépend d’une communication précoce avec les fabricants concernant la disponibilité des matériaux, les épaisseurs de cuivre et les rapports d’aspect des vias.
• Les systèmes PLM et MRP intégrés améliorent la traçabilité et la visibilité de la chaîne d’approvisionnement, aidant les équipes à gérer des cycles de vie produit complexes et la volatilité des approvisionnements.

Utilisation des zones d’exclusion dans le routage PCB

Les zones d’exclusion dans un routage PCB définissent des zones où certains objets spécifiques, tels que les pistes, les vias, les composants ou les remplissages de cuivre, sont interdits. Dans les conceptions rigides-flex, les zones d’exclusion remplissent une fonction structurelle au-delà du simple respect des espacements : elles empêchent le placement de cuivre et de composants dans les zones de pliage, les zones de marquage ou les zones qui doivent rester dégagées pour l’intégration dans le boîtier. Les zones d’exclusion peuvent être tracées sur des couches spécifiques ou appliquées comme restrictions multicouches, et elles sont vérifiées par rapport aux règles de conception actives lors du DRC. Les étapes suivantes décrivent comment définir et appliquer des zones d’exclusion dans Altium Designer pour un routage rigide-flex.

• Définir le périmètre : Déterminez si la zone d’exclusion s’applique à toutes les couches de signal (en utilisant la couche Keepout) ou à une seule couche de cuivre spécifique.
• Définir la géométrie : Placez une région Keepout sur la zone rigide ou flexible où le routage et le placement doivent être empêchés.
• Définir les restrictions : Configurez les restrictions dans le panneau Propriétés afin de bloquer des types d’objets spécifiques (par ex. vias, pistes, pastilles) dans la région définie.
• Vérification : Confirmez que les fonctions de routage et de placement automatiques sont bloquées conformément aux règles, afin d’éviter les violations de conception dans les zones protégées.

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