Options d'expansion pour rigide

Sep 08, 2023

Ken Ghadia | 10 mars 2023

La construction d'électronique dans des facteurs de forme non conventionnels avec une densité d'emballage élevée est possible grâce à des conceptions de circuits tridimensionnels utilisant des cartes de circuits imprimés (PCB) flexibles et rigides-flexibles. Les applications avancées dans les dispositifs médicaux, les automobiles et les systèmes aérospatiaux dépendent en grande partie de la flexibilité et de la stabilité offertes par les circuits imprimés flexibles (FPC). Ces avantages les ont également rendus populaires dans l'industrie des vêtements et dans l'électronique miniaturisée. Les progrès rapides des matériaux de cartes et des technologies de fabrication ont permis une myriade de configurations dans les conceptions de circuits imprimés flexibles et rigides-flexibles.

En fonction de la capacité de pliage requise de votre produit, vous pouvez choisir des PCB flexibles ou rigides-flexibles pour votre conception. La complexité impliquée dans la prise en charge de plusieurs fonctionnalités exigera des couches de signal plus élevées dans l'empilement de PCB. Un ruban flexible transfère le signal entre les cartes et présente une pile similaire à la section rigide. En utilisant les derniers outils de conception et de mise en page, vous pouvez facilement créer l'empilement nécessaire pour votre produit. Il part d'une structure symétrique à couches uniformes jusqu'à une construction avancée de couches flexibles à entrefer. Nous allons discuter de certaines des configurations qui sont utilisées dans les conceptions électroniques actuelles.

Un circuit imprimé rigide-flex simple commence par deux couches rigides et une couche flexible. Cette configuration ne peut fournir que des fonctionnalités limitées et n'est guère utilisée dans les gadgets d'aujourd'hui. Une structure plus typique comprend quatre couches rigides avec deux couches flexibles. Le tableau 1 représente un empilement symétrique à couches égales qui peut prendre en charge des traces à impédance contrôlée.

Le FR4 est le matériau d'isolation rigide couramment utilisé pour les PCB. L'IPC 2221 fournit une liste de matériaux suggérés en fonction des classifications de produits. Les rubans sont en polyimide souple. Ils sont plus fins que les cartes qu'ils connectent. Mais leur empilement sera similaire aux couches internes du PCB rigide. Le revêtement dans la zone flexible a la même fonctionnalité que le masque de soudure de la section rigide. Un masque de soudure liquide photo-imageable (LPI) est largement utilisé dans la fabrication de circuits imprimés rigides-flexibles.

Quatre couches rigides avec deux couches flexibles

RIGIDE

FLÉCHIR

RIGIDE

Masque de soudure

Masque de soudure

Cuivre COUCHE 1

Cuivre COUCHE 1

Substrat FR4

Substrat FR4

Préimprégné

Couverture

Préimprégné

Adhésif de recouvrement

Cuivre COUCHE 2

Cuivre COUCHE 1

Cuivre COUCHE 2

Noyau Polyimide - Sans Adhésif

Noyau Polyimide - Sans Adhésif

Noyau Polyimide - Sans Adhésif

Cuivre COUCHE 3

Cuivre COUCHE 2

Cuivre COUCHE 3

Préimprégné

Adhésif de recouvrement

Préimprégné

Couverture

Substrat FR4

Substrat FR4

Cuivre COUCHE 4

Cuivre COUCHE 4

Masque de soudure

Masque de soudure

Tableau 1

Dans le tableau 1 ci-dessus, il y a quatre couches de signal dans la section rigide et deux couches de signal dans la section flexible. Il peut y avoir jusqu'à 20 couches rigides et environ six couches flexibles dans toute conception de PCB rigide-flex généralement utilisée.

On peut noter que les couches flexibles sont placées exactement au centre de l'empilement pour construire une conception symétrique. Ceci est préféré pour obtenir la stabilité mécanique du PCB. Bien que certaines applications nécessitent des structures asymétriques, un empilement équilibré peut minimiser les torsions ou les problèmes de déformation de la carte.

Les connecteurs à force d'insertion nulle (ZIF) sont souvent utilisés pour verrouiller les câbles plats délicats comme les câbles FPC. Pour éviter un circuit flexible séparé pour les connecteurs ZIF, vous pouvez directement étendre votre conception avec une construction de queue ZIF. Cela permet d'économiser une bonne quantité d'espace dans les zones de circuits imprimés rigides et améliore la connectivité du signal.

En considérant le même exemple d'un empilement symétrique à couches égales ayant quatre couches rigides avec deux couches flexibles, vous pouvez modifier la section droite de l'empilement pour intégrer une construction de queue ZIF comme indiqué dans le tableau 2 ci-dessous.

Quatre couches rigides avec deux couches flexibles et contacts ZIF

RIGIDE

FLÉCHIR

Construction de queue ZIF

Masque de soudure

Cuivre COUCHE 1

Raidisseur Polyimide

Substrat FR4

Adhésif

Préimprégné

Couverture

Couverture

Adhésif de recouvrement

Adhésif de recouvrement

Cuivre COUCHE 2

Cuivre COUCHE 1

Cuivre COUCHE 1

Noyau Polyimide - Sans Adhésif

Noyau en polyimide - Sans adhésif

Noyau Polyimide - Sans Adhésif

Cuivre COUCHE 3

Cuivre COUCHE 2

Cuivre COUCHE 2

Préimprégné

Adhésif de recouvrement

Couverture

Substrat FR4

Cuivre COUCHE 4

Masque de soudure

Tableau 2

Les spécifications des connecteurs ZIF définissent une tolérance dimensionnelle stricte pour le placement précis des doigts de contact. Un maximum de quatre couches flexibles peut être logé dans cette configuration. Mais une ou deux couches flexibles sont couramment utilisées dans la conception. Un raidisseur en polyimide d'une épaisseur d'environ 0,05 mm à 0,20 mm est inclus pour répondre aux exigences d'épaisseur ZIF.

Les PCB rigides-flexibles peuvent être conçus avec différentes méthodes de blindage pour protéger des produits tels que les téléphones portables, les appareils IRM et les systèmes radar contre les rayonnements EMI externes. Une telle configuration avec une couche de film de protection est illustrée dans le tableau 3 ci-dessous. Là encore, la configuration à quatre couches rigides avec deux couches flexibles est considérée ici. La couche de film de protection est laminée sur la surface externe du revêtement sous chaleur et pression. Cette méthode est moins chère et plus populaire que les techniques de blindage à couche de cuivre ou à encre d'argent.

Quatre couches rigides avec couches flexibles blindées

RIGIDE

FLÉCHIR

RIGIDE

Masque de soudure

Masque de soudure

Cuivre COUCHE 1

Cuivre COUCHE 1

Substrat FR4

Couche de bouclier

Substrat FR4

Préimprégné

Couverture

Préimprégné

Adhésif de recouvrement

Cuivre COUCHE 2

Cuivre COUCHE 1

Cuivre COUCHE 2

Noyau Polyimide - Sans Adhésif

Noyau Polyimide - Sans Adhésif

Noyau Polyimide - Sans Adhésif

Cuivre COUCHE 3

Cuivre COUCHE 2

Cuivre COUCHE 3

Préimprégné

Adhésif de recouvrement

Préimprégné

Couverture

Substrat FR4

Couche de bouclier

Substrat FR4

Cuivre COUCHE 4

Cuivre COUCHE 4

Masque de soudure

Masque de soudure

Tableau 3

Le nombre croissant de couches de signal a un impact sur la capacité de flexion des PCB rigides-flexibles. Mais pour conserver les avantages de la flexibilité et de la réduction des coûts, IPC recommande de configurer deux couches flexibles ou plus ensemble en un seul ensemble. Une telle configuration est connue sous le nom de construction à entrefer et élimine les adhésifs flexibles dans les zones rigides du PCB. Les ensembles flexibles se plient séparément avec cette configuration et minimisent les problèmes d'incohérence des trous traversants.

Le tableau 4 montre une configuration rigide-flexible avec la construction à entrefer. Il comprend un empilement avec six couches rigides et quatre couches flexibles. Chaque paire de couches flexibles est regroupée avec une couche de recouvrement des deux côtés. Un espace d'air est construit entre les deux paires de couches flexibles conformément aux directives IPC 2223. Le test de contrainte d'interconnexion d'IPC a établi avec succès une plus grande fiabilité d'un PCB rigide-flex avec la construction à entrefer en soumettant un échantillon de carte à un cycle de température rapide.

Bien que ce processus ajoute une couverture supplémentaire des deux côtés des paires flexibles, les avantages d'un rendement plus élevé et de performances fiables valent la peine d'être mis en œuvre.

Six couches rigides avec quatre couches flexibles ayant une construction à espace d'air

RIGIDE

FLÉCHIR

RIGIDE

Masque de soudure

Masque de soudure

Cuivre COUCHE 1

Cuivre COUCHE 1

Substrat FR4

Substrat FR4

Préimprégné

Couverture

Préimprégné

Adhésif de recouvrement

Cuivre COUCHE 2

Cuivre COUCHE 1

Cuivre COUCHE 2

Noyau Polyimide - Sans Adhésif

Noyau en polyimide - sans adhésif

Noyau Polyimide - Sans Adhésif

Cuivre COUCHE 3

Cuivre COUCHE 2

Cuivre COUCHE 3

Préimprégné

Adhésif de recouvrement

Préimprégné

Couverture

TROU D'AIR

Couverture

Adhésif de recouvrement

Cuivre COUCHE 4

Cuivre COUCHE 3

Cuivre COUCHE 4

Noyau Polyimide - Sans Adhésif

Noyau Polyimide - Sans Adhésif

Noyau Polyimide - Sans Adhésif

Cuivre COUCHE 5

Cuivre COUCHE 4

Cuivre COUCHE 5

Préimprégné

Adhésif de recouvrement

Préimprégné

Couverture

Substrat FR4

Substrat FR4

Cuivre COUCHE 6

Cuivre COUCHE 6

Masque de soudure

Masque de soudure

Tableau 4

Toutes les configurations discutées jusqu'à présent sont principalement des constructions en couches paires et symétriques. Mais il est également possible de construire une pile à couches impaires. Les applications nécessitant des configurations GND-SIGNAL-GND pour le blindage double face dans les zones flexibles peuvent de préférence adopter la stratégie des couches impaires. Cela réduit le coût de conception et améliore la capacité de flexion.

Au lieu de placer des couches flexibles au centre de l'empilement, elles peuvent être décalées au-dessus ou au-dessous pour une conception asymétrique. Une telle configuration peut être utilisée si une conception a des exigences d'épaisseur diélectrique variables. Mais la configuration déséquilibrée aura un impact sur la résistance mécanique de la carte, de sorte que la carte doit être correctement soutenue pendant le processus d'assemblage.

Les conceptions avec différentes épaisseurs de zone rigide ou différentes couches flexibles sont également viables. De nombreux fabricants de circuits imprimés proposent diverses configurations de circuits imprimés rigides-flexibles, tels que des panneaux de séparation, des placages de bord, des formats de reliure, etc.

Il existe plusieurs configurations de conception alternatives possibles dans les PCB rigides-flexibles. Vous pouvez implémenter plusieurs fonctionnalités avec une densité de circuit améliorée et un excellent conditionnement. Un fabricant expérimenté de circuits imprimés flexibles rigides peut suggérer une configuration réalisable et rentable pour vos exigences de conception.

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