Maîtriser la conception de circuits imprimés rigides-flex : Compétences d'expert pour des cartes rapides et de haute qualité

Une conception de circuit imprimé rigide-flex est, de loin, considérée comme un PCB complexe à concevoir car elle nécessite une maîtrise des compétences techniques pour en faire un. En effet, elle se distingue d'une conception de circuit ordinaire par sa sophistication. Indéniablement, les caractéristiques d'un PCB rigide-flex ont conduit à son adoption dans plus d'avancées technologiques modernes.

Par conséquent, connaître et maîtriser le processus de conception est essentiel pour concevoir des PCB de qualité. Dans cet article, nous allons apprendre le processus de conception accompagné d'un guide. De plus, nous citerons des problèmes spécifiques qui peuvent survenir et les mesures de précaution à prendre quand cela arrive.

(illustration colorée d'un PCB rigide-flex)

1. Qu'est-ce qu'un PCB rigide-flex ?

Comme son nom l'indique, un circuit imprimé rigide-flex (RFP) est une carte hybride qui utilise une intégration de technologies de cartes flexibles et rigides dans une application électronique. Presque tous les PCB rigide-flex conçoivent un composant flexible en polyimide sur un raidisseur Flame Retardant type 4 (FR4) fixe.

Vous découvrirez que certaines parties de la carte sont flexibles tandis que d'autres sont rigides lors de l'examen. De plus, vous pouvez facilement plier ou replier les circuits et maintenir les formes des zones qui nécessitent plus de support.

（L'arrière-plan high-tech du PCB rigide-flex）

2. Conception du type d'empilement de couches rigide-flex

Le fabricant conçoit le PCB comme un empilement multicouche pour définir la disposition verticale de chaque couche, également connu sous le nom de plan Z. L'empilement de couches a une fabrication d'une seule unité dans n'importe quelle carte.

2.1 La meilleure stratégie d'empilement de couches

Une stratégie d'empilement de couches parfaite devrait vous permettre d'organiser les pistes et les plans de masse pour bloquer les EMI. De plus, elle devrait s'adapter à la conception rigide-flex et aux températures de la conception.

Un empilement multicouche est souhaitable. C'est pour les raisons suivantes :

• Il peut alterner entre les plans de signal et de masse.
• Chacune de ses couches a un diélectrique ou un préimprégné entre elles.
• Il prend en compte les problèmes thermiques.
• Il accueille les appareils avec des éléments analogiques et numériques. Cependant, les appareils doivent utiliser des couches de masse séparées dans l'empilement. L'essence de la séparation est d'éviter le couplage de bruit et de prévenir les EMI.

2.2 Caractéristiques d'une seule couche

• A une ou deux couches de recouvrement externes en polyimide.
• Il a des trous accessibles sur un ou les deux côtés.
• Les trous de composants n'ont pas de placage.
• Vous pouvez utiliser des composants, raidisseurs, broches et connecteurs sur un type de couche unique.
• Hautement recommandable dans les applications traitant le flex statique et dynamique.

2.3 Caractéristiques de double couche

• Les concepteurs placent les trous pour permettre la connexion entre les deux couches.
• Vous pouvez utiliser des composants, raidisseurs, broches et connecteurs même s'il peut y avoir une absence de raidisseurs.
• Il y a la présence de deux couches conductrices avec un isolant intercalé entre les couches. Les concepteurs peuvent recouvrir la couche externe ou laisser les pastilles ouvertes.
• Les pastilles non couvertes ou trous d'accès sont des deux côtés - les vias peuvent avoir des recouvrements des deux côtés.
• Applicable pour les applications de flex stationnaire et actif.

2.4 Caractéristiques multicouches

• Premièrement, les PCB multicouches ont trois ou plus de couches conductrices flexibles. Les concepteurs placent ensuite un composant isolant flexible entre chaque couche. Enfin, ils peuvent choisir de recouvrir la couche externe ou d'exposer les pastilles.
• Le via peut être recouvert ou exposé également.
• Les trous de contact ou les pastilles libres sont sur l'un ou les deux côtés du PCB.
• Divers matériaux sont utilisables, par exemple, composants, raidisseurs, broches et connecteurs.
• Souvent trouvé dans les applications de flex statique.

(gros plan sur un PCB multicouche)

3. Gamme d'applications des PCB rigide-flex

Les RFP ont une large gamme d'applications en électronique et parfois dans les systèmes de contrôle. Selon le produit sur lequel il est utilisé, vous trouverez son application dans :

• appareils électroménagers
• industrie automobile
• industrie aérospatiale
• Systèmes de tour de contrôle
• Systèmes de surveillance CCTV
• systèmes d'automatisation industrielle
• panneaux de contrôle

(un exemple d'application de PCB rigide-flex sur une carte mère)

4. Directives pour la conception rigide-flex.

Sans les directives appropriées dans l'assemblage/conception de votre RFP, le produit final peut être sujet à des défis. Par conséquent, suivre les instructions stipulées à la lettre peut vous économiser beaucoup.

Voici quelques directives standard que vous pouvez suivre lors de la conception de votre PCB.

• Premièrement, préparez le type de matériau (adhésif, conducteur, etc.), la méthode de fabrication (si la pression et la chaleur sont requises) et le nombre de couches.
• Deuxièmement, assurez-vous de placer les pistes en cuivre à un angle de 90° des courbures rigides et flexibles.
• Ensuite, considérez les facteurs électrochimiques affectant à la fois le circuit flexible et la carte rigide. À ce sujet, vous devrez vous concentrer sur le rapport du rayon de courbure à l'épaisseur. Comme règle, le rayon de courbure devrait être un minimum de dix fois l'épaisseur du matériau flexible.
• De plus, vous devriez laisser une distance de 0,5 mm entre l'anneau de cuivre et les vias adjacents. Une connexion proche peut causer de la fatigue qui survient souvent après des courbures fréquentes. Encore, les vias devraient être dans des zones immobiles sur la carte, c.-à-d., où ils bougent rarement.
• Enfin, vérifiez les conditions de fonctionnement du produit. Pour le dire autrement, vérifiez les conditions ambiantes, par exemple, changement de température, refroidissement, humidité, choc, non-inflammabilité et vibrations.

5. Quel matériau choisir pour la conception de PCB rigide-flex ?

Substrats et films de recouvrement (Coverlay)

Le type préférable est la fibre de verre tissée intercalée dans de la résine époxy. La fibre de verre a un certain degré d'élasticité. D'autre part, l'époxy durci rend la carte apparente rigide. L'utilisation d'époxy nécessite un état où il y a moins de mouvement.

Polyimide est un substitut à l'époxy en raison de sa flexibilité améliorée. De plus, vous ne pouvez pas facilement déchirer ce matériau ou l'étirer à la main. Finalement, il est hautement résistant à la chaleur, maintenant ainsi la stabilité pendant les fluctuations de température.

Polyester (PET) est souvent couramment applicable pendant la conception. Un inconvénient avec ce matériau est le fait qu'il ne peut pas survivre longtemps dans des températures extrêmes. Ainsi, vous trouverez son application dans les produits électroniques à faible coût.

Polytétrafluoroéthylène (PTFE) peut agir à la place d'un PET. Vous l'utiliserez principalement dans les produits à haute fréquence avec une constante diélectrique faible.

Coverlay agit comme un isolant et protège la surface externe des dommages et de la détérioration indésirables.

(gros plan sur une résine époxy)

Conducteurs

Les choix varient du film de carbone et de l'encre à base d'argent, mais le plus préférable est le cuivre. Le choix du cuivre ira très certainement avec son application. Par exemple, un feuille de cuivre laminé (Électro-Déposé) est approprié dans les parties de circuits flexibles simples ou les cuivres lourds conviennent pour maintenir les conducteurs à fort courant.

Un autre conducteur sur le marché est le feuilles Recuites Laminées (RA). Il a un coût plus élevé que le cuivre standard, mais la qualité en étirement et ressort est superbe.

Adhésifs

Les adhésifs sont pour la flexibilité. Leur fonction est de coller la feuille de cuivre au polyimide ou autres films puisque la chaleur et la pression seules ne peuvent pas former une connexion fiable. Les matériaux utilisés incluent des adhésifs à base d'acrylique ou d'époxy avec des épaisseurs d'environ 0,5 à 1 mil.

Vous pouvez aussi utiliser des silicones et des colles à chaud dans les interfaces flex et rigides.

(utilisation de silicone)

6. Logiciels pour la conception de PCB rigide-flex

Vous pouvez utiliser les logiciels dans les conceptions de PCB pour animer et définir distinctement vos PCB. Voici deux façons connues pour démarrer le processus :

Outils intégrés ECAD/MCAD

ECAD/MCAD permet une collaboration bidirectionnelle entre les domaines électriques et mécaniques. Les outils valident visuellement les conceptions avec une 3D photoréaliste pour réduire les itérations. Ils simplifient le processus de conception en vérifiant les éléments suivants.

Altium Designer

Le PCB d'Altium Designer est un paramètre de conception en couches qui prend en charge environ 32 couches de signal et 16 couches de plan. Incontestablement, l'Avanced Altium Designer est le seul logiciel de conception de PCB avec la capacité de vous donner les outils nécessaires pour l'assemblage de PCB rigide-flex sur une seule plateforme.

Alternativement, Altium Designer comprend un puissant moteur de rendu 3D qui présente une représentation 3D réaliste de la carte de circuit. Le moteur prend en charge les circuits rigide-flex et peut examiner la carte dans un état plat.

7. Précautions pour la conception de PCB rigide-flex

Le non-respect des directives peut entraîner des conséquences désastreuses. De plus, cela peut mener au gaspillage de matériaux, de temps et d'argent si vous manquez une étape dans la procédure.

Il y a quelques précautions générales que vous devrez garder à l'esprit avant le processus de conception, et elles incluent :

• Évitez de plier aux coins. Si vous le faites, assurez-vous que les coins sont courbés, pas pointus.
• Vous ne devriez pas placer de composants ou de vias près de la ligne de courbure. Les lignes de courbure affectent le routage en causant du stress matériel.
• Utilisez des polygones hachurés pour maintenir la flexibilité lors du transport d'un plan d'alimentation ou de masse sur le circuit flexible.
• Changez progressivement la largeur des pistes. Les changements brusques dans les largeurs de pistes peuvent mener à un point faible.
• Gardez les couches flex à un minimum de deux pour une flexibilité maximale et un faible coût.
• Utilisez un circuit imprimé avec l'épaisseur la plus faible et des types de matériaux réduits. Un RFP épais affecte la miniaturisation des produits d'assemblage et par conséquent incommode le processus de fabrication.
• L'arrangement des fils montre les exigences de résistance au pliage pour améliorer la résistance aux chocs.

8. Problèmes fréquemment rencontrés dans la conception de PCB rigide-flex.

• Rayon et position de courbure du PCB flexible

Quand la carte se plie sur une longue période, certaines parties du circuit flexible auront un stress supplémentaire plus que leurs homologues. Un rayon moins arrondi contribue aussi au stress physique.

• Il peut y avoir des problèmes impliquant les exigences mécaniques pour les PCB rigides-flexibles. Cela concerne l'épaisseur de la carte de circuit (les cartes épaisses sont inefficaces), la forme de courbure, la fréquence de courbure, et le rapport du diamètre de perçage à l'épaisseur de la carte.
• Si vous ne placez pas correctement l'espace entre une pastille et une piste de cuivre, il peut y avoir des courts-circuits. Donc, la distance devrait pouvoir loger le masque.
• Les pistes empilées trouvées sur un endroit similaire du côté opposé des diélectriques subissent du stress en raison de leur position, ce qui cause tragiquement leur fracture. Il semble s'agir d'un fragment de phrase. Envisagez de le réécrire comme une phrase complète.
• Les concepteurs peuvent causer des dommages aux pistes sous-jacentes dans les cas où ils appliquent une quantité excessive de film de recouvrement sur le PCB.

Résumé :

En somme, prendre des mesures de précaution présente un pourcentage plus élevé d'efficacité dans la conception de PCB. Une telle action est louable car elle économise sur les coûts, prolonge la durée de vie de la carte, et dans l'ensemble, maintient la qualité du plan.

Nous espérons que vous avez acquis quelques connaissances de base sur le rigide-flex grâce à cet article. En cas de demandes, préoccupations ou commentaires, veuillez nous contacter. En effet, nous serons plus que ravis de vous avoir à bord dans notre session d'apprentissage progressif.