PCB flexibles : Types, conception et applications

Les circuits imprimés flexibles se plient pour s'adapter aux espaces courbes et exigus. Composés de fines couches de cuivre sur un film flexible, ils permettent aux ingénieurs de concevoir des appareils plus compacts. On les retrouve notamment dans les appareils photo, les smartphones et les instruments médicaux. Leur pliage et leur courbure offrent de nouvelles possibilités d'agencement et permettent de transmettre des signaux avec une grande fiabilité.

Les circuits imprimés flexibles permettent de réduire l'espace et le poids des appareils. Les concepteurs peuvent créer des équipements fins et légers, tandis que les objets connectés gagnent en confort et en robustesse. Les fabricants peuvent réduire les étapes d'assemblage, gagnant ainsi du temps sur les chaînes de production. Les circuits imprimés flexibles résistent également aux mouvements et aux contraintes du quotidien. Une grande variété d'appareils, comme les voitures électriques, les drones et les maisons connectées, utilisent cette technologie. Cette croissance vous offre de nombreux nouveaux outils.

Poursuivez votre lecture pour découvrir les principaux types de circuits imprimés flexibles, leur structure, leurs avantages et leurs inconvénients. Nous les comparerons également aux circuits imprimés rigides, plus courants, et vous expliquerons pourquoi les circuits imprimés flexibles devraient vous intéresser. 

  

Qu'est-ce qu'un PCB flexible ?

Un circuit imprimé flexible (PCB) est une carte électronique fine construite sur un film pliable. Il contient des pistes de cuivre qui transportent l'énergie et les signaux. Le film de base peut se tordre ou s'enrouler autour des composants. Il peut également être façonné pour s'adapter aux espaces restreints ou incurvés. Cette liberté le rend idéal lorsqu'une carte plate ne suffit pas.

Les circuits imprimés rigides reposent sur un substrat dur et plat qui résiste à la flexion et conserve sa forme sous contrainte. Les circuits imprimés flexibles, quant à eux, se plient et fléchissent sous l'effet des mouvements ou des ajustements serrés. Ils peuvent être intégrés à des appareils compacts, économisant ainsi connecteurs et câbles. Ils réduisent également le poids et les étapes d'assemblage. Cette modification de conception ouvre la voie à de nombreuses nouvelles configurations.

Les cartes flexibles utilisent des films comme le polyimide ou le polyester comme substrats. Une feuille de cuivre adhère à ce film grâce à un adhésif spécial et un film de protection protège les pistes tout en préservant la flexibilité. Des raidisseurs peuvent être ajoutés pour maintenir les pièces, ainsi que des films de protection pour l'isolation et la résistance. Le nombre et l'épaisseur des couches varient selon l'utilisation afin d'équilibrer flexibilité et durabilité.

On trouve des circuits imprimés flexibles dans les appareils photo, les téléphones, les objets connectés et les capteurs. Ils s'intègrent également dans les scanners médicaux, les lunettes connectées et les drones. Les constructeurs automobiles les utilisent dans les tableaux de bord et les capteurs, tandis que les engins spatiaux et les satellites misent sur leur légèreté et leur flexibilité. Les circuits imprimés flexibles sont également essentiels aux robots mobiles.

Types de circuits imprimés flexibles

Il existe de nombreux types de circuits imprimés flexibles utilisés pour différents composants et appareils électriques. Voici un aperçu de certains d'entre eux.

PCB flexible simple face

Un circuit imprimé flexible simple face place des pistes de cuivre sur une face d'un film mince. Le film polyimide agit comme un vecteur de signal lorsqu'il se plie dans de petits espaces. Un revêtement protège les pistes et les marques qui servent de points de pliage. Ce type de configuration produit une carte mince à un coût abordable pour les circuits électroniques de base.

Les ingénieurs utilisent généralement des cartes flexibles simple face pour les rubans de capteurs et les bandes LED, ainsi que pour les liaisons de signaux de base. La carte subit un seul mouvement de flexion pendant la fabrication ou reste à plat. Une seule découpe des faisceaux et des câbles réduit l'espace requis et le poids du système. La couche de cuivre unique permet également aux fabricants de maintenir des coûts de production faibles tout en simplifiant les processus de fabrication pour les petites séries.

La conception Ne peut supporter un câblage complexe sans cavaliers supplémentaires. L'ensemble du tracé bénéficie d'une planification minutieuse, éliminant ainsi tout risque de croisement. Les connexions supplémentaires nécessitent des cavaliers ou des fils externes. L'ajout de raidisseurs augmente l'épaisseur de la carte, car ils servent de connecteurs ou d'éléments de montage.

PCB flexible double face

  

Un circuit imprimé flexible double face est recouvert de cuivre sur les deux faces de son film. Des trous traversants et des microvias relient les différentes couches de la carte. Les capacités de routage supplémentaires augmentent dans une même zone dimensionnelle. Chaque face du circuit imprimé flexible est dotée de couches de protection qui renforcent également les zones sujettes à la flexion. La carte conserve sa finesse même avec des niveaux de complexité et des densités de signal moyens.

Les circuits imprimés flexibles double face sont utilisés dans les lecteurs de codes-barres, les câbles d'appareil photo et les rétroéclairages LED. Cette couche supplémentaire améliore les performances en séparant l'alimentation des lignes de données. Les procédés de fabrication, qui incluent des opérations de perçage et de placage, entraînent des coûts de fabrication supérieurs à ceux d'une construction simple face. La flexibilité de placement des pièces et le routage des réseaux critiques offrent des avantages aux concepteurs.

Le routage des zones de pliage nécessite une planification minutieuse afin d'éviter la fissuration des vias. La fabrication exige de positionner les vias dans des zones évitant les sections courbes, tout en utilisant des ouvertures renforcées dans le revêtement. Les règles du fabricant déterminent les dimensions des tracés afin de garantir la fiabilité pendant les opérations de pliage. Ces règles permettent d'obtenir une densité élevée tout en préservant la fiabilité à long terme des systèmes portables et pliables.

PCB flexible multicouche

Le circuit imprimé flexible multicouche associe trois couches de cuivre ou plus à l'intérieur de films flexibles. Les couches de cuivre internes intègrent des plans d'alimentation et de masse qui réduisent le bruit. La connexion des couches s'effectue par des microvias borgnes ou enterrés afin de minimiser l'encombrement. Une couche de recouvrement recouvre l'empilement et protège toutes les couches de cuivre de l'usure due à la flexion.

Les circuits haute vitesse, ainsi que les modules RF et les connexions compactes pour caméras, bénéficient de ce type spécifique de circuit imprimé flexible. Un boîtier fin et flexible contient des couches pour l'alimentation et la mise à la terre lors de la transmission des signaux. Une meilleure intégrité du signal et un meilleur contrôle des interférences électromagnétiques sont obtenus grâce à des compromis de conception et à des coûts accrus. Le processus de fabrication nécessite un alignement précis, des pressions de laminage spécifiques et un traitement thermique contrôlé pour chaque couche adhésive.

La détermination précoce du nombre de couches s'avère essentielle, car les couches supplémentaires créent à la fois de l'épaisseur et des processus de gravure supplémentaires. Les réseaux critiques doivent être mappés sur les couches internes pour assurer la protection lors des mouvements. Le nombre de couches dans l'empilement détermine les limites du rayon de courbure, que les concepteurs doivent prendre en compte pour adapter leurs exigences de conception à ces contraintes. L'équilibre entre fiabilité et flexibilité peut être maintenu sur toute la carte.

PCB flexible

Tout circuit électronique utilisant un film de substrat flexible est qualifié de circuit imprimé flexible. Une conception de circuit imprimé flexible comprend des configurations monocouches de base ainsi que des constructions multicouches complexes. Le choix des matériaux et de l'épaisseur du cuivre dépend du nombre de flexions prévues. Les circuits imprimés flexibles statiques subissent une flexion unique, tandis que les circuits imprimés flexibles dynamiques doivent gérer des mouvements de flexion continus.

Les cartes flexibles statiques servent spécifiquement à soutenir les assemblages d'appareils photo et de téléphones. Ce processus nécessite de les plier puis de les maintenir en place. Les articulations mobiles et les écrans pliables nécessitent des cartes flexibles dynamiques pour fonctionner à l'intérieur. Des conceptions spéciales doivent être mises en œuvre pour la réduction des contraintes du cuivre et les lignes de pliage neutres. Votre carte résistera à des milliers de cycles de pliage sans subir le moindre dommage.

Le choix d'un circuit imprimé flexible vous permet de trouver un équilibre entre exigences de mouvement et coûts de production. Le coût des pliages à usage unique reste inférieur à celui des fabrications dynamiques tout au long de la conception et de la production. Le choix du film, du style de recouvrement et de la forme de piste appropriés dépend de votre profil de mouvement et de vos exigences budgétaires. Vous collaborez avec votre fabricant pour faire ces choix.

Flex avec raidisseur(s)

Les pastilles rigides fixées aux circuits imprimés flexibles servent de raidisseurs pour soutenir les pièces et connecteurs lourds. Les matériaux utilisés sont le FR4, le polyimide et des feuilles métalliques fines. Des collages permettent de fixer les raidisseurs aux endroits nécessitant un montage à plat ou une résistance accrue. La combinaison de zones flexibles et rigides dans la conception du film permet de fixer les connecteurs sans endommager le matériau du film.

Le processus de conception exige que les concepteurs installent des raidisseurs sous les bords de la carte, ainsi que sous les plots de connexion et les points de test. La carte est découpée en conservant de petites ouvertures pour garantir la possibilité de flexion à proximité. Les couches adhésives assurent une fixation solide des raidisseurs tout en empêchant l'accumulation de délaminage ou de bosses. Les transitions entre les raidisseurs sont recouvertes d'un revêtement pour obtenir une flexion fluide.

L'introduction de raidisseurs affecte l'épaisseur de la carte à certains endroits. Il est donc nécessaire de vérifier l'accessibilité des outils d'assemblage. Il est nécessaire de modifier les pochoirs de pâte à braser et les paramètres de l'équipement de placement. Ce processus de configuration supplémentaire garantit le bon alignement des pièces et la résistance des soudures malgré les mouvements du film flexible environnant.

PCB rigide-flex

Un circuit imprimé rigide-flexible combine des sections rigides et flexibles en une seule pièce. Le processus de fabrication consiste à placer des films flexibles entre les couches rigides avant de les assembler. Cette conception hybride élimine le besoin de câbles, car les îlots rigides utilisent des ponts flexibles pour se connecter les uns aux autres. La carte conserve sa résistance dans certaines zones, mais développe sa flexibilité dans d'autres sections.

Les circuits imprimés flexo-rigides sont utilisés dans l'aérospatiale, les implants médicaux et les équipements militaires. Ces cartes fonctionnent efficacement dans des environnements exigeants qui requièrent différents niveaux de rigidité. La carte contient des parties rigides qui supportent des composants lourds et des sections flexibles qui créent des structures de type câble ou des capacités de pliage. La fabrication nécessite un collage précis des couches, un laminage contrôlé et un alignement précis des zones de cuivre.

Le processus de conception d'un système flexo-rigide commence par l'établissement des ajustements mécaniques et la détermination des profils de pliage dès le départ. Votre conception détermine les zones planes et les zones à plier. Votre outil de CAO doit prendre en charge la conception des empilements rigides et flexibles. Une planification minutieuse permet d'obtenir un assemblage unique qui réduit le poids et l'encombrement et simplifie les étapes d'assemblage.

Structure des PCB flexibles

La construction d'une carte flexible ressemble à une fine structure sandwich aux propriétés flexibles. Le composant principal de ce système est un substrat flexible. Des films servent de base à la fixation de feuilles de cuivre pour créer les circuits nécessaires.

Les couches adhésives servent de liants pour maintenir les composants du circuit en place lors des opérations de pliage. Les pistes de cuivre sont protégées de l'usure et de l'humidité grâce à l'application d'une couche de recouvrement.

   

Dans quelle mesure pouvez-vous plier un PCB ?

Le rayon de courbure détermine la courbure maximale des panneaux flexibles. La mesure standard de la flexibilité en flexion correspond à dix fois l'épaisseur du panneau. Un rayon de 1 mm est la condition minimale pour plier un panneau de 0.1 mm d'épaisseur sans l'endommager. Un seul pli est efficace avec cinq fois l'épaisseur, mais cela peut entraîner des fractures.

Le choix des matériaux influence la flexibilité. Le polyimide conserve ses propriétés de résistance à la chaleur et supporte de nombreux cycles de flexibilité. Le polyester est particulièrement adapté à la conception de courbures statiques. L'épaisseur du cuivre est également importante. La résistance à la flexion d'un cuivre fin augmente tandis que la contrainte requise diminue.

Rôle du raidisseur dans la conception de circuits imprimés flexibles

Les raidisseurs servent à maintenir la planéité et la stabilité des pastilles des composants. Ils se positionnent sous les connecteurs, les circuits intégrés et les points de test. Les soudures ont tendance à se fissurer en l'absence de raidisseurs lors de la flexion. Il est recommandé d'utiliser un adhésif résistant à la chaleur pour fixer les raidisseurs. Le composant reste ainsi fixé en position, tandis que la carte est bloquée.

Les raidisseurs les plus fréquemment utilisés sont le FR4, le polyimide et l'aluminium. Le FR4 offre une base rigide et économique. Les raidisseurs en polyimide offrent la flexibilité du substrat. L'aluminium est un matériau robuste pour les connecteurs nécessitant un support structurel supplémentaire. Les raidisseurs doivent être façonnés avant le pliage, tout en préservant les bords apparents pour le processus. Le placement des raidisseurs s'effectue soit sous les composants, soit sur les bords de la carte, afin de guider les processus d'assemblage.

L'ajout de raidisseurs affecte l'épaisseur de certaines zones de la carte. Avant l'assemblage, il est nécessaire de tenir compte des exigences de hauteur et des tolérances d'assemblage. Les contraintes environnementales sont protégées par l'application de ruban adhésif ou de revêtement sur les bords des raidisseurs. Le placement des bords des raidisseurs sous le ruban adhésif ou le revêtement garantit la qualité du routage et protège le film du décollement aux jonctions raidisseur-section flexible.

Conseils de conception pour les circuits imprimés flexibles

Planifiez la largeur et l'espacement des pistes dès le début de la configuration. Des pistes plus larges transportent plus de courant, mais augmentent la rigidité. Des pistes plus étroites permettent une courbure plus serrée, mais limitent le courant. Utilisez un espacement constant pour éviter les courts-circuits sous flexion. Maintenez les valeurs minimales dans les limites des capacités de votre fabricant.

Cartographiez les zones de courbure et éloignez les filets sensibles. Placez les lignes de courbure là où la carte se courbera légèrement. Évitez de placer des vias sur les zones de pliage. Ajoutez des motifs en relief, comme des os de chien, aux extrémités des pistes. Cela répartit les contraintes et prévient les fissures lors de la flexion de la carte.

Placez les composants hors des zones de courbure lorsque cela est possible. Utilisez des composants montés en surface à profil bas. Si vous devez placer des composants dans une zone de courbure, utilisez des connecteurs flexibles ou des embases à force d'insertion nulle. Routez des réseaux haute vitesse ou haute précision sur des sections stables pour réduire la distorsion du signal due aux mouvements de flexion.

Choisissez des outils de CAO capables de gérer l'empilement flexible et la simulation de pliage. De nombreux outils pour circuits imprimés vous permettent de tracer des lignes de pliage neutres et de visualiser les contraintes du cuivre. Définissez la composition des couches avec le substrat, l'adhésif, le cuivre et le revêtement. Exportez les données de pliage vers la CAO mécanique pour la conception du boîtier. Ce flux de travail vous permet de détecter rapidement les problèmes d'ajustement ou de collision.

À propos de PCBaSic

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Avantages des PCB flexibles

Les circuits imprimés flexibles présentent de nombreux avantages qui permettent de concevoir des configurations compactes avec peu de composants. Voici les principaux avantages.

•  Il permet de gagner de la place en repliant la planche dans des endroits exigus.

•  Ils réduisent le poids de votre appareil en utilisant des films minces.

•  Vous supprimez les câbles et connecteurs supplémentaires de votre conception.

•  Ils réduisent les étapes d’assemblage et accélèrent la production.

•  Ils durent plus longtemps dans les pièces mobiles avec des planches qui se plient.

•  Vous réduisez les frais d’expédition avec un produit final plus léger.

Inconvénients des circuits imprimés flexibles

Bien que les circuits imprimés flexibles présentent de nombreux avantages, ils présentent également quelques inconvénients. En voici quelques-uns.

•  Vous pourriez payer plus en frais de matériel et de traitement spécial.

•  Ils nécessitent une manipulation soigneuse et des dispositifs d’assemblage personnalisés.

•  Ils limitent la charge que vous exercez sur les zones de courbure.

•  Vous devez ajouter des raidisseurs pour les connecteurs ou pièces lourds.

•  Ils nécessitent des tests et des inspections pour détecter rapidement les dommages liés à la flexion.

PCB flexible vs PCB rigide-flexible

Les méthodes de fabrication des circuits imprimés flexibles et flex-rigides diffèrent, bien qu'ils répondent aux mêmes exigences fonctionnelles. Le tableau suivant illustre les principales différences entre les circuits imprimés flexibles et flex-rigides.

Fonctionnalité	PCB flexible	PCB Rigid-Flex
Structure	Film pliable simple avec traces de cuivre	Un mélange de panneaux rigides et de couches flexibles dans une seule planche
Zones de courbure	Toutes les sections se plient (statiquement ou dynamiquement)	Seules les sections flexibles se plient et les parties rigides restent plates
Montage des composants	Les pièces reposent sur un film flexible ou utilisent des raidisseurs	Les pièces se montent sur des îlots rigides ; des liens flexibles relient les îlots
Étapes d'assemblage	Nécessite des connecteurs ou des soudures	Moins de connecteurs externes mais plus d'étapes de liaison des couches
Prix	Coût faible à moyen	Coût plus élevé en raison de la complexité de la construction et des matériaux
Cas d'usage	Appareils portables, caméras, capteurs fins	Aérospatiale, implants médicaux, équipement militaire
Durée de vie flexible	Idéal pour les virages simples et les faibles nombres de cycles	Convient aux cycles répétés et offre des sections stables et rigides

Services de fabrication de prototypes de circuits imprimés flexibles de PCBasic

Le service rapide de fabrication de prototypes de circuits imprimés flexibles de PCBasic prend en charge tous les niveaux de complexité. Vous pouvez envoyer vos fichiers Gerber et vos spécifications d'empilage via notre plateforme en ligne. La revue de conception par nos ingénieurs vous fournit des conseils sur le rayon de courbure, la largeur des pistes et les dimensions du passage du revêtement. La communication entre vous et le fabricant s'effectue par e-mail et chat en temps réel.

PCBasic utilise des découpeuses laser de précision pour usiner votre prototype avant d'ajouter une feuille de cuivre aux films polyimides par traçage. Nous respectons vos exigences pour le collage des matériaux de recouvrement et des raidisseurs. Notre atelier d'assemblage réalise les opérations de brasage des pièces tout en réalisant des tests fonctionnels par cycles flexibles. Le rapport comprend des photos, des journaux de tests et une documentation complète.

Conclusion

La technologie des circuits imprimés flexibles permet de concevoir des produits innovants grâce à une utilisation minimale de l'espace, une réduction du poids et des procédures d'assemblage simplifiées. La sélection comprend des cartes simple face, multicouches et flexo-rigides, selon les exigences de votre projet. La fiabilité en mouvement est assurée par une planification rigoureuse des matériaux, des pistes et des contraintes de pliage.

L'expertise et la rapidité de création et de production de prototypes offertes par des fabricants comme PCBasic à leurs clients. L'utilisation du type de carte flexible approprié vous permet de développer des dispositifs dynamiques et compacts de manière efficace et fiable.