Réflexions sur la conception de PCB rigide-flexible

De plus en plus de concepteurs sont confrontés à la nécessité de réduire la taille et le coût des produits qu'ils conçoivent, tout en augmentant la densité et en simplifiant l'assemblage. Les circuits rigides-flexibles (ceux qui incorporent des portions flexibles entre des sections rigides séparées) deviennent une solution de plus en plus courante. Ce blog est le début d'une courte série qui discute des matériaux, de la fabrication et des méthodes de conception pour utiliser la technologie rigide-flexible.

Comme le suggère le titre de ce blog, j'ai beaucoup réfléchi dernièrement aux cartes de circuits Rigid-Flex. Le Rigid-Flex peut offrir de nombreux avantages, et de nombreux concepteurs l'envisagent aujourd'hui alors qu'auparavant cela n'était pas nécessaire. Il semble que de plus en plus de concepteurs sont soumis à des pressions plus élevées pour construire des électroniques toujours plus densément peuplées, et avec cela vient également la pression de réduire les coûts et le temps de fabrication. Eh bien, cela n'est bien sûr pas vraiment nouveau. C'est juste que l'étendue des ingénieurs et des concepteurs devant répondre à ces pressions ne cesse de s'élargir.

Mais il existe des aspects des circuits rigides-flexibles qui pourraient représenter des obstacles pour les nouveaux venus dans la technologie. Il est donc judicieux de d'abord comprendre comment les circuits flexibles et les cartes rigides-flexibles sont réellement fabriqués. À partir de là, nous pouvons examiner les problèmes de conception et trouver un chemin clair à suivre. Pour l'instant, considérons quels matériaux de base entrent dans la composition de ces cartes.

Matériaux pour Circuits Flexibles

Substrat et Films de Couverture

Commencez par penser à un PCB rigide normal - le matériau de base est typiquement en fibre de verre et en résine époxy. C'est en fait un tissu, et bien que nous les appelions « rigides », si vous prenez une seule couche de stratifié, ils ont une quantité raisonnable d'élasticité. C'est l'époxy durci qui rend la carte plus rigide. Cela n'est cependant pas assez flexible pour de nombreuses applications, mais pour des assemblages simples où il n'y aura pas de mouvement constant, cela est adapté.

• Apprenez-en plus sur les matériaux des circuits flexibles

Pour la majorité des applications, un plastique plus flexible que la résine époxy habituelle est nécessaire. Le choix le plus courant est le polyimide, car il est très flexible, très résistant (on ne peut ni le déchirer ni le distendre de manière notable à la main, ce qui le rend tolérant lors de l'assemblage des produits), et également incroyablement résistant à la chaleur. Cela le rend très tolérant à de multiples cycles de refusion et raisonnablement stable en expansion et contraction dues aux fluctuations de température.

Le polyester (PET) est un autre matériau couramment utilisé pour les circuits flexibles, mais il ne tolère pas les hautes températures et est moins dimensionnellement stable que les films en Polyimide (PI). J'ai vu ce matériau utilisé dans des électroniques très bon marché où la partie flexible avait des conducteurs imprimés (où le PET ne pouvait pas supporter la chaleur de la lamination), et inutile de dire que rien n'était soudé dessus - plutôt, le contact était fait par une pression brute. Je me souviens que l'affichage de ce produit (un radio-réveil) en question n'a jamais vraiment bien fonctionné en raison de la faible qualité de la connexion du circuit flexible. Donc, pour le rigide-flex, nous supposerons que nous nous en tenons au film PI. (D'autres matériaux sont disponibles mais rarement utilisés).

Les films PI et PET, ainsi que les noyaux minces en époxy et fibre de verre, constituent des substrats courants pour les circuits flexibles. Les circuits doivent ensuite utiliser des films supplémentaires (généralement PI ou PET, parfois de l'encre de masque de soudure flexible) pour le revêtement de protection. Le revêtement de protection isole les conducteurs de surface extérieure et les protège contre la corrosion et les dommages, de la même manière que le masque de soudure le fait sur la carte rigide. L'épaisseur des films PI et PET varie de ⅓ de mil à 3 mils, avec 1 ou 2 mils étant typique. Les substrats en fibre de verre et époxy sont sensiblement plus épais, allant de 2 mils à 4 mils.

Conducteurs

Alors que les électroniques bon marché mentionnées ci-dessus peuvent utiliser des conducteurs imprimés - généralement une sorte de film de carbone ou d'encre à base d'argent - le cuivre est le conducteur de choix le plus typique. Selon l'application, différentes formes de cuivre doivent être considérées. Si vous utilisez simplement la partie flexible du circuit pour réduire le temps et les coûts de fabrication en éliminant les câblages et les connecteurs, alors le feuillard de cuivre laminé habituel (déposé par électrolyse, ou ED) pour l'usage sur carte rigide convient. Cela peut également être utilisé là où des poids de cuivre plus lourds sont souhaités pour maintenir les conducteurs transportant de forts courants à la largeur minimale viable, comme dans les inducteurs planaires.

Mais le cuivre est également tristement célèbre pour son durcissement sous l'effet du travail et sa fatigue. Si votre application finale implique un pliage ou un mouvement répété du circuit flexible, vous devez envisager des feuilles de cuivre laminé recuit (RA) de meilleure qualité. Évidemment, l'étape supplémentaire de recuit de la feuille augmente considérablement le coût. Mais le cuivre recuit peut s'étirer davantage avant que des fissures de fatigue n'apparaissent, et il est plus élastique dans la direction de la déflexion Z - exactement ce que vous souhaitez pour un circuit flexible qui sera plié ou roulé tout le temps. Cela est dû au fait que le processus de recuit par laminage allonge la structure granulaire dans la direction planaire.

Figure 2 : Illustration exagérée du processus de recuit, évidemment pas à l'échelle. La feuille de cuivre passe entre des rouleaux à haute pression qui allongent la structure granulaire dans une orientation planaire, rendant le cuivre beaucoup plus flexible et élastique dans la déflexion z.

Des exemples d'une telle application seraient les connexions de portique à une tête de routeur CNC, ou la tête de lecture laser pour un lecteur Blu-Ray (comme montré ci-dessous).

Figure 3 : Circuit flexible utilisé pour relier la tête de lecture laser à l'assemblage de la carte principale dans un mécanisme Blu-Ray. Remarquez que le PCB sur la tête laser a la partie flexible pliée à angles droits, et une perle adhésive a été ajoutée pour renforcer le circuit flexible à la jonction.

Adhésifs

Traditionnellement, les adhésifs sont nécessaires pour lier le feuillard de cuivre aux films de PI (ou autres), car contrairement à une carte rigide FR-4 typique, le cuivre recuit présente moins de "prise" et la chaleur & la pression seules ne suffisent pas à former une liaison fiable. Des fabricants tels que DuPont proposent des films cuivrés pré-laminés, simples et doubles faces, pour la gravure de circuits flexibles, utilisant des adhésifs à base d'acrylique ou d'époxy avec des épaisseurs typiques de ½ et 1 mil. Les adhésifs sont spécialement développés pour leur flexibilité.

Les laminés "sans adhésif" deviennent plus courants grâce à de nouveaux procédés qui impliquent le placage ou le dépôt de cuivre directement sur le film de 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 utilisées lorsque des perles protectrices sont ajoutées aux jonctions ou interfaces flex-rigides (c'est-à-dire là où la partie flexible de l'empilement de couches quitte la partie rigide). Elles offrent un renforcement mécanique au point de pivot de la jonction flex-rigide qui autrement se fatiguerait rapidement et se fissurerait ou se déchirerait en cas d'utilisation répétée. Un exemple de cela est montré dans la Figure 3 ci-dessus.

Figure 4 : Empilement typique d'un circuit flexible monocouche.

Il est important de connaître les matériaux utilisés dans les circuits flexibles et rigides-flexibles. Même si vous pouvez généralement laisser le fabricant libre de choisir les matériaux en fonction de votre application, l'ignorance ne vous protégera pas des défaillances sur le terrain du produit final. Une ressource vraiment bonne qui contient bien plus de détails que ma brève introduction ici est :

• Coombs, C. F. (Éditeur, 2008) The Printed Circuits Handbook, 6e éd. 2008 McGraw Hill, pp 61.3 0 - 61.24.

Connaître les propriétés des matériaux aidera également dans la conception mécanique, l'évaluation et le test de votre produit. Si vous travaillez par exemple sur des produits automobiles ; la chaleur, l'humidité, les produits chimiques, les chocs et les vibrations - tout doit être modélisé avec des propriétés matérielles précises pour déterminer la fiabilité du produit, et le rayon de courbure minimal autorisé. L'ironie est que les besoins qui vous poussent à choisir des solutions flexibles et rigides-flexibles sont souvent liés à des environnements difficiles. Par exemple, les appareils électroniques personnels à bas coût sont souvent soumis à des vibrations, des chutes, de la transpiration et pire encore.

Processus de Fabrication Flex & Rigid-Flex

À première vue, une carte flexible typique, ou rigide-flexible, semble simple. Cependant, la nature de ces cartes nécessite plusieurs étapes supplémentaires dans le processus de fabrication. Le début de toute carte rigide-flexible est toujours constitué de couches flexibles simple ou double face. Comme mentionné la semaine dernière, le fabricant peut commencer avec du flex pré-laminé ou peut commencer avec un film PI non revêtu, puis laminé ou plaqué de cuivre pour le revêtement initial. Le laminage du film nécessite une fine couche d'adhésif, tandis que le revêtement sans adhésif nécessite une couche de "semence" de cuivre. Cette couche de semence est initialement déposée en utilisant des techniques de dépôt en phase vapeur (c.-à-d. par pulvérisation), et fournit la clé sur laquelle le cuivre déposé chimiquement est plaqué. Ce circuit flexible une ou deux faces est percé, plaqué à travers, et gravé dans les mêmes étapes que les noyaux typiques à 2 faces dans les cartes rigides.

L'animation GIF ci-dessous montre les étapes de création d'une carte de circuit flexible typique à double face.

• En savoir plus sur la fabrication de PCB flexibles et rigides-flexibles

Figure 5 : Animation GIF montrant le processus de fabrication du circuit flexible.

1. Application de revêtement adhésif/semence

Soit un adhésif époxy ou acrylique est appliqué, soit la pulvérisation est utilisée pour créer une fine couche de cuivre pour une clé de placage.

2. Ajout de Feuille de Cuivre

Soit par lamination de feuille de cuivre RA/ED sur l'adhésif (l'approche la plus courante) soit par placage chimique sur la couche de germe.

3. Perçage

Les trous vers les vias et les pads sont le plus souvent percés mécaniquement. Plusieurs substrats flexibles plaqués peuvent être percés simultanément en les combinant à partir de plusieurs bobines, en perçant entre des plaques de travail, puis en les déroulant pour les séparer sur des bobines de l'autre côté de la machine de perçage. Des panneaux flex pré-découpés peuvent être combinés et percés entre des ébauches rigides de la même manière que les noyaux rigides sont également percés, bien que cela nécessite un enregistrement plus soigneux et que la précision de l'alignement soit réduite. Pour les trous ultra-petits, le perçage au laser est disponible, bien qu'à un coût beaucoup plus élevé car chaque film doit être percé séparément. Cela utiliserait des lasers Excimer (ultra-violet) ou YAG (Infra-Rouge) pour une plus grande précision (microvias), des lasers CO2 pour des trous moyens (4+ mils). Les grands trous et les découpes sont poinçonnés, mais c'est une étape de processus séparée.

4. Placage des Trous Métallisés

Une fois les trous réalisés, le cuivre est déposé et chimiquement plaqué de la même manière que pour les noyaux de cartes rigides.

5. Impression de résist à la gravure

Un résist photosensible est appliqué sur les surfaces du film, et le motif de masque souhaité est utilisé pour exposer et développer le résist avant la gravure chimique du cuivre.

6. Gravure et décapage

Après que le cuivre exposé a été gravé, le résist à la gravure est chimiquement retiré du circuit flexible.

7. Couverture

Les zones supérieures et inférieures du circuit flexible sont protégées par une couverture qui est découpée selon la forme. Il peut y avoir des composants réellement montés sur des sections du circuit flexible, auquel cas la couverture agit également comme un masque d'arrêt de soudure. Le matériau de couverture le plus courant est un film supplémentaire de polyimide avec adhésif, bien que des processus sans adhésif soient disponibles. Dans le processus sans adhésif, un masque de soudure photo-imageable (le même que celui utilisé sur les sections de cartes rigides) est utilisé, imprimant essentiellement la couverture sur le circuit flexible. Pour des conceptions plus grossières et moins chères, l'impression par sérigraphie est également une option avec un durcissement final par exposition aux UV.

Figure 6 : Un exemple de circuit flexible avec couverture - remarquez que les ouvertures dans la couverture sont généralement plus petites que les pastilles des composants.

Il est important de noter que le coverlay est généralement placé uniquement sur les parties du circuit flexible qui doivent finalement être exposées. Pour les cartes rigide-flex, cela signifie que le coverlay n'est pas placé là où se trouveront les sections rigides, à part un petit chevauchement - généralement d'environ ½ mm. Le coverlay peut être inclus dans toute la section rigide, bien que cela affecte négativement l'adhésion et la stabilité en axe z de la carte rigide. Ce type de coverlay sélectif est appelé « coverlay bikini » par les fabricants de cartes qui utilisent ce processus, car il couvre juste l'essentiel. De plus, les découpes pour les pads de composants ou de connexions dans le coverlay laissent au moins deux côtés du pad pour s'ancrer dessous. Nous reviendrons sur cela dans le prochain blog.

8. Découpe de la carte flexible

La dernière étape de la création du circuit flexible est sa découpe. Cela est souvent désigné par le terme « ébarbage ». La méthode économique pour l'ébarbage en grande série utilise une presse hydraulique avec un jeu de poinçons et de matrices, ce qui implique des coûts d'outillage relativement élevés. Cependant, cette méthode permet de découper plusieurs circuits flexibles en même temps. Pour les prototypes et les petites séries, un couteau d'ébarbage est utilisé. Le couteau d'ébarbage est essentiellement une lame de rasoir très longue, pliée selon le contour du circuit flexible et fixée dans une fente usinée dans un support (MDF, contreplaqué ou plastique épais tel que le téflon). Les circuits flexibles sont ensuite pressés contre le couteau d'ébarbage pour être découpés. Pour des prototypes encore plus petits, des coupeurs X/Y (similaires à ceux utilisés dans la fabrication d'enseignes en vinyle) pourraient éventuellement être utilisés.

Lamination et Usinage

Si le circuit flexible doit faire partie d'un empilement combiné rigide/flexible (ce qui nous intéresse), le processus ne s'arrête pas là. Nous avons maintenant un circuit flexible qui doit être laminé entre les sections rigides. Cela est identique à une paire de couches centrales individuelles percées, plaquées et gravées, seulement beaucoup plus mince et plus flexible en raison de l'absence de fibre de verre. Comme mentionné précédemment, cependant, une couche moins flexible pourrait être réalisée avec du PI et du verre en fonction de l'application cible. Étant donné que cela est laminé avec des sections rigides, cela doit finalement être encadré dans un panneau qui s'assemble avec les sections de panneau de carte rigide également.

Empilements Laminés

Le circuit flexible est laminé dans le panneau avec les sections rigides et toutes autres sections flexibles, avec un adhésif supplémentaire, de la chaleur et de la pression. Plusieurs sections flexibles ne sont pas laminées adjacentes les unes aux autres. Cela signifie généralement que chaque section flexible a un nombre maximal de couches de cuivre de 2, afin que la flexibilité soit maintenue. Ces sections flexibles sont séparées par des pré-imprégnés rigides et des noyaux ou des feuilles de liaison en PI avec des adhésifs époxy ou acryliques.

Essentiellement, chaque panneau rigide est séparément découpé dans les zones où le flex est autorisé à, eh bien, fléchir.

Voici un exemple de processus de laminage dans une carte rigide-flex, avec deux circuits flexibles à 2 couches intégrés entre trois sections rigides. La superposition des couches ressemblerait à celle illustrée dans les figures 3 et 4.

Figure 7 : Comment les panneaux flex gravés, plaqués, avec couverture et découpés sont combinés avec les panneaux rigides en verre-époxy.

Figure 8 : Superposition détaillée des couches montrant les trous métallisés pour chaque section flexible, ainsi que les trous traversants finaux dans la section rigide.

Dans l'exemple de superposition montré dans la Figure 8, nous avons deux circuits flex pré-gravés et découpés, chacun double face et traversé par métallisation. Le circuit flexible a été découpé en un panneau d'assemblage final incluant des bordures pour l'encadrement - cela maintiendra le circuit flexible plat pendant l'assemblage final après laminage avec les sections de panneaux rigides. Il existe certainement quelques risques potentiels liés au soutien inadéquat des coudes du circuit flexible et des grandes sections ouvertes pendant l'assemblage - surtout dans la chaleur d'un four de refusion. J'aborderai certaines de ces questions en examinant les aspects de conception dans mon prochain article de blog.

Le coverlay est également appliqué - comme des autocollants laminés avec un adhésif, ou par un processus d'impression photo comme mentionné précédemment. Une fois que les panneaux flexibles et rigides finaux de cet empilement à 6 couches sont assemblés, ils sont laminés avec les couches finales de feuille de cuivre les plus externes (haut et bas). Ensuite, un autre perçage pour les trous métallisés de haut en bas est effectué. Optionnellement, des vias aveugles percés au laser (du haut vers le premier flex, du bas vers le dernier flex) pourraient également être réalisés, ajoutant à nouveau des coûts au design.

Les étapes finales sont l'impression du masque de soudure stop haut et bas, des écrans de soie haut et bas et du placage de préservation (tel que ENIG) ou du nivellement à l'air chaud (HASL).

Plusieurs sous-ensembles Flex

Bien qu'il soit possible de construire à peu près n'importe quel empilement avec des sections rigides et flexibles, cela peut devenir ridiculement coûteux si vous ne faites pas attention à considérer les étapes de production et les propriétés des matériaux impliqués. Un aspect important des circuits flexibles à retenir est les contraintes au sein des matériaux se produisant lorsque le circuit se plie. Encore une fois, il est connu que le cuivre se durcit sous l'effet du travail et des fractures de fatigue se produiront éventuellement, avec des cycles de flexion répétés et des rayons serrés. Une manière d'atténuer cela est d'utiliser uniquement des circuits flexibles à une seule couche, dans ce cas le cuivre se trouve au centre du rayon de courbure médian et donc le substrat de film et le revêtement sont soumis à la plus grande compression et tension, comme illustré dans la Figure 9.

Comme le polyimide est très élastique, cela ne pose pas de problème et durera beaucoup plus longtemps sous des mouvements répétés que plusieurs couches de cuivre. Dans le même ordre d'idées, avoir plusieurs circuits flexibles séparés est souvent nécessaire, mais il est préférable d'éviter d'avoir des courbures aux sections superposées où la longueur des sections flexibles limite le rayon de courbure.

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Figure 9 : Pour les circuits à courbure hautement répétitive, il est préférable d'utiliser du cuivre RA dans le flex à une seule couche pour augmenter la durée de vie en fatigue (en cycles avant défaillance) du cuivre dans le circuit.

Perles Adhésives

Comme je l'ai mentionné la semaine dernière, il y a des moments où vous devez envisager d'utiliser des renforts là où le circuit flexible sort de la carte rigide. Ajouter une perle d'époxy, d'acrylique ou de thermofusible aidera à améliorer la longévité de l'assemblage. Mais la distribution de ces liquides et leur durcissement peuvent ajouter des étapes laborieuses au processus de production.

La distribution automatique de fluide peut être utilisée, mais vous devez être vraiment prudent pour collaborer avec les ingénieurs d'assemblage afin de vous assurer que vous ne finissez pas avec des gouttes de colle qui dégoulinent sous l'assemblage. Dans certains cas, la colle doit être appliquée à la main, ce qui ajoute du temps et des coûts. Dans tous les cas, vous devez fournir une documentation claire pour les personnes en charge de la fabrication et de l'assemblage.

Renforts & Terminaisons

Les extrémités extrêmes des circuits flexibles se terminent généralement par un connecteur si ce n'est pas à l'assemblage principal de la carte rigide. Dans ces cas, la terminaison peut avoir un renfort appliqué (plus de PolyImide épais avec adhésif) ou FR-4. Généralement, il est alors pratique de laisser les extrémités du flex intégrées dans les sections rigide-flex également.

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Le Panneau

Le circuit rigide-flexible reste assemblé dans son panneau pour le processus d'assemblage, permettant ainsi de placer et de souder les composants sur les terminaisons rigides. Certains produits nécessitent également que des composants soient montés sur le flexible dans certaines zones, auquel cas le panneau doit être assemblé avec des zones rigides supplémentaires pour soutenir le flexible pendant l'assemblage. Ces zones ne sont pas collées au flexible et sont découpées avec une fraise à profondeur contrôlée (avec des « morsures de souris ») et finalement éjectées à la main après l'assemblage.

Figure 10 : Exemple de panneau final rigide-flexible. Remarquez que celui-ci a des bords de carte avant et arrière, et un circuit flexible, découpés. Les côtés rigides sont rainurés en V pour être cassés plus tard. Cela permettra de gagner du temps lors du montage dans le boîtier.

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