Directives de conception de circuits flexibles réussies
Avec l'utilisation de capteurs et de technologies dans tous les domaines, des téléphones portables aux réfrigérateurs en passant par les automobiles et les dispositifs médicaux portables, les cartes de circuits imprimés sont un composant de nombreux types de produits différents. Dans le monde de l'électronique d'aujourd'hui, tout produit doté d'un interrupteur marche/arrêt contient une carte de circuit imprimé. En raison de leur polyvalence, l'utilisation de circuits flexibles est l'un des segments de marché de produits à la croissance la plus rapide.
Avec l'introduction des circuits flexibles et rigides-flexibles, les ingénieurs ont eu la possibilité d'être plus créatifs dans la conception de produits nouveaux et innovants. Les panneaux flexibles et rigides-flexibles sont conçus pour s'intégrer dans des espaces tridimensionnels étroits tout en garantissant une résistance à l'usure mécanique et aux vibrations. Les ingénieurs peuvent concevoir des produits qui nécessitent que les cartes s'intègrent dans des espaces restreints, se tordent et se tournent pour l'emballage et font vivre le produit dans un environnement plus dynamique. Ces circuits flexibles ont les mêmes niveaux de performances que les cartes FR4 rigides traditionnelles, mais ils ont leurs propres nuances et considérations en matière de conception, de fabrication et d'assemblage.
Conception/Mise en page
Lors de la conception d'un circuit flexible, il est important de connaître l'application spécifique de la carte. Sera-t-il utilisé dans un environnement statique ou dynamique ? Si la carte doit résider dans un environnement statique, avec peu ou pas de mouvement, la conception du circuit doit avoir la flexibilité appropriée afin qu'elle puisse être facilement installée dans le produit. Alternativement, si la planche doit exister dans un environnement dynamique, où la planche fléchira continuellement d'avant en arrière, un niveau de flexibilité qui peut supporter un mouvement continu doit être pris en compte dans la conception.
L'application nécessitera-t-elle un panneau flexible ou un panneau rigide-flexible ? Si le produit nécessite une technologie de montage en surface unilatérale, une carte entièrement flexible est la meilleure option. Si le produit nécessite une technologie de montage en surface à deux faces, une carte rigide-flexible est nécessaire.
Qu'il s'agisse d'un ingénieur en matériel, d'un ingénieur en mécanique ou d'un concepteur de carte de mise en page expérimenté, tout le monde est un peu inquiet lors de la première mise en place d'un circuit flexible. Leur hypothèse est que l'approche de conception d'un circuit flexible est très différente de celle d'une carte rigide. Mais le fait est que la disposition d'un circuit flexible est très similaire à une carte rigide avec seulement quelques différences. Vous configurez toutes vos couches dans le logiciel comme un tableau rigide. Les fichiers de sortie sont tous les mêmes. Les seules vraies différences sont la couche de couverture, la couche de renfort et certaines règles de conception de base à garder à l'esprit. Comprendre qu'un circuit flexible sera de nature flexible signifie que vous devez vous assurer de garder les caractéristiques clés telles que les vias, les pistes de terminaison et les angles vifs à l'écart des régions de flexion. Le circuit flexible est fabriqué en matériau polyimide, il est donc plus difficile à traiter, alors gardez vos traces, vias, bagues annulaires, coussinets et espacements aussi grands que possible. On me demande souvent quelle est la taille d'une trace ou d'un via qui peut être utilisé. Vous pouvez aller aussi petit que vous le souhaitez mais ce sera plus difficile à fabriquer et la fiabilité entre en jeu. Vous pouvez vous en sortir avec beaucoup plus de fonctionnalités sur une carte rigide que sur un circuit flexible. Généralement sur une carte rigide, un masque de soudure est appliqué sur les couches externes pour protéger les éléments en cuivre. Sur une carte flexible, les caractéristiques extérieures en cuivre sont généralement protégées par une couche de couverture. Dans le fichier de conception, le concepteur de la mise en page doit créer cette couche de couverture de la même manière qu'une couche de masque de soudure. La dernière différence avec une conception flexible est le raidisseur. Les raidisseurs sont utilisés pour ajouter un support à certaines régions d'une carte de circuit imprimé flexible. Les raidisseurs peuvent se trouver dans plusieurs régions d'un circuit flexible et ils peuvent se trouver de chaque côté de la carte. Dans le fichier de conception, si tous les raidisseurs sont représentés dans un seul fichier, ils doivent être identifiés dans le dessin de fabrication de quel côté de la planche ils doivent être appliqués. Sinon, une couche séparée doit être créée pour les raidisseurs supérieur et inférieur du circuit flexible.
Lorsqu'un support supplémentaire pour une zone spécifique de la carte de circuit imprimé flexible est requis ou qu'une protection est nécessaire pour les composants ou les connecteurs attachés, la meilleure option consiste à inclure un raidisseur dans la conception. Cela empêchera le circuit de bouger et protégera l'intégrité des joints de soudure. Il est important de se rappeler qu'il est préférable de placer le raidisseur du côté opposé au composant qu'il supporte. Il existe de nombreux types de raidisseurs parmi lesquels choisir; polyimide, FR4, acier inoxydable, aluminium ou bien d'autres options. L'épaisseur du raidisseur dépend de la façon dont la planche sera utilisée. Plus le raidisseur est épais, plus il offre de soutien. Si la planche est utilisée dans des espaces restreints/exigus, l'épaisseur du raidisseur peut être un problème qui nécessite un raidisseur plus fin. VOIR L'IMAGE DU RENFORT.
Maintenant que le concepteur a réalisé son premier circuit flex, il lui revient de tracer son premier rigid-flex. Le niveau de confusion et d'appréhension vient de quintupler. Les ingénieurs pensent souvent que la partie flexible de la planche est collée ou attachée d'une manière ou d'une autre à la section rigide de la planche. VOIR PHOTO RIGID-FLEX. Rigid-flex est construit comme toutes les planches rigides et flexibles avec la méthode des couches empilées sur les couches. Lorsqu'il s'agit de concevoir un système rigide-flexible, l'approche est la même que pour les autres circuits imprimés. La principale différence est que certaines régions des couches rigides seront vides dans le fichier de conception. Le fabricant de cartes reconnaîtra cela comme une région flexible et planifiera la carte en conséquence.
Contrairement à une carte rigide, le circuit flexible a beaucoup de variations, il est donc très important d'avoir un dessin de fabrication détaillé pour accompagner la conception. Le dessin de fabrication doit mentionner tous les détails afin qu'ils ne soient pas négligés par le fabricant. Le pire est que le fabricant assume ce dont vous avez besoin. Les circuits flexibles ont de nombreuses variables mobiles, les détails sont donc très importants.
Matières
Le circuit flexible est généralement construit avec un matériau polyimide. La plupart des fabricants aux États-Unis utilisent du polyimide fabriqué par Dupont. Les fabricants en dehors des États-Unis peuvent utiliser d'autres fournisseurs de matériaux en raison du coût et de la disponibilité. Cependant, comme le circuit flexible est unique, il est judicieux d'utiliser le même matériau dans le prototype qui sera éventuellement utilisé dans la production en série. Pendant les tests, vous essayez de voir combien de cycles le circuit flexible peut supporter. Vous trouverez ci-dessous une règle générale sur un rayon de courbure de circuit flexible. Pièce A.
La règle du rayon de courbure n'est qu'une ligne directrice générale. Le moyen absolu de déterminer à quel point un circuit flexible peut se plier ou combien de cycles il supportera est de le tester sous contrainte.
Quelques facteurs affecteront le degré de flexion d'un circuit flexible. Le choix des matériaux est très important. Bien que l'épaisseur de la carte détermine la flexibilité, le matériau contribuera à la qualité et au cycle de vie du circuit flexible. Le type de cuivre utilisé sur un circuit flexible est très critique. Il existe deux types de cuivre disponibles sur le marché, le cuivre ED (cuivre déposé) et le cuivre recuit au rouleau. Si possible, le cuivre ED doit être évité car il s'agit d'un procédé plaqué et le cuivre sera très cassant. Le cuivre recuit au rouleau est préféré. Le cuivre est enroulé sur le matériau flexible, il est donc très malléable. Cela dit, il est également important d'indiquer le sens du grain sur votre dessin de fabrication. Vous voulez que le grain aille dans la même direction que votre direction de courbure. Les zones en cuivre massif telles que les plans de masse doivent être hachurées lorsque cela est possible. Cela aidera à rendre le circuit flexible plus flexible.
Fabrication
Maintenant que la conception est terminée, construisons la carte flexible le plus rapidement possible. Comme tous les projets d'ingénierie, cette carte flexible est en retard, nous en avons donc besoin d'ici demain. Après tout, les cartes rigides peuvent être construites en un ou deux jours, alors pourquoi pas des circuits flexibles. Arrêter! Pas si vite, mon ami.
Lorsque la fabrication d'un circuit flexible nécessite un délai de livraison plus long. Les cartes flexibles sont plus difficiles à fabriquer que les cartes de circuits imprimés rigides traditionnelles, ce qui nécessite plus de temps de fabrication. Circuits flexibles construits avec un matériau polyimide. Le matériau est fin, fragile et difficile à manipuler. Le perçage des vias est différent. La chimie pour plaquer les vias est différente. Il peut y avoir beaucoup de travail manuel impliqué avec le(s) raidisseur(s) et le revêtement. Toutes ces différences empêchent la plupart des fabricants de construire des circuits flexibles plus rapidement que trois jours ouvrables. Ici, nous parlons simplement de circuits flexibles à 2 couches. Si le circuit flexible a un nombre de couches plus élevé, le temps de rotation peut aller jusqu'à deux à trois semaines pour la fabrication.
Passons maintenant à la fabrication de circuits rigides-flexibles. Le circuit rigide-flex est vraiment un animal entièrement différent. La planification et la mise en place initiales d'un Rigid-flex peuvent facilement prendre 2 à 3 jours avant que la planche puisse réellement être livrée à l'atelier de fabrication. Ce travail d'ingénierie initial est très critique car le rigid-flex prend de nombreuses étapes différentes et chaque étape est essentielle à la réussite de la fabrication du rigid-flex. L'une des choses les plus importantes à noter est que le rigid-flex se décline en plusieurs empilements différents. Il est rare de voir plusieurs travaux rigides-flexibles sur un atelier de fabrication avec un empilement similaire. Avec une planche rigide, toutes les planches à 6 couches sont traitées de la même manière. Avec le rigid-flex, vous pouvez avoir 5 travaux avec 6 couches sur le plancher de fabrication et ils peuvent tous être traités différemment.
Exemple-
Planche n ° 1 -– planche à 6 couches - avoir 4 couches rigides avec 2 couches flexibles.
La planche n° 2 – planche à 6 couches – a 3 couches rigides avec 3 couches flexibles.
Planche n ° 3 - planche à 6 couches - 4 couches rigides avec 2 couches flexibles mais les 2 couches flexibles sont sur des couches différentes.
L'autre difficulté de la fabrication de circuits rigides-flexibles est la combinaison de travailler avec deux types de matériaux différents. Rigid-flex combine un matériau rigide avec un matériau de circuit flexible. Ils ont deux propriétés différentes, il est donc difficile de travailler avec. C'est la raison pour laquelle vous ne voyez pas trop de fabricants de circuits imprimés construire des circuits rigides et flexibles dans la même installation. Chaque fabricant de circuits imprimés s'en tient à ce qu'il construit le mieux, respectivement. La défaillance la plus courante avec un circuit rigide-flexible est attribuée au processus de placage. Si le placage des vias n'est pas fait correctement, cela entraînera des vides, des fissures et un délaminage. Les deux matériaux différents ont un taux d'expansion différent sur l'axe Z, de sorte qu'un placage incorrect exposera facilement la mauvaise qualité.
En raison de la complexité d'un circuit flexible, du coût des matériaux, du temps de traitement, de la chimie, du perçage et de la manipulation, le coût de fabrication d'une carte flexible est supérieur à celui d'une carte de circuit imprimé rigide traditionnelle. Les acheteurs sont parfois choqués par le prix différent entre les circuits rigides et flexibles. Espérons qu'ils comprennent maintenant pourquoi il existe une différence de prix et pourquoi les circuits flexibles ne peuvent pas être construits aussi rapidement que les circuits imprimés rigides traditionnels.
À mesure que les produits électroniques deviennent plus petits, les circuits flexibles deviendront plus populaires et plus courants dans l'industrie électronique. Bien que le coût soit plus élevé, il existe de nombreuses applications utiles pour les circuits flexibles. Les circuits flexibles peuvent être repliés et confinés dans un espace restreint. Les circuits flexibles peuvent aller et venir dans un environnement dynamique. L'industrie électronique n'a plus besoin d'être aussi rigide. Le circuit flexible peut aider les concepteurs à développer leur imagination et à développer des produits électroniques plus cool et plus avancés.
Article de Tuan Tran, directeur chez hitechcircuits
