Introduction aux Flex PCB : principes de base et avantages pour un PCBA fiable

Réponse directe

Les Flex PCB sont des cartes de circuits imprimés construites sur des films diélectriques flexibles, généralement en polyimide, qui peuvent se plier, se plier et fléchir pour s'adapter à des espaces tridimensionnels là où les cartes rigides ne le peuvent pas. Ils résolvent de réels problèmes d'emballage et de fiabilité en réduisant le nombre de connecteurs, en éliminant les joints de soudure et en survivant aux mouvements répétés, mais uniquement lorsque l'empilement, le type de cuivre et le rayon de courbure sont adaptés à l'application réelle. Un flex PCB n’est pas simplement une fine planche rigide ; c'est une discipline d'ingénierie distincte.

Qu'est-ce qui différencie une planche flexible PCB d'une planche rigide

La différence fondamentale entre un PCB flexible et un PCB rigide est le système de matériaux de base. Les planches rigides utilisent FR-4, un stratifié époxy renforcé de verre qui est rigide et cassant. Les cartes flexibles utilisent un film diélectrique fin et flexible, le plus souvent du polyimide (PI), qui peut être plié à plusieurs reprises sans se fissurer. Le cuivre utilisé dans les circuits flexibles est également différent : il s'agit généralement de cuivre recuit laminé (RA) plutôt que de cuivre électrodéposé (ED). Le cuivre RA a une structure de grain plus ductile, ce qui lui permet de résister à des flexions répétées sans se fracturer.

L'empilement d'un flex PCB est également plus fin et plus soigneusement contrôlé. Un empilement flexible simple face typique pourrait être :

Le système adhésif compte autant que le film. Les adhésifs acryliques sont courants et peu coûteux, mais ils ont une absorption d'humidité plus élevée et une stabilité thermique inférieure à celle des systèmes sans écoulement ou entièrement en polyimide. Pour les applications de flexion dynamique, où le circuit se plie pendant le fonctionnement, l'adhésif ne doit pas fluer ni se décoller. Pour les applications à haute température ou à haute fiabilité, une construction entièrement en polyimide sans adhésif est souvent spécifiée, même si elle coûte plus cher.

Le processus de fabrication des planches flexibles diffère également. Les circuits flexibles sont souvent traités dans des panneaux avec des raidisseurs ajoutés ultérieurement, et les étapes de gravure et de stratification nécessitent un contrôle minutieux de la tension pour éviter toute distorsion dimensionnelle. Si vous êtes nouveau dans le domaine du processus, le Processus de fabrication Flex PCB : un aperçu pour les débutants explique comment l'ensemble de matériaux détermine chaque étape, de l'imagerie à la coupe finale.

Statique ou Flex dynamique : la décision de conception qui détermine tout

La question la plus importante dans la conception flex PCB est de savoir si l'application est statique ou dynamique. Un circuit flexible statique est plié une fois lors de l'installation, puis reste dans cette forme pendant toute la durée de vie du produit. Un circuit flexible dynamique est plié, fléchi ou tordu à plusieurs reprises pendant le fonctionnement, par exemple dans un chariot d'imprimante, une charnière de téléphone pliable ou une articulation robotique.

Cette distinction modifie la sélection du matériau, le poids du cuivre et le rayon de courbure minimum. Pour les applications statiques, le cuivre ED est souvent acceptable car le circuit n'est pas soumis à des contraintes répétées. Pour les applications dynamiques, le cuivre RA est fortement recommandé car sa structure de grains est allongée et alignée, lui permettant de résister à des millions de cycles de flexion sans se fissurer. Le rayon de courbure change également : un circuit flexible dynamique a besoin d'un rayon de courbure plus grand par rapport à son épaisseur pour maintenir la déformation dans la limite élastique du cuivre.

En règle générale, le rayon de courbure minimum pour un flex dynamique doit être au moins 10 fois supérieur à l'épaisseur totale de l'empilement flexible. Pour la flexion statique, le rayon de courbure minimum peut être aussi faible que 3 à 6 fois l'épaisseur, selon le système de matériau. Ces chiffres ne sont pas arbitraires ; ils proviennent des limites de déformation du cuivre et de la colle. Le dépassement de la spécification du rayon de courbure est le moyen le plus rapide de provoquer des traces de fissures et des circuits ouverts sur le terrain.

L'axe de courbure neutre est un autre concept critique. Lorsqu'un circuit flexible se plie, le matériau à l'intérieur du pli est comprimé et le matériau à l'extérieur est étiré. L'axe neutre est le plan où la déformation est nulle. Dans un câble flexible monocouche, l'axe neutre se trouve à peu près au centre du cuivre. Dans un flex multicouche, l'axe neutre se déplace en fonction de la symétrie de l'empilement. Les concepteurs doivent placer les traces de cuivre aussi près que possible de l'axe neutre, et pour une flexion multicouche, l'empilement doit être équilibré pour maintenir l'axe neutre centré.

Sélection des matériaux : cuivre, adhésif et revêtement

Le choix du type et du poids du cuivre est une décision de fiabilité, pas seulement électrique. Pour une flexion dynamique, utilisez du cuivre RA d'un poids de 0,5 oz (17,5 µm) ou 1 oz (35 µm). Le cuivre plus lourd, comme 2 onces ou plus, est plus rigide et se fissurera plus tôt sous des flexions répétées. Si vous avez besoin d'une capacité de courant plus élevée dans une flexion dynamique, envisagez d'élargir la trace au lieu d'augmenter le poids du cuivre. Cela maintient la couche flexible fine et le rayon de courbure petit.

Le coverlay (le masque de soudure flexible) est également un facteur de fiabilité. Contrairement aux cartes rigides qui utilisent un masque de soudure liquide photoimageable, les cartes flexibles utilisent généralement un film de recouvrement en polyimide qui est laminé sur le cuivre avec un adhésif. Le revêtement protège les traces de l'humidité, de la contamination et des dommages mécaniques. Cependant, le revêtement ajoute de l'épaisseur, ce qui augmente le rayon de courbure minimum. Dans certaines conceptions, les concepteurs utilisent une couche de recouvrement liquide ou un « masque flexible » pour maintenir la finesse de l'empilement, mais ce matériau est moins durable et ne doit être utilisé que dans des applications statiques.

Pour les circuits flexibles à courant élevé, la sélection du matériau change à nouveau. Si un circuit flexible doit supporter des dizaines d'ampères, le poids du cuivre doit augmenter et le rayon de courbure doit être ajusté en conséquence. Dans ces cas, la conception flexible passe souvent à une construction rigide-flexible ou hybride où les traces à courant élevé se trouvent sur une section rigide. L'article Heavy Copper & Power PCBs : Exploring the World couvre les considérations thermiques et de placage qui s'appliquent lorsque les circuits flexibles transportent un courant important.

Règles de conception qui empêchent les défaillances de flexibilité

Les échecs Flex PCB sont rarement causés par un seul événement dramatique. Ils sont presque toujours le résultat de contraintes cumulatives, d’une mauvaise conception de transition ou d’une décharge de traction inadéquate. Les erreurs de conception les plus courantes sont : La fiabilité

• Placer les traces à des angles vifs. Un coin à 90 degrés dans une trace de cuivre crée un point de concentration de contraintes. Utilisez des traces courbes avec un rayon minimum de 1,5 fois la largeur de la trace ou utilisez des arcs à grand rayon au lieu de coins.
• Ignorer la transition du flex au rigide. Dans une planche rigide-flexible, la zone de transition où la couche flexible sort de la section rigide est une zone à forte contrainte. Ajoutez des larmes à la transition pad-trace et échelonnez les transitions entre les calques pour répartir la contrainte.
• Placer les composants dans les zones de courbure. Les composants rigides tels que les connecteurs, les BGA et les pièces traversantes créent des augmentations de contraintes locales lorsque la flexion se plie. Gardez tous les composants à au moins 2 à 3 mm de la zone de courbure et utilisez des barres anti-traction ou des perles adhésives pour ancrer le câble près du composant.
• Utilisation de trous traversants plaqués dans la zone de courbure. Les vias dans la zone de flexion sont un point de défaillance courant car le placage est fragile et se fissure sous la flexion. Si vous devez acheminer un signal à travers le câble, utilisez une conception de « relieur » ou de « charnière vivante » qui achemine les traces autour du virage plutôt qu'à travers celui-ci.
• Oublier le contrôle d'impédance. Les matériaux flexibles ont des constantes diélectriques différentes de celles de FR-4, et l'empilement fin signifie que l'impédance est plus sensible à la largeur et à l'espacement des traces. Si votre câble transporte des signaux à grande vitesse, spécifiez une impédance contrôlée et travaillez avec le fabricant pour définir le stackup.

Pour les transitions entre pads, ajoutez toujours des larmes. Une larme est un élargissement progressif de la trace à mesure qu'elle s'approche du tampon, ce qui réduit la concentration de contraintes à la jonction. Sans larmes, la jonction entre la trace et le tampon est une encoche pointue qui se fissurera sous des flexions répétées.

Assemblage et inspection : là où les PCB flexibles nécessitent une attention particulière

L'assemblage Flex PCB n'est pas la même chose que l'assemblage de cartes rigides. La planche est fine, flexible et sujette à se déformer lors de la refusion. Le premier défi est la manipulation : les cartes flexibles doivent être supportées dans un support ou sur une palette pendant l'impression de la pâte à souder et le placement des composants. Si la carte n'est pas maintenue à plat, la pâte à souder tachera et les composants se déplaceront.

Le profil de redistribution doit également être ajusté. Les matériaux flexibles ont une masse thermique inférieure à FR-4, ils chauffent donc plus rapidement. Il peut être nécessaire de réduire légèrement la température maximale pour éviter que le polyimide ne jaunisse ou que l'adhésif ne dégaze. Le fabricant doit utiliser un profil validé pour l'empilement flexible spécifique, et non un profil de carte rigide générique.

L'inspection est l'endroit où les cartes flexibles nécessitent le plus d'attention. Après la refusion, AOI (inspection optique automatisée) est utilisé pour vérifier les joints de soudure, le placement des composants et la polarité. Cependant, AOI sur une planche flexible est plus difficile car la planche peut ne pas reposer parfaitement à plat sur la scène d'inspection. Le système AOI doit être programmé avec la tolérance de déformation du panneau flexible, ou le panneau doit être maintenu à plat avec un dispositif à vide.

Pour les composants à pas fin et les BGA, l'inspection aux rayons X est essentielle. Les joints de soudure sous un BGA sont cachés et la flexibilité de la carte flexible peut faire basculer l'emballage pendant la refusion, conduisant à des joints tête dans l'oreiller ou ouverts. L'inspection aux rayons X peut vérifier que les billes de soudure se sont effondrées uniformément et qu'il n'y a pas de vides ni de ponts. Pour les cartes flexibles avec connecteurs, les rayons X sont également utiles pour vérifier que les broches du connecteur sont bien en place et soudées.

Les critères d'inspection des panneaux flexibles sont définis par IPC-6013, qui couvre la qualification et les performances des PCB flexibles et rigides. Cette norme est distincte de IPC-6012, qui couvre les panneaux rigides. Lorsque vous passez une commande, spécifiez la classe IPC (Classe 2 ou Classe 3) et toutes les exigences de test supplémentaires dans votre RFQ. Le fabricant doit fournir une microsection d'un coupon pour vérifier l'épaisseur du placage, l'alignement des couches et l'intégrité du cuivre.

Test des cartes flexibles : montages et fausses pannes

Tester une planche flexible est un défi différent de celui d'une planche rigide. La flexibilité de la carte signifie qu'elle peut bouger pendant le test, provoquant des contacts intermittents ou de fausses pannes. Le dispositif de test doit soutenir la carte flexible pour empêcher tout mouvement, mais le support ne doit pas interférer avec les points de test.

Pour le test en circuit (ICT), utilisez des broches pogo avec une faible force de ressort. Les broches Pogo standard avec une force de ressort élevée peuvent endommager les patins sur une planche flexible mince, surtout si le patin n'est pas soutenu par un support rigide. Une plaque de support sous la carte flexible, avec des trous pour les broches de test, est la solution standard. La plaque de support empêche également la planche de fléchir lorsque les broches s'enfoncent.

Pour le test fonctionnel, la planche flexible doit être maintenue dans sa forme prévue. Si la carte est conçue pour être pliée à un angle de 90 degrés dans le produit final, le dispositif de test doit la maintenir à cet angle. Tester la carte à plat lorsqu'elle est conçue pour être pliée peut provoquer de fausses défaillances car les traces sont dans un état de contrainte différent. Le programme de test doit également tenir compte de tout changement d'impédance provoqué par la géométrie de flexion.

Les tests par sonde volante sont une alternative à ICT pour les cartes flexibles, en particulier pour les prototypes ou la production en faible volume. Les systèmes de sondes volantes utilisent des sondes mobiles au lieu d'un support sur lit de clous, ce qui élimine le besoin d'un support personnalisé. Cependant, les tests avec sonde volante sont plus lents que ICT et peuvent ne pas convenir à une production en grand volume. L'article Démystifier les tests de la sonde volante PCB : le quoi, le pourquoi et le comment explique plus en détail les compromis entre la sonde volante et ICT.

> Practical note: When you send a flex board for testing, include a drawing that shows the intended bend shape and the test point locations. This prevents the test engineer from guessing the board's geometry and building a fixture that stresses the board incorrectly.

Que faut-il inclure dans un Flex PCB RFQ

Un flex PCB RFQ a besoin de plus d'informations qu'un tableau rigide RFQ. Le fabricant ne peut pas prendre de bonnes décisions concernant les matériaux et les processus sans savoir comment le panneau sera utilisé. Au minimum, votre RFQ doit inclure :

• Nombre de couches et empilement. Spécifiez le nombre de couches, l'épaisseur du film de base, le poids du cuivre et le type de couverture. Si vous avez un cumul préféré, fournissez-le. Dans le cas contraire, demandez au fabricant de vous en proposer un en fonction de votre application.
• Application statique ou dynamique. Il s'agit de l'information la plus importante. Il détermine le type de cuivre (RA ou ED), le rayon de courbure et le système de matériaux.
• Rayon de courbure et angle de courbure minimum. Indiquez le rayon de courbure et indiquez si le courbure est unique ou répété. Si la planche est pliée, précisez la ligne de pliage et l'angle.
• Plage de températures de fonctionnement. Les matériaux flexibles ont des limites thermiques différentes. Le polyimide est conçu pour un fonctionnement continu à 150 °C ou plus, mais l'adhésif peut limiter la température maximale. Spécifiez votre plage de température afin que le fabricant puisse sélectionner le bon système adhésif.
• Nombre de cycles flexibles. Si l'application est dynamique, spécifiez le nombre attendu de cycles flexibles. Cela détermine si du cuivre RA est nécessaire et si une construction entièrement en polyimide plus coûteuse est nécessaire.
• Exigences de test. Spécifiez si vous avez besoin de ICT, d'un test fonctionnel, d'une sonde volante ou d'une combinaison. Incluez les points de test et la forme de courbure prévue pour le montage de test.
• Dessin de fabrication avec notes. Incluez un dessin qui montre le contour de la carte, les zones de pliage, les restrictions de placement des composants et toutes les approbations de matériaux. Le dessin doit également indiquer la classe IPC (Classe 2 ou Classe 3) et tout critère d'acceptation spécifique.

Si vous travaillez avec un fabricant comme Omini, l'étape RFQ est le moment de discuter en détail de votre application. Un bon fabricant posera des questions sur le nombre de cycles de flexion dynamique, le rayon de courbure et les conditions environnementales avant de proposer un devis. Si le fabricant ne pose pas ces questions, c’est un signal d’alarme.

Erreurs courantes et quand impliquer le fabricant

Les erreurs de flexion PCB les plus courantes sont commises avant que la planche n'atteigne l'usine. Les concepteurs qui traitent un panneau flexible comme un panneau mince et rigide produiront une conception qui échouera sur le terrain. Les principales erreurs sont :

• Ne pas spécifier l'application comme dynamique ou statique. Cela conduit à un mauvais type de cuivre et à un mauvais rayon de courbure.
• Utilisation du cuivre ED pour une flexion dynamique. Le cuivre ED se fissurera après quelques milliers de cycles, même avec un rayon de courbure généreux.
• Placer les vias dans la zone de courbure. Le cuivre plaqué dans le corps du via est fragile et risque de se fissurer.
• Pas d'ajout de décharge de traction au niveau des connecteurs. La connexion entre le câble et un connecteur est un point de concentration de contraintes. Sans serre-câble, les traces se déchireront au niveau du connecteur.
• Ignorer l'épaisseur du revêtement dans le calcul du rayon de courbure. L'épaisseur totale de l'empilement inclut le revêtement, et le rayon de courbure doit être calculé à partir de l'épaisseur totale, pas seulement du film de base et du cuivre.

Impliquez le fabricant dès le début, idéalement pendant la phase de revue de la conception. Un fabricant ayant une expérience en flexibilité peut examiner votre empilement, votre rayon de courbure et votre sélection de matériaux avant de vous engager dans une configuration. Ceci est particulièrement important pour les planches rigides-flexibles, où la conception de la zone de transition est essentielle. L'article Cartes de circuits flexibles : introduction et applications fournit un aperçu plus large des endroits où les circuits flexibles sont utilisés et de l'importance des contraintes de conception.

Si votre carte flexible comprend également des contacts de bord à brancher sur un connecteur, les exigences de placage et de biseautage sont différentes de celles d'un câble standard. L'article Gold Finger PCBs : Types, Benefits, and Applications couvre les considérations relatives au placage des bords et à l'épaisseur de l'or qui s'appliquent aux circuits flexibles avec connecteurs de bord de carte.

L'essentiel pour une flexibilité fiable PCBA

Les Flex PCBs sont une solution éprouvée aux problèmes d'emballage et de fiabilité, mais ils nécessitent un état d'esprit de conception et de fabrication différent de celui des cartes rigides. La fiabilité d'un circuit flexible est déterminée par le choix du matériau, le rayon de courbure et la conception des zones de transition, et non par la seule épaisseur du cuivre. Une flexion dynamique nécessite du cuivre RA, un rayon de courbure généreux et un serre-câble soigné. Une flexion statique peut utiliser du cuivre ED et un rayon de courbure plus serré, mais la conception doit toujours éviter les angles vifs et les vias dans la zone de courbure.

Les contrôles de qualité importants sont la microsection pour la qualité de fabrication, AOI pour l'inspection des joints de soudure, les rayons X pour les joints cachés et ICT ou test fonctionnel avec des montages qui tiennent compte de la flexibilité de la carte. IPC-6013 définit les critères d'acceptation pour les cartes flexibles, mais votre RFQ doit spécifier les exigences de classe et de test. Lorsque vous travaillez avec un partenaire de fabrication comme Omini, fournissez dès le départ les détails de l'application, le rayon de courbure et les exigences de test. Le fabricant peut alors sélectionner les bons matériaux et contrôler les processus pour fournir une carte flexible qui survit au terrain.