Fabrication et assemblage de PCB rigides-flexibles: Un guide complet du processus

Avec l’itération rapide de l’électronique grand public, électronique automobile, et dispositifs médicaux, les produits électroniques exigent une plus grande adaptabilité et fiabilité de la part des PCB (Cartes de circuits imprimés). En tant que solution polyvalente qui intègre la stabilité des PCB rigides avec la flexibilité de flexion des PCB flexibles, les PCB rigides-flexibles deviennent un support clé pour résoudre les défis de conception structurelle complexes. Partant de la compréhension de base des PCB rigides-flexibles, cet article présente les points essentiels de la sélection des matériaux à la fabrication, assemblée, et contrôle qualité, fournir une référence systématique aux praticiens de l’industrie.

Compréhension de base: La nature « rigide » et « flexible » des PCB rigides-flexibles

Les PCB rigides-flexibles ne sont pas une simple combinaison de cartes rigides et flexibles; plutôt, ils intègrent organiquement les deux grâce à des processus spécialisés, enabling rigid regions to carry core components while flexible regions adapt to complex spatial constraints. Leur valeur fondamentale réside dans la résolution du double problème des PCB rigides traditionnels – « forme fixe » – et des PCB flexibles purs – « support insuffisant ». Les PCB rigides et flexibles réduisent la taille du produit, améliorer l'efficacité de l'assemblage, et améliore la stabilité de la connexion du circuit.

Comparé aux PCB de type unique, les PCB rigides-flexibles offrent trois avantages majeurs:

1. Adaptabilité de l'espace — les régions flexibles peuvent réaliser une flexion à 360°, pliant, ou routage tridimensionnel, structures compactes parfaitement adaptées telles que les appareils portables et les smartphones pliables.

2. Fiabilité améliorée — moins de connecteurs réduisent l'usure par insertion et les risques de défaillance des contacts.

3. Capacité d'intégration — les modules de circuits décentralisés peuvent être regroupés en une seule structure, simplifiant la conception et l'assemblage des produits.

Pré-fabrication: Sélection précise et conception scientifique

La qualité de fabrication d'un PCB rigide-flexible est largement déterminée au stade de la sélection des matériaux et de la conception.. L'objectif principal ici est d'équilibrer les besoins de « support rigide » et de « flexion flexible ».,« évitant les problèmes potentiels lors de la fabrication et de l'application ultérieures.

1. Sélection des matériaux de base: Balancing Performance and Process Compatibility

Le choix des matériaux influence directement les performances mécaniques et électriques et doit être adapté aux régions rigides et flexibles:

• Substrat de région rigide:
  Le choix courant est le stratifié en tissu de verre époxy FR-4., offrant une excellente résistance mécanique, résistance à la chaleur, et isolation, adapté au support de composants lourds tels que des puces et des condensateurs. Pour les environnements à haute température (Par exemple, électronique automobile), FR-5 ou polyimide (PI) les substrats peuvent être utilisés pour améliorer la stabilité thermique.

• Substrat de région flexible:
  Polyimide (PI) est le premier choix en raison de sa flexibilité, résistance chimique, et isolation électrique. Il peut résister à des dizaines de milliers de cycles de flexion. L'épaisseur du substrat doit correspondre aux exigences de flexion : 0,1 mm et 0.125 mm sont couramment utilisés. Les substrats plus fins prennent en charge la flexion à haute fréquence, tandis que les plus épais améliorent la résistance à la déchirure.

• Autres matériaux clés:
  La feuille de cuivre peut être du cuivre électrolytique ou du cuivre laminé; le cuivre laminé offre une ductilité supérieure pour les zones à haute fréquence de courbure. Les adhésifs doivent utiliser de l'époxy ou de l'acrylique résistant aux hautes températures pour garantir une liaison solide entre les régions rigides et flexibles.. Les films Coverlay doivent utiliser un matériau PI pour protéger les circuits flexibles de l'exposition environnementale.

2. Principes de conception clés: Éviter les risques liés aux processus et aux applications

La conception doit refléter à la fois la « convivialité de fabrication » et la « fiabilité des applications ».,” focusing on the following:

• Conception de zonage structurel:
  Définir clairement les limites des régions rigides et flexibles. Évitez de placer des composants lourds et des vias dans des zones flexibles. Les zones rigides doivent inclure des trous de montage mécanique adéquats. Les transitions entre les régions rigides et flexibles doivent être fluides pour éviter la concentration des contraintes.

• Règles de tracé du routage:
  Les traces de régions flexibles doivent utiliser des transitions courbes plutôt que des angles vifs pour éviter les fissures lors du pliage.. La largeur et l'espacement des traces doivent être ajustés en fonction des exigences de charge et d'impédance actuelles., avec un minimum recommandé de 0.1 MM.

• Conception de vias et de composants:
  Les vias dans les régions rigides doivent être éloignés des limites flexibles-rigides pour maintenir la force de liaison. Les packages de composants doivent correspondre aux processus d'assemblage; les petits boîtiers CMS sont préférés pour minimiser les contraintes mécaniques sur le PCB.

• DFM (Conception pour la fabricabilité):
  Une communication précoce avec le fabricant est essentielle pour garantir que la conception répond aux capacités du processus., y compris le diamètre minimum du trou, plage d'épaisseur du substrat, et contraintes de laminage. Cela permet d'éviter une augmentation des coûts ou une réduction du rendement en raison d'une incompatibilité..

Fabrication de base: Intégration précise de structures rigides et flexibles

La fabrication de PCB rigides-flexibles combine les processus des PCB rigides et flexibles. Le principal défi réside dans le collage par stratification et la configuration précise des circuits.. Le processus global comprend trois étapes principales: fabrication de la région flexible, fabrication de la région rigide, et intégration du laminage.

1. Processus clés pour la région flexible

• Découpe et nettoyage du substrat:
  Le substrat PI est découpé sur mesure et nettoyé avec du plasma ou des produits chimiques pour éliminer les contaminants et améliorer l'adhérence du cuivre..

• Fabrication de circuits:
  Utilisation de la photolithographie sur film sec, un film sec est laminé sur le substrat, exposé à des modèles de traces de transfert, et développé. La gravure sur cuivre élimine l'excès de cuivre. Les conditions de gravure doivent être contrôlées avec précision pour éviter une gravure latérale.

• Stratification de couverture:
  Un revêtement PI est laminé sur le circuit flexible par pressage à chaud.. L'alignement doit être précis pour éviter de bloquer les plots ou d'exposer les traces.

2. Processus clés pour la région rigide

• Prétraitement du substrat:
  Les panneaux FR-4 sont découpés et brossés mécaniquement pour améliorer l'adhérence. Le forage suit, avec une précision de trou contrôlée à ±0,05 mm.

• Métallisation des trous:
  Le dépôt autocatalytique de cuivre et la galvanoplastie forment des couches conductrices dans les trous, assurer les connexions intercouches. Le revêtement de cuivre doit être uniforme, sans vides ni trous d'épingle.

• Fabrication de circuits et de masques de soudure:
  La configuration suit un processus de photolithographie similaire à celui de la région flexible.. Après la formation de traces, l'encre du masque de soudure est appliquée, exposé, et développé pour protéger les traces tout en exposant les tampons.

3. Lamination Integration: L'étape critique de la liaison

La stratification est l'étape essentielle pour les PCB rigides-flexibles, nécessitant un contrôle précis de la température, pression, et du temps pour assurer une liaison solide sans endommager les régions flexibles.

• Préparation du stack-up:
  Matériaux tels que substrats rigides, couches adhésives, circuits souples, et des couches adhésives supplémentaires sont placées dans l'ordre selon la conception d'empilement. Un alignement précis et des broches de fixation assurent le positionnement.

• Pressage thermique:
  La pile est placée dans une presse à plastifier. Un profil de température échelonné est appliqué, en commençant par une température et une pression basses pour permettre l'écoulement de l'adhésif et l'élimination de l'air., suivi d'augmentations progressives jusqu'aux paramètres finaux (généralement 180-200°C et 20-30 kg/cm²). Après avoir détenu pendant la durée requise, un refroidissement contrôlé est effectué.

• Post-traitement:
  Après laminage, les bords sont coupés et polis pour éliminer les excès de matériaux et les bavures. Finition de surface telle que ENIG (Or d'immersion nickel électrolaire), Saigner, ou OSP est ensuite appliqué pour améliorer la soudabilité et la résistance à la corrosion.