Le processus de fabrication de PCB flexibles (ou flex-rigides)

Si le processus de fabrication de PCB rigides vous semble quelque peu intimidant, il y a de fortes chances que celui des PCB flexibles vous donne des sueurs froides. Sachez toutefois qu'une grande partie des étapes de fabrication standard de cartes rigides s'appliquent aussi à la fabrication de PCB flexibles.

Ce guide présente l'ensemble des étapes impliquées dans la fabrication de PCB flexibles. Ces processus sont très similaires à ceux de la fabrication des PCB rigides, mais utilisent différents ensembles de matériaux comme illustré dans un précédent guide.

Création des cartes flexibles

À première vue, une carte flexible ou flex-rigide ne semble pas complexe. Toutefois, plusieurs étapes supplémentaires sont nécessaires lors de sa création, de par sa nature. Les couches flexibles à une ou deux faces sont toujours le point de départ de toute carte flex-rigide. Le fabricant peut commencer par une couche flexible prélaminée ou par un film en PI non revêtu, puis procéder au laminage et au cuivrage pour obtenir le revêtement initial.

Le laminage du film nécessite une fine couche de colle, alors que le revêtement sans colle nécessite une couche d'ensemencement de cuivre. Cette couche d'ensemencement est initialement déposée à l'aide de techniques de dépôt en phase vapeur (c'est-à-dire par pulvérisation) et constitue la base sur laquelle le cuivre déposé chimiquement est plaqué. Ce circuit flexible à une ou deux faces est percé, plaqué et gravé à peu près de la même manière que les noyaux à deux faces typiques des cartes rigides.

Étapes de fabrication des circuits flexibles

Les étapes ci-dessous illustrent la création d'un circuit flexible double face standard.

Étape 1 : application d'une colle/d'un revêtement d'ensemencement

Deux solutions se présentent: soit on applique une colle époxy ou acrylique, soit on utilise la pulvérisation cathodique pour créer une fine couche de cuivre afin d'obtenir une base de placage.

Étape 2 : ajout d'une feuille de cuivre

La feuille de cuivre est laminée sur la colle (approche la plus courante) ou appliquée par placage chimique sur la couche d'ensemencement. Les nouveaux procédés de fabrication mis en œuvre par les fournisseurs de matériaux rendent également possible une stratification sans colle du cuivre recuit et laminé.

Étape 3 : perçage

Les trous des vias et des pads sont le plus souvent percés mécaniquement. Il est possible de percer simultanément plusieurs substrats flexibles plaqués en les combinant à partir de plusieurs bobines sur des tambours. La perceuse perce alors entre les plaques de travail, puis enroule les substrats sur des bobines séparées de l'autre côté.

Il est possible de combiner les panneaux flexibles prédécoupés et de les percer entre les pièces brutes rigides de la même manière que l'on perce les noyaux rigides, bien que cela nécessite un repérage plus minutieux et que cela réduise la précision de l'alignement. Les trous de très petites dimensions peuvent être percés par laser, mais cette technique impose un coût supplémentaire important car chaque film doit être percé séparément.

Il faudrait utiliser des lasers Excimer (ultra-violets) ou YAG (infra-rouge) pour une plus grande précision (microvias) et des lasers au CO₂ pour les trous moyens (4 millièmes de pouce et plus). Les trous de grande dimensions et les découpes sont perforés, mais cette étape est indépendante du processus.

Étape 4 : placage des trous traversants

Une fois les trous percés, le cuivre est déposé et plaqué chimiquement, tout comme les noyaux des cartes rigides (ce que l'on appelle communément « Cuposit »). Une épaisseur d'au moins 1 millième de pouce est recommandée pour le placage des trous traversants dans des circuits flexibles afin d'apporter un soutien mécanique au pad ou au via, alors qu'un placage de 0,5 millième de pouce est suffisant pour un PCB rigide standard à bas prix.

Étape 5 : impression avec résine de gravure

Une résine de gravure photosensible est appliquée sur les surfaces du film, et le motif de masque souhaité est utilisé pour exposer et enlever la résine « par développement » avant la gravure chimique du cuivre.

Étape 6 : gravure et décapage

Une fois que le cuivre exposé est gravé, la résine de gravure est décapée du circuit flexible à l'aide d'un procédé chimique.

Étape 7 : couche ou revêtement de protection

Les zones supérieures et inférieures du circuit flexible sont protégées par des couche de protection découpées de façon à en épouser la forme. Il est possible que des composants soient effectivement montés sur des parties du circuit flexible, auquel cas la couche de protection fait également office de vernis d'épargne.

La couche de protection la plus couramment utilisée est un film de polyimide supplémentaire enduit de colle, bien qu'il existe des procédés sans colle. Dans le procédé sans colle, on utilise un vernis d'épargne photosensible (le même que celui utilisé sur les parties de carte rigide) qui permet essentiellement d'imprimer la couche de protection sur le circuit flexible.

Pour les conceptions plus brutes et plus économiques, la sérigraphie constitue également une option, avec un durcissement final du revêtement de protection par exposition à la lumière UV. Pour simplifier, la couche de protection est un film stratifié alors que le revêtement de protection est un revêtement de matériau appliqué, qui doit ensuite être polymérisé.

Étape 8 : découpe dans le circuit flexible

La découpe est la dernière étape de la création d'un circuit flexible. On utilise souvent le terme « blanking » pour désigner cette étape. Une approche rentable de la découpe à grande échelle consiste à utiliser une poinçonneuse hydraulique et un jeu de matrices, ce qui génère des coûts raisonnables en matière d'outillage.

Cette méthode permet néanmoins d'effectuer la découpe de plusieurs circuits flexibles en même temps. Pour les prototypes et les petites quantités, on utilise un couteau de découpe. Le couteau de découpe (« blanking knife ») est en réalité une longue lame de rasoir, qui est courbée pour épouser le contour du circuit flexible et fixée dans une fente aménagée dans une plaque de support (MDF, contreplaqué ou plastique épais comme le téflon). Les circuits flexibles sont ensuite pressés contre le blanking knife pour être découpés.

Laminage et routage

Si le circuit flexible doit former un empilage de couches à la fois rigides et flexibles (et c'est précisément ce qui nous intéresse), le processus ne s'arrête pas là. Nous avons maintenant un circuit flexible qui doit être laminé entre les parties rigides. Il est équivalent à une paire de couches dont le noyau est percé, plaqué et gravé, mais est beaucoup plus mince et plus flexible en raison de l'absence de fibre de verre.

Comme indiqué précédemment, selon l'application visée, il est possible de réaliser une couche moins flexible avec du PI et du verre. La stratification présente entre les parties rigides impose de l'encastrer dans un panneau qui épouse également les parties rigides du panneau. Les circuits flexibles qui ne sont pas combinés à des sections rigides sont collés temporairement à un panneau de soutien rigide en MDF ou en matériaux de type FR-4.

Schéma montrant comment les panneaux flexibles gravés, plaqués, revêtus d'une couche de protection et découpés sont combinés avec les panneaux rigides en verre époxy

On procède au laminage du circuit flexible dans le panneau en même temps que les parties rigides et toutes les autres parties flexibles en appliquant un supplément de colle, de chaleur et de pression. Les parties flexibles situées les unes à côté des autres ne sont pas laminées, à moins de concevoir un circuit flexible multi-couches.

Cela signifie généralement que chaque partie flexible comporte au maximum deux couches de cuivre, de façon à préserver la flexibilité. Ces parties flexibles sont séparées par des préimprégnés et des noyaux rigides ou des feuilles de liaison en PI avec des colles époxy ou acryliques.

En réalité, le routage de chaque panneau rigide est effectué séparément dans les zones où le flexible est autorisé pour gagner en flexibilité. L'exemple ci-dessous illustre un procédé de laminage dans une carte flex-rigide comportant deux circuits flexibles à deux couches encastrés entre trois parties rigides. L'empilage de couches ressemblerait à celui illustré ci-dessous.

Remarque : de nombreux concepteurs hésitent à utiliser de la colle en raison de la dilatation inacceptable de l'axe Z lors du soudage par refusion.

Schéma détaillé d'un empilage comprenant des trous traversants métallisés dans chaque partie flexible, ainsi que les trous traversants métallisés définitifs dans la partie rigide.

Dans l'empilage illustré ci-dessus, deux circuits flexibles ont été préalablement gravés et découpés, chacun étant à double face et plaqué. Le circuit flexible a été découpé dans un panneau d'assemblage final comportant des bordures pour l'encadrement. Cela permettra de maintenir le circuit flexible à plat pendant l'assemblage final après le laminage avec les parties de panneaux rigides. Il existe certes des risques potentiels en cas de soutien insuffisant des raccords et des larges surfaces exposées des circuits flexibles pendant l'assemblage, en particulier dans la chaleur d'un four à refusion.

Si cet exemple présente des couches avec colle, il est important de noter que de nombreux concepteurs hésitent à utiliser de la colle en raison d'une expansion inacceptable de l'axe Z lors du soudage à refusion. Les préimprégnés FR-4 et les époxys thermodurcissables permettent toutefois d'atteindre le résultat souhaité et sont à toutes fins utiles ici considérés comme des couches « adhésives ».

Le traitement du cuivre sur les couches flexibles offre également une adhérence supplémentaire, car il permet d'obtenir plus de « cannelures » dans les préimprégnés stratifiés. Des stratifiés flexibles à double face sans colle sont présentés ici. Il s'agit de films entièrement constitués de polyimide, sur lequels la feuille de cuivre est collée. DuPont^™ Pyralux^® et Rogers Corp. R/Flex^® sont des exemples de laminés sans colle courants.

La couche de protection est également appliquée - comme les autocollants laminés avec de la colle ou à l'aide d'un procédé de photo-impression, comme indiqué précédemment. Une fois que les derniers panneaux flexibles et rigides de cet empilage de six couches sont réunis, ils sont laminés avec les dernières couches de feuilles de cuivre des extrémités extérieures (Top et Bottom). Ensuite, un autre perçage est effectué pour les trous traversants métallisés de haut en bas.

Il est également possible de percer des vias borgnes au laser (du haut vers le premier flexible, du bas vers le dernier flexible), ce qui vient de nouveau s'ajouter aux dépenses de conception. Les trous sont plaqués de haut en bas, tout comme les vias borgnes s'il y en a, et les motifs en cuivre des couches extérieures finales sont gravés. Les étapes de finition sont l'impression du vernis d'épargne supérieur et inférieur, la sérigraphie supérieure et inférieure et le placage de protection (comme l'ENIG) ou la préparation pour la soudure à l’air chaud (HASL).

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