Fabrication et assemblage de PCB rigides-flexibles

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

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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.

Fabrication de PCB rigides-flexibles

Processus d'assemblage

Le processus d'assemblage des PCB rigides-flexibles doit prendre en compte à la fois les exigences de chargement des composants des régions rigides et l'adaptabilité spatiale des régions flexibles.. Les exigences fondamentales sont positionnement précis, réduction du stress, et des connexions fiables. Le processus comprend principalement l'assemblage SMT, soudure traversante, et protection des zones flexibles.

1. Assemblée CMS: Montage en surface efficace et précis

  • Fabrication et alignement du pochoir:
    Un pochoir dédié est fabriqué en fonction des dimensions du tampon pour garantir une correspondance exacte entre les ouvertures du pochoir et les tampons.. Des broches de positionnement ou un système d'alignement de vision sont utilisés pour fixer le PCB sur la table de travail de la machine de transfert., empêchant le déplacement lors de l'assemblage.

  • Impression de pâte de soudure:
    La pâte à souder est imprimée uniformément sur les pastilles à travers le pochoir. L'épaisseur de la pâte à souder doit être contrôlée entre 0.1–0,2mm pour éviter les pontages dus à un excès de soudure ou des joints froids dus à une soudure insuffisante.

  • Placement des composants et brasage par refusion:
    La machine de transfert place avec précision les composants sur les plots imprimés par soudure en fonction des données de coordonnées.. La planche entre ensuite dans le four de refusion, où la soudure fond et se lie aux plots grâce à un profil de température composé de préchauffage, tremper, et étapes de refroidissement.
    La vitesse de chauffage doit être contrôlée pour éviter la déformation du PCB causée par des changements rapides de température.

2. Soudure et retouche traversantes

Pour les appareils traversants (THD), soudure d'onde est utilisé. Pendant le soudage, la région flexible doit être surélevée ou sécurisée pour éviter tout contact avec la vague de soudure, ce qui pourrait causer des dommages. Après soudure, des retouches manuelles sont effectuées pour inspecter et corriger les défauts tels que les joints froids, fausse soudure, ou un pont, ensuring each solder joint meets reliability requirements.

3. Protection et formation de la région flexible

Après assemblage, la région flexible nécessite des mesures de protection dédiées. Selon les scénarios d'application, les méthodes de protection appropriées comprennent:

  • Protection du revêtement:
    Application de revêtements silicone ou polyuréthane sur la zone flexible pour former un film protecteur, améliorant la résistance à l'usure et la résistance chimique.

  • Protection des tubes:
    Les régions à haute fréquence de courbure peuvent être renforcées avec des gaines thermorétractables ou des manchons en silicone pour réduire la friction et les contraintes lors de la flexion..

  • Formage et fixation:
    Basé sur les exigences de conception du produit, des moules ou des accessoires sont utilisés pour donner à la région flexible des formes spécifiques, assurer une géométrie appropriée après l'assemblage final.

Contrôle de qualité

Étant donné que les PCB rigides et flexibles sont largement utilisés dans des domaines à haute fiabilité tels que les équipements médicaux et les systèmes de sécurité automobile, contrôle qualité complet à toutes les étapes : conception, fabrication, assemblée, et inspection finale – est essentielle. Les éléments d'inspection clés comprennent:

  • Tests de performances électriques:
    Les tests par sonde volante ou sur lit d'ongles vérifient la continuité, isolation, et caractéristiques d'impédance, s'assurer qu'il n'y a pas de circuits ouverts, shorts, ou problèmes de fuite.

  • Tests de performances mécaniques:
    Comprend des tests de cycle de flexion pour les régions flexibles (nécessitant généralement des dizaines de milliers de virages sans défaillance), test de résistance au pelage (évaluation de l'adhésion entre substrat, feuille de cuivre, et couverture), et tests de résistance à la déchirure, garantir que la durabilité mécanique correspond aux exigences de l'application.

  • Tests de fiabilité environnementale:
    Réalisation d'essais de cycles de température (-40°C à 85°C), test d'humidité, et des tests au brouillard salin pour simuler les performances dans diverses conditions environnementales et éliminer les risques de défaillance précoces.

  • Contrôle d'apparence et dimensionnel:
    Inspection optique (AOI) détecte les traces de défauts, désalignement des plaquettes, et problèmes de masque de soudure tels que des bulles. Projecteurs ou machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) vérifier l'exactitude dimensionnelle pour assurer la conformité aux spécifications de conception.

Scénarios d'application et tendances futures

1. Domaines d'application principaux

Les avantages uniques des PCB rigides-flexibles permettent une adoption généralisée dans plusieurs applications haut de gamme:

  • Électronique grand public:
    Circuits de charnière dans les téléphones pliables, circuits de bande de montre intelligente, et les connecteurs de clavier des ordinateurs portables reposent sur des PCB rigides et flexibles pour l'adaptabilité structurelle et la transmission du signal..

  • Électronique automobile:
    Utilisé dans les panneaux de signalisation radar, connexions d'affichage flexibles dans les tableaux de bord, et systèmes de gestion de batterie (GTC) dans les véhicules à énergies nouvelles, bénéficiant de leur résistance aux hautes températures et de leur durabilité aux vibrations.

  • Dispositifs médicaux:
    Moniteurs de santé portables (Par exemple, Moniteurs Holter) et les circuits internes des instruments mini-invasifs utilisent des PCB rigides et flexibles pour la miniaturisation et la flexibilité.

  • Aérospatial:
    Les satellites et les drones nécessitent des circuits qui fonctionnent de manière fiable dans des espaces limités et des environnements extrêmes, ce qui fait des PCB rigides et flexibles un choix idéal..

2. Tendances de développement futures

Avec une évolution technologique continue, les PCB rigides-flexibles évoluent vers densité plus élevée, meilleures performances, et à moindre coût:

  • Densité plus élevée:
    HDI (Interconnexion à haute densité) la technologie réduira encore davantage la largeur/l’espacement des traces, augmenter le nombre de couches, et permettre une intégration plus élevée pour l'électronique miniaturisée.

  • Innovation matérielle:
    Développement de plus mince, résistant aux températures plus élevées, les substrats à faible constante diélectrique amélioreront les performances électriques et mécaniques, prenant en charge les applications haute fréquence telles que la 5G et mmWave.

  • Intelligence des processus:
    Inspection visuelle basée sur l'IA, laminage automatisé, et l'assemblage robotisé améliorera l'efficacité et le rendement de la fabrication tout en réduisant les coûts.

  • Fabrication verte et respectueuse de l'environnement:
    Utilisation accrue de soudure sans plomb, substrats respectueux de l'environnement, et les processus de production optimisés réduiront les émissions et seront conformes aux réglementations environnementales mondiales.

Fabricants bien connus de PCB rigides-flexibles

1. Nippon Mektron

Pays: Japon
Description: Nippon Mektron est le plus grand circuit imprimé flexible au monde (FPC) fabricant et fournisseur leader de PCB rigides-flexibles. Leurs produits sont largement utilisés dans les smartphones, ordinateurs portables, électronique automobile, et dispositifs médicaux. La société fait partie du groupe NOK, un leader mondial des composants électroniques.

2. À&S

Pays: Autriche
Description: À&S est un fournisseur mondial majeur de PCB haut de gamme. Ses technologies rigide-flexible et HDI sont particulièrement performantes dans les applications exigeantes telles que l'électronique médicale, ADAS automobile, calcul haute performance, et communications 5G. Plusieurs sites de fabrication avancés en Asie soutiennent des marques de premier plan telles qu'Apple et Bosch.

3. Technologies TTM

Pays: États-Unis
Description: TTM est un fournisseur de fabrication de circuits imprimés et électroniques mondialement reconnu, fort dans l'aérospatiale, défense, industriel, et électronique commerciale haut de gamme. Ses solutions PCB rigides-flexibles sont connues pour leur fiabilité dans les environnements difficiles.

4. LeadSintec

Pays: Chine
Description: Leadsintec est un fournisseur de premier plan Fabricant de PCB offrant une gamme complète de produits, y compris HDI, Substrats IC, et PCB rigides-flexibles. Ses solutions flexibles et rigides-flexibles sont largement utilisées dans l'électronique grand public (smartphones et appareils portables), calcul haute performance, et électronique automobile, au service de nombreuses marques mondiales.

5. Flex Ltée.

Pays: Singapour / États-Unis (opérations mondiales)
Description: Flex est un EMS de renommée mondiale (Services de fabrication d'électronique) fournisseur avec une forte Fabrication de PCB capacités, y compris les PCB flexibles et rigides. Ses produits sont largement utilisés dans les dispositifs médicaux, systèmes industriels, électronique automobile, et du matériel intelligent.

Conclusion

La fabrication et l'assemblage de PCB rigides et flexibles sont un processus d'ingénierie systématique qui nécessite une coordination entre les matériaux., conception, processus, et contrôle qualité. Pour les entreprises, Choisir un fabricant de PCB expérimenté avec des processus matures et des normes de qualité rigoureuses est essentiel pour garantir les performances du produit et une livraison stable..

Alors que les produits électroniques continuent d’évoluer vers la miniaturisation, flexibilité, et le renseignement, les PCB rigides-flexibles joueront un rôle encore plus essentiel. La maîtrise des principes fondamentaux de chaque étape du processus et le maintien d'un contrôle qualité strict permettront à cette technologie « rigide mais flexible » de permettre l'innovation de produits futurs avec une fiabilité et une adaptabilité accrues..