Qu'est-ce qu'un circuit imprimé flexible ? Un guide complet

Introduction

Les circuits imprimés flexibles (PCB), communément appelés circuits flexibles, offrent des capacités uniques qui dépassent les technologies traditionnelles des PCB rigides. Leur construction flexible leur permet de se plier, de se replier et de s'adapter dynamiquement à l'utilisation, ce qui les rend essentiels dans les appareils et produits électroniques modernes en raison de la miniaturisation et de l'innovation croissantes dans le domaine de l'électronique.

Comprendre les principes fondamentaux de la technologie des circuits imprimés flexibles vous aidera à déterminer l'utilisation efficace des circuits flexibles dans vos produits et conceptions électroniques. Vous pouvez vous adresser à PCBPit - le spécialiste de confiance des circuits imprimés flexibles. Entreprise de fabrication de circuits imprimés pour les solutions de circuits imprimés flexibles.

 

Qu'est-ce qu'un circuit imprimé flexible ?

circuit imprimé flexible

Un circuit imprimé flexible utilise une couche de base diélectrique constituée d'un matériau polymère flexible tel que le polyimide ou le polyester. Des pistes conductrices en cuivre sont laminées sur la couche de base flexible pour créer un circuit imprimé mince et pliable. L'absence de renfort rigide en fibre de verre permet au circuit imprimé flexible de se plier et de se contorsionner de manière dynamique pendant l'utilisation.

Noms communs utilisés pour désigner les PCB flexibles :

  • Circuits flexibles
  • Circuits flexibles
  • Circuits imprimés flexibles
  • Impressions flexibles

Les circuits imprimés flexibles se distinguent par leur flexibilité, leur légèreté, leur comportement dynamique, leur durabilité, leur intégration avec les composants, leur faible encombrement et leur personnalisation. Ces capacités permettent aux circuits flexibles de répondre aux exigences physiques et électriques complexes des appareils électroniques compacts et portables.

 

Matériaux et construction des circuits imprimés souples

Les matériaux et la construction uniques des circuits imprimés flexibles leur confèrent des capacités distinctes. Les composants clés de la construction d'un circuit flexible sont les suivants :

Substrat souple diélectrique

La couche diélectrique de base constitue la fondation sur laquelle les traces conductrices sont fabriquées. Le choix du matériau approprié pour le substrat flexible est crucial.

Les options courantes comprennent le polyimide (Kapton), le polyester (PET), le polyamide, les fluoropolymères (PTFE) et les polymères à cristaux liquides (LCP). Le polyimide est le matériau de substrat flexible le plus utilisé en raison de sa grande durabilité, de ses propriétés thermiques et de son rapport coût-bénéfice.

Feuille de cuivre

Une feuille de cuivre recuit laminée ultrafine est laminée sur le substrat de base. L'épaisseur typique d'une feuille dans les circuits imprimés flexibles varie de 12μm à 35μm (0,5 oz à 1 oz).

Conducteurs

La feuille de cuivre est modelée à l'aide de procédés lithographiques pour produire les chemins ou traces conductrices nécessaires.

Couverture

Une fine couche diélectrique flexible peut être laminée sur la couche conductrice pour l'isolation et la protection.

Adhésif de collage

Des films adhésifs à base d'acrylique ou d'époxy sont utilisés pour lier le substrat de base à la feuille de cuivre et la couche de recouvrement aux conducteurs.

Raidisseurs

Des couches diélectriques supplémentaires de raidissement peuvent être ajoutées dans les constructions multicouches afin de minimiser le plissement ou le flambage du PCB sous l'effet des contraintes thermiques.

Finitions et revêtements

Un masque de soudure recouvre le motif du conducteur pour l'isoler et l'empêcher de s'oxyder. Le nivellement de la soudure à l'air chaud (HASL) ou d'autres finitions de surface peuvent être appliqués aux pads exposés.

Principales propriétés des circuits imprimés souples

Les matériaux et les méthodes de construction confèrent des propriétés caractéristiques aux circuits flexibles, notamment l'épaisseur totale, le rayon de courbure, la résistance à la chaleur, la résistance chimique et la légèreté. Ces propriétés font que les circuits imprimés flexibles sont bien adaptés à une large gamme d'applications électroniques.

Caractéristiques des circuits imprimés souples

  • Propriétés à haute fréquence - Des chemins de signaux courts et des matériaux diélectriques minces contribuent à d'excellentes performances à haute fréquence. Les substrats tels que le LCP offrent des propriétés RF supérieures, ce qui les rend adaptés aux applications à haute fréquence.
  • Notations actuelles - La capacité de transport de courant des circuits imprimés flexibles est limitée par l'épaisseur du cuivre, avec des courants nominaux continus typiques allant d'environ 0,5A à 5A pour les constructions de circuits flexibles courantes.
    En sélectionnant soigneusement les matériaux et en respectant les règles de conception, les propriétés des circuits imprimés flexibles peuvent être adaptées pour répondre aux exigences spécifiques de l'application.

Considérations relatives à la conception de circuits imprimés flexibles

La conception d'un circuit imprimé flexible fiable nécessite une attention particulière aux aspects dynamiques de la flexion. Les lignes directrices suivantes sont à prendre en considération :

  • Largeur et espacement des traces - Des traces plus étroites nécessitent un espacement plus important des flexions pour éviter les fissures. Un rapport de 2:1 entre l'espacement et la largeur de la trace est recommandé pour les régions dynamiques.
  • Rayon de courbure - Il est essentiel d'acheminer les traces perpendiculairement aux axes de courbure. Il est important de maintenir un rayon de courbure d'au moins 3 fois l'épaisseur de la base pour les régions statiques et de 10 fois pour les régions dynamiques.
  • Vides dans les couvertures - Pour éviter l'usure, les vides de la couche de couverture doivent être réduits au minimum dans les zones où les traces sont exposées. Un placement stratégique des vides doit être envisagé dans les zones de flexion dynamique.
  • Renforcement - Des raidisseurs supplémentaires peuvent être nécessaires dans les régions multicouches pour éviter le flambage et la formation de plis lors de la flexion.
  • Adhésifs - Utiliser des adhésifs flexibles de haute performance conçus pour des applications flexibles dynamiques. Les adhésifs acryliques sont connus pour leur durabilité.
  • Vias - Des vias en forme de goutte d'eau avec des anneaux annulaires adéquats doivent être utilisés pour empêcher la propagation des fissures à partir des bords du trou de forage.
  • Coins - L'arrondissement des angles vifs des tracés avec des rayons plus importants permet de réduire les concentrations de contraintes. Il est conseillé d'éviter les traces angulaires dans les angles.
  • Tampons - Mettre en œuvre des tampons ou des cercles en forme de rectangle arrondi. Les coussinets situés dans les zones de flexion doivent être soulagés thermiquement par des décollements.
  • Blindage - Des films de blindage flexibles ou des couches conductrices contribuent à la protection contre les interférences électromagnétiques et les décharges électrostatiques. Des pistes de blindage dédiées peuvent également être intégrées.

En adhérant à ces directives spécialisées, les circuits imprimés flexibles peuvent être conçus pour supporter des millions de cycles de flexion et avoir une longue durée de vie.

 

Types et applications courantes des circuits imprimés souples

Les circuits flexibles peuvent être utilisés dans diverses configurations pour des applications d'interconnexion et d'emballage :

  • Interconnexions flexibles - De simples traces ou fils conducteurs sont utilisés sur des substrats souples pour connecter des circuits imprimés, des écrans et d'autres modules sur des mouvements dynamiques.
  • Câbles souples - L'utilisation de conducteurs parallèles sur des substrats flexibles laminés permet de créer des câbles plats à haute densité pour les interconnexions de signaux, de données et d'alimentation.
  • Interrupteurs à membrane - Intégrer des pistes conductrices, des entretoises et des recouvrements flexibles pour produire des commutateurs de commande tactiles ultra-minces.
  • Panneaux rigides flexibles - Incorporer des cartes rigides avec des sections flexibles pour créer des circuits imprimés hybrides pliables et compacts avec des parties rigides complexes.
  • Réchauffeurs flexibles - Les éléments chauffants résistifs sont disposés sur des substrats flexibles pour créer des coussins et des couvertures chauffantes minces capables de s'adapter aux surfaces.

Parmi les applications courantes des circuits imprimés flexibles figurent les instruments médicaux, les dispositifs portables, la robotique et les machines industrielles, l'électronique grand public, l'électronique automobile, l'aérospatiale et les systèmes militaires. La flexibilité, la légèreté et les caractéristiques dynamiques des circuits flexibles offrent des possibilités de conception innovantes.

 

Avantages des circuits imprimés souples

La technologie des circuits imprimés flexibles offre plusieurs avantages clés :

  • Flexion dynamique - Peut supporter des millions de cycles de mouvement, permettant de rouler, de tordre et de plier, ce qui n'est pas possible avec les circuits imprimés rigides.
  • S'adapte à la forme de l'objet - Contrairement aux panneaux rigides, ils s'intègrent parfaitement aux contours et aux boîtiers des produits.
  • Léger - Il présente une masse extrêmement faible par rapport aux stratifiés rigides, ce qui le rend adapté aux appareils portables et à porter sur soi.
  • Facteur de forme mince - Permet la création de circuits compacts et à profil bas pour s'adapter aux petits espaces et faciliter la fabrication de produits plus minces.
  • Durable - Résistant aux vibrations et aux chocs mécaniques grâce à sa construction flexible.
  • Haute densité - Intègre les interconnexions, éliminant ainsi le besoin de câbles et de connecteurs externes.
  • Formes personnalisées - Peut être fabriqué dans un nombre illimité de formes et de contours en 2D.
  • Souple et flexible - Permet l'intégration de systèmes électroniques complets dans les tissus.
  • Fiabilité - Offre des performances constantes tout au long de la durée de vie du produit grâce à une conception appropriée.
  • Économies de coûts - Simplifie l'assemblage, réduit le besoin de connecteurs et diminue le coût total du produit.
 

Défis et limites

Bien qu'elle offre de nombreux avantages, la technologie des circuits imprimés flexibles présente également les limites suivantes :

  • Nombre limité de couches et densité - Elle permet généralement de réaliser de 1 à 6 couches, ce qui limite la complexité des circuits. Les circuits flexibles multicouches à haute densité sont encore en cours de développement.
  • Courants nominaux inférieurs - L'épaisseur du cuivre limite la capacité de transport de courant, généralement inférieure à 5A.
  • Une assemblée ambitieuse - Nécessite des procédés SMT spécialisés adaptés aux substrats flexibles.
  • Sujet à l'usure - Un mauvais espacement des flexions dynamiques peut entraîner des fissures et des défaillances du conducteur.
  • Exigences en matière de structure de soutien - Les circuits flexibles doivent être assemblés sur des cadres ou des boîtiers rigides pour une intégration complète du système.
  • Problèmes de gestion thermique - Le substrat polymère isolant entrave la dissipation de la chaleur.
  • Susceptibles d'être endommagés par l'environnement - Nécessite une protection supplémentaire pour atténuer les dommages causés à l'environnement.

Grâce à de bonnes pratiques de conception et aux progrès réalisés dans le domaine des matériaux, des efforts constants sont déployés pour remédier à ces limitations et étendre les capacités des circuits imprimés flexibles.

 

Comparaison des circuits imprimés souples et des circuits imprimés rigides

Si la technologie des circuits imprimés rigides convient à de nombreuses applications, dans certains cas, il est avantageux de passer à la mise en œuvre de circuits imprimés souples. Les paragraphes suivants présentent une comparaison entre les circuits imprimés souples et les circuits imprimés rigides :

Paramètre PCB flexible PCB rigide Composition Diélectrique polymère (PI, PET) Laminé rigide (FR4) Couches Typiquement 1-6 couches Jusqu'à 30+ couches Caractéristiques Traces fines, Petits vias Permet des caractéristiques ultrafines (<3 mil) Densité Densité moyenne Très haute densité possible Conductivité thermique Mauvaise conduction à travers le polymère Bonne conduction thermique Capacité de courant Typiquement < 5A Courants élevés possibles Assemblage Requiert un processus SMT spécialisé Assemblage SMT standard Forme Peut produire n'importe quel contour 2D Limité aux cartes rectangulaires Rayon de courbure Peut fléchir dynamiquement Presque aucun rayon de courbure Coût $$ $$ $$

Alors que les circuits imprimés rigides sont utilisés dans la plupart des applications à haute complexité, densité et puissance, les circuits imprimés flexibles offrent la flexibilité mécanique nécessaire aux conceptions mobiles à espace restreint. La solution optimale consiste souvent à intégrer les deux sur un circuit imprimé rigide-flexible afin de tirer le meilleur parti des deux technologies.

 

Tendances futures des circuits imprimés souples

Voici quelques tendances clés qui façonnent l'évolution continue de la technologie des circuits imprimés flexibles :

  • Constructions plus minces - Réduction de l'épaisseur des couches flexibles jusqu'à 1 mil pour améliorer la pliabilité.
  • Caractéristiques plus petites - Largeurs de trace plus étroites et espacement jusqu'à 2 mils pour augmenter l'intégration.
  • Matériaux améliorés - Nouveaux substrats tels que le LCP pour de meilleures performances électriques et à haute fréquence.
  • Pas fin Composants - Permettre le montage direct en surface de circuits intégrés à pas ultrafin sur des circuits imprimés flexibles.
  • Flex à haute densité - Développement de cartes multicouches flexibles comportant jusqu'à 12 couches conductrices.
  • Intégrer des passives - Incorporation de fines résistances et de condensateurs dans les couches souples.
  • Circuits extensibles - Adopter de nouveaux matériaux pour permettre aux circuits imprimés flexibles de s'étirer et de se déformer.
  • Traitement additif - Passage de la gravure soustractive à la fabrication additive par des procédés d'impression ou de placage.
  • Circuits flexibles structurés en 3D - Techniques de fabrication de structures de circuits flexibles hors plan.
 

Au fur et à mesure que la science des matériaux et les processus de fabrication évoluent, la technologie des circuits imprimés souples ouvrira la voie à des conceptions électroniques plus innovantes, impossibles à réaliser auparavant.

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