Designing a Rigid-Flex PCB

Qu’est-ce que le Rigid-Flex ?

Comme son nom l’indique, un circuit imprimé flexible est un motif de conducteurs imprimé sur un film isolant flexible. Le terme rigide-flex désigne un circuit imprimé combinant à la fois un ou plusieurs circuits flexibles et un ou plusieurs circuits rigides, comme illustré dans l’image.

La technologie des circuits flexibles a été initialement développée pour le programme spatial afin d’économiser de l’espace et du poids. Elle est aujourd’hui populaire, car non seulement elle permet de gagner de la place et de réduire le poids — ce qui la rend idéale pour les appareils portables tels que les téléphones mobiles et les tablettes — mais elle peut également réduire la complexité du packaging, améliorer la fiabilité du produit et diminuer les coûts.

Les circuits flexibles sont normalement divisés en deux catégories d’utilisation : les circuits flexibles staticdynamic et les circuits flexibles use Ause B. Les circuits flexibles statiques (également appelés use A) sont ceux qui subissent très peu de flexions pendant l’assemblage et l’utilisation. Les circuits flexibles dynamiques (également appelés use B) sont conçus pour être pliés fréquemment, comme une tête de disque dur, une tête d’impression ou comme élément de charnière dans l’écran d’un ordinateur portable. Cette distinction est importante, car elle influence à la fois le choix des matériaux et la méthode de fabrication. Il existe un certain nombre de configurations d’empilement de couches pouvant être fabriquées en rigide-flex, chacune présentant ses propres avantages électriques, physiques et économiques.

Conception mécanique d’un rigide-flex

La conception d’un circuit flexible ou rigide-flex est avant tout un processus électromécanique. La conception de tout PCB est un processus tridimensionnel, mais pour une conception flexible ou rigide-flex, les exigences tridimensionnelles sont bien plus importantes. Pourquoi ? Parce que la carte rigide-flex peut être fixée à plusieurs surfaces à l’intérieur du boîtier du produit, le processus de fixation et de pliage ayant souvent lieu pendant l’assemblage du produit. Fournir une conception électromécanique fonctionnelle exige une collaboration étroite et constante entre les équipes d’ingénierie mécanique et électrique. L’approche traditionnelle pour confirmer que la carte pliée s’insère dans son boîtier consistait à créer une maquette mécanique — appelée paper doll cut out. Par nature, il est difficile d’obtenir avec cette approche le niveau de précision et de réalisme requis.

Une carte avec deux zones rigides reliées par une zone flexible dans l’éditeur PCB ECAD et dans le MCAD.

Altium contribue à résoudre ce défi avec CoDesigner, une technologie sophistiquée d’interface entre conception mécanique et électronique. CoDesigner permet aux ingénieurs d’échanger la forme de la carte et les modifications de composants entre les environnements de conception ECAD et MCAD directement depuis les logiciels de conception ECAD et MCAD.

• Présentation de la technologie MCAD CoDesigner d’Altium

• Référence technique, en savoir plus sur ECAD-MCAD CoDesign

• En savoir plus sur le transfert d’une conception rigide-flex vers le MCAD

Concevoir un PCB rigide-flex

Un circuit imprimé est conçu comme une série de couches empilées les unes sur les autres. Pour un circuit imprimé rigide traditionnel, la forme de la carte définit la carte dans le plan X-Y, et l’empilement des couches définit la carte dans le plan Z. La forme X-Y de la carte est définie dans la fenêtre principale d’édition PCB, et les couches sont configurées dans le Layer Stack Manager. Dans un PCB rigide-flex, il existe plus d’une zone ou Region dans le circuit imprimé final, et chacune de ces Regions peut utiliser un ensemble de couches différent.

Pour concevoir une carte rigide-flex, vous devez :

• Activer le mode Rigid-Flex requis (Layer Stack Manager, Tools » Features » Rigid-Flex, ou commande Tools » Features » Rigid-Flex (Advanced))

• Définir le Substack nécessaire pour chaque Region de la carte, et configurer la manière dont ces Substacks s’alignent entre eux dans le plan Z.

• Définir la forme de chaque Region rigide et flexible dans le plan X-Y, et attribuer le Substack correct à chaque Region.

Activation de la conception Rigid-Flex

Pour prendre en charge les structures complexes présentes dans un circuit imprimé rigide-flex moderne, l’éditeur du plan Z — le Layer Stack Manager — propose différents modes d’affichage pour modifier la structure de votre carte. Sélectionnez la commande Design » Layer Stack Manager pour ouvrir le Layer Stack Manager, où vous pouvez activer le mode rigide-flex requis, puis créer et aligner les Substacks nécessaires à votre conception rigide-flex.

Lorsque le Layer Stack Manager s’ouvre, il affiche l’empilement de couches actuel de la carte. Pour un nouveau PCB, il s’agit d’une simple carte à deux couches. Pour activer les fonctionnalités nécessaires à la conception d’une carte rigide-flex, ouvrez le sous-menu Tools » Features ou cliquez sur le bouton Features ( ) afin de sélectionner soit le mode standard Rigid-Flex (également appelé RF1), soit le mode Rigid-Flex (Advanced) (également appelé RF2).

Sélectionnez la commande pour activer le mode rigide-flex requis.

Choisir le mode Rigid-Flex standard ou avancé

Deux modes de conception rigide-flex sont disponibles dans le logiciel de conception PCB d’Altium. Le mode d’origine, ou mode standard, appelé Rigid-Flex (ou rigid-flex 1), prend en charge les conceptions rigide-flex comprenant : des définitions d’empilement rigides et flexibles uniques ou multiples. Pour utiliser le mode rigide-flex standard, vous devez pouvoir définir l’ensemble de la carte comme une forme plane unique vue de dessus, sans zones qui se chevauchent. C’est l’approche utilisée en mode rigid-flex 1 : une forme globale unique de carte est définie, puis des lignes de séparation sont placées pour diviser cette forme en différentes zones rigides et flexibles. Une fois cela fait, chaque zone peut se voir attribuer un empilement de couches. 

En savoir plus sur la conception d’une carte rigide-flex en mode standard.

Si votre conception présente des exigences rigide-flex plus complexes, telles que des zones flexibles qui se chevauchent, vous devez utiliser le mode Advanced Rigid-Flex (également appelé rigid-flex 2.0). En plus des zones flexibles superposées, le mode Advanced apporte également : une définition visuelle des substacks dans le plan Z, une définition indépendante de chaque zone rigide et flexible de la carte, des pliages sur des découpes imbriquées, des séparations de forme personnalisée, la possibilité de définir des structures de type reliure, la possibilité d’inclure un coverlay sur une zone flexible, ainsi que la prise en charge des conceptions entièrement flexibles.

En savoir plus sur la conception d’une carte rigide-flex en mode avancé.

Passage du mode standard au mode avancé

Le passage du mode standard au mode avancé s’effectue dans le Layer Stack Manager, comme illustré dans l’image ci-dessus. Lorsque vous choisissez l’option Rigid-Flex (Advanced) dans le menu Tools » Features, le logiciel convertit automatiquement la forme unique de la carte en plusieurs objets de région de carte et attribue les empilements de couches selon les besoins. La vidéo ci-dessous montre ce processus.

Présentation du passage du mode rigide-flex standard au mode avancé.

Travailler avec les régions de carte

Une Board Region est le terme utilisé pour décrire chaque zone de la carte définie par l’utilisateur à laquelle doit être attribué un empilement de couches unique — une exigence standard pour un PCB rigide-flex. Dans l’image ci-dessous, la forme de la carte a été divisée en trois Board Regions distinctes : la zone circulaire supérieure, la bande centrale étroite et la zone circulaire inférieure.

Une carte rigide-flex affichée en mode Board Planning ; notez que la forme de la carte a été divisée en trois Board Regions distinctes, chacune affichant son nom de région et l’empilement de couches qui lui est attribué.

Lorsqu’une nouvelle carte est créée, elle comporte par défaut une seule Board Region. Si la conception de la carte nécessite plusieurs régions, vous pouvez alors soit :

• découper une seule Board Region en plusieurs régions (mode Rigid-Flex standard ou mode Advanced Rigid-Flex), ou
• placer plusieurs Board Regions pour construire la forme globale (mode Advanced Rigid-Flex).

Les Board Regions sont définies et modifiées en mode Board Planning (menu View).

Utilisation des lignes de pliage

Les lignes de pliage sont définies et modifiées dans le mode Board Planning (menu View).

Propriétés d’une ligne de pliage

Les lignes de pliage possèdent les propriétés interdépendantes suivantes :

• Bend Angle (a) - l’angle selon lequel la surface de la région flexible doit se plier.
• Radius (r) - la distance entre la surface de pliage et le point central du pliage.
• Width (w) - la largeur de la zone de surface qui sera pliée pour les valeurs Radius et Bend Angle données.

La relation entre Bend Angle, Radius et width peut s’exprimer comme suit :

• w = a/360 * 2*Pi*r
• ou, en d’autres termes, width = Fraction of the circumference being bent * Circumference

Parcourir les régions d’empilage de couches et les lignes de pliage

Dans le mode du panneau PCB, ses trois régions principales changent pour refléter les éléments suivants (dans l’ordre de haut en bas) :

• Les noms des Layer Stacks disponibles.
• Les Stackup Regions définies sur la carte, ou celles affectées à un empilage de couches sélectionné.
• La liste des Bending Lines dans la région d’empilage sélectionnée

Lors de l’utilisation du mode Layer Stack Regions du panneau PCB, passez à l’affichage Board Planning via le menu View » Board Planning Mode, ou utilisez le raccourci 1.

Une carte peut être divisée en régions distinctes (régions d’empilage) auxquelles sont affectés des arrangements spécifiques d’empilage de couches (empilages de couches). Les zones de pliage (lignes de pliage) sont définies dans les régions flexibles de la carte.

Lorsqu’un nom d’empilage de couches particulier est sélectionné dans la zone Layer Stacks du panneau PCB, un filtrage est appliqué en utilisant l’empilage de couches comme portée du filtre. Toutes les régions de carte affectées à cet empilage seront alors listées dans la zone Stackup Regions du panneau. À leur tour, toutes les lignes de pliage définies dans une région d’empilage sélectionnée seront listées dans la zone de liste Bending Lines.

Un double-clic sur une région d’empilage dans la liste (ou un double-clic sur la région de carte elle-même dans l’espace de conception) ouvre la boîte de dialogue Board Region dialog (mode rigide-flex standard) ou le mode Board Region du panneau Properties (mode rigide-flex avancé). Utilisez cette boîte de dialogue/ce panneau pour renommer une région, l’affecter à un empilage de couches ou verrouiller ses propriétés 3D.

Un double-clic sur une ligne de pliage dans la zone de liste Bending Line du panneau ouvre la boîte de dialogue Bending Line dialog dans laquelle les propriétés de la ligne peuvent être modifiées en détail.

Affichage et pliage d’une conception rigide-flex en 3D

L’éditeur PCB inclut un puissant moteur de rendu 3D, qui permet de présenter une représentation tridimensionnelle très réaliste de la carte de circuit chargée. Ce moteur prend également en charge les circuits rigides-flexibles et, lorsqu’il est utilisé en combinaison avec le curseur Fold State dans le panneau PCB , il permet au concepteur d’examiner sa conception rigide-flex à l’état plat (aucun paramètre de ligne de pliage appliqué), à l’état complètement plié (tous les paramètres de ligne de pliage appliqués), ainsi qu’à n’importe quel état intermédiaire.

Pour passer au mode d’affichage 3D, appuyez sur la touche de raccourci 3 (appuyez sur 2 pour revenir à la 2D ou sur 1 pour revenir au mode Board Planning). La carte s’affiche en 3D. Si les empreintes de composants incluent des objets de corps 3D qui définissent le composant monté, ceux-ci seront également affichés. Dans l’image ci-dessous, vous pouvez voir que la carte comprend une batterie et un clip de batterie.

Pour appliquer toutes les lignes de pliage, faites glisser le curseur Fold State dans le panneau PCB lorsqu’il est réglé sur le mode Layer Stack Regions, comme mis en évidence dans l’image ci-dessous. Notez que les plis sont appliqués dans l’ordre défini par leur numéro de séquence. Les lignes de pliage peuvent partager le même numéro de séquence; cela signifie simplement que ces plis seront effectués en même temps lorsque le curseur Fold State est utilisé. La carte peut également être pliée/dépliée en exécutant la commande View » 3D View Control » Fold/Unfold (ou en appuyant sur le raccourci 5).

Utilisez le curseur Fold State (ou la touche de raccourci 5) pour appliquer toutes les lignes de pliage dans l’ordre défini par leur valeur de séquence (Fold Index).

Prise en charge de 3D Movie Maker pour les conceptions rigides-flexibles

La possibilité de plier une conception rigide-flex peut également être capturée sous forme de film 3D. C’est très simple à faire et cela ne nécessite pas l’utilisation d’images clés vidéo pendant la séquence de pliage.

Consultez la page Preparing a 3D PCB Video page pour une description détaillée de la création d’un film 3D. Comme guide de base :

1. Basculez l’éditeur PCB en mode 3D.
2. Ouvrez le panneau PCB 3D Movie Editor et créez une nouvelle vidéo en cliquant sur le bouton New . Cliquez sur la vidéo nouvellement créée dans la région Movie Title, puis donnez-lui un nom approprié.
3. Créez une Key Frame initiale montrant la carte à l’état déplié.
4. Faites glisser le curseur Fold State pour afficher la conception rigide-flex à l’état plié, puis positionnez la carte pliée comme souhaité.
5. Créez maintenant une deuxième Key Frame pour cette vue et définissez la durée. Réfléchissez au temps que vous souhaitez pour plier la conception rigide-flex (le paramètre Duration) ; en général, cela sera de quelques secondes.

6. Pour vérifier que la vidéo capture correctement le processus de pliage, cliquez sur le bouton de lecture (situé dans les commandes du lecteur en bas du panneau.

   

7. Pour générer un fichier vidéo, ajoutez une sortie de documentation PCB 3D Video dans un fichier Output Job. N’oubliez pas de configurer les options de format vidéo dans la boîte de dialogue Video settings dialog.
8. Cliquez sur le lien Generate Content dans le fichier Output Job pour créer le fichier vidéo.

La vidéo ci-dessous a été créée à l’aide de ce processus. Elle comporte les deux images clés décrites ci-dessus, plus une image clé supplémentaire ajoutée à la fin pour maintenir la position finale pendant une seconde.

Un film 3D simple créé à partir de trois images clés; le comportement de pliage est défini par les valeurs de séquence des lignes de pliage.

► En savoir plus sur Preparing a 3D PCB Video

Considérations de conception

Vous trouverez ci-dessous un résumé des principaux aspects de conception à prendre en compte lors de la conception d’un PCB rigide-flex :

• Routage des conducteurs - le choix du style d’angle pour les pistes traversant une région flexible est important; évitez les angles vifs ; utilisez une courbe pour minimiser les contraintes.
• Forme et surface des pastilles - utilisez des congés (teardrops) avec oreilles de lapin (ergots d’ancrage) pour le flex simple face. L’objectif est de capturer une partie de la forme de la pastille avec la coverlayer.
• Trous traversants - essayez d’éviter les trous traversants dans la zone de pliage, en particulier dans une application dynamique.
• Coverlay - évitez les concentrations de contraintes (exposition de la piste entrante) ; réduisez l’ouverture dans la coverlayer à 250um.
• Plans - en hachures croisées, si possible.
• Longueurs décalées - pour éviter le flambage des couches lors de la flexion (bookbinding), décalez les longueurs des couches d’environ 1,5 fois l’épaisseur de la couche.
• Boucle de service - rendez la région flexible légèrement plus longue pour faciliter l’assemblage/désassemblage et permettre les variations dimensionnelles du produit (cette longueur supplémentaire est appelée boucle de service).
• Économiser le cuivre - réfléchissez à la manière dont le circuit flexible sera mis en panneau; il peut être préférable d’ajuster la conception pour garantir la meilleure utilisation du matériau.
• Mise en panneau - orientez les régions flexibles en fonction du grain du matériau (plier dans le sens du grain).
• Résistance à la déchirure - angles arrondis; trou percé à l’angle; trou dans la fente; laisser du métal dans les angles.
• Routage - décalez les pistes sur les cartes à deux couches pour éviter l’effet de poutre en I, et élargissez les pistes dans la zone de pliage (cela est particulièrement important pour les plis permanents).
• Rapport de pliage statique - définition du rapport entre le rayon de courbure et l’épaisseur du circuit. Idéalement, les circuits multicouches devraient avoir un rapport de pliage d’au moins 15:1. Pour les circuits double face, le rapport minimal devrait être d’au moins 10:1. Pour les circuits monocouches, le rapport minimal devrait également être d’au moins 5:1. Pour une application dynamique, visez un rapport de pliage de 20 à 40:1.
• Le cuivre recuit laminé est plus ductile; le cuivre électrodéposé n’est pas le meilleur choix pour les zones flexibles.

Exigences de documentation et de dessin

Les exigences de documentation généralement recommandées comprennent :

1. Le Flex PCB doit être fabriqué conformément à la norme IPC-6013, classe (indiquer ici votre exigence).
2. Le Flex PCB doit être conçu pour satisfaire à un indice minimal d’inflammabilité V-0 (si requis).
3. Le Flex PCB doit être conforme à la directive RoHS (si requis).
4. Le matériau rigide doit être de type GFN selon IPC-4101/24 (si un matériau époxy est utilisé).
5. Le matériau rigide doit être de type GIN selon IPC-4101/40 (si un matériau polyimide est utilisé).
6. Le matériau flexible cuivre-clad doit être conforme à IPC 4204/11 (matériau diélectrique flexible cuivre-clad sans adhésif).
7. Le matériau de covercoat doit être conforme à IPC 4203/1.
8. L’épaisseur maximale de la carte ne doit pas dépasser (indiquer ici votre exigence) et s’applique après tous les procédés de stratification et de métallisation. Cette valeur est mesurée sur les surfaces métallisées finies.
9. L’épaisseur de l’adhésif acrylique à travers la partie rigide du panneau ne doit pas dépasser 10 % de la construction globale. Voir les commentaires ci-dessus à ce sujet.
10. Un matériau de support temporaire peut être utilisé pour faciliter la fabrication et doit être retiré de la partie flexible de la carte avant expédition.
11. L’épaisseur de la section flexible doit être de (indiquer ici votre exigence). N’ajoutez pas cette note si cette épaisseur n’est pas critique.
12. L’épaisseur minimale de cuivre sur les parois des trous métallisés doit être de (indiquer ici votre exigence ; une moyenne de .001” est recommandée), avec une largeur minimale de bague annulaire de (indiquer ici votre exigence ; 002 est recommandé).
13. Appliquer un vernis épargne vert LPI (si requis) sur le cuivre nu des deux côtés, uniquement dans les sections rigides de la carte. Tout métal exposé sera (indiquer ici votre exigence de finition de surface).
14. Appliquer une sérigraphie sur les deux côtés de la carte (si requis) à l’aide d’une encre époxy non conductrice blanche ou jaune (la plus courante).
15. Exigences de marquage et d’identification.
16. Exigences relatives aux tests électriques.
17. Exigences d’emballage et d’expédition.
18. Exigences d’impédance.

Détails supplémentaires du dessin

1. Un tableau de perçage détaillant le diamètre fini des trous, les tolérances associées et l’indication métallisé/non métallisé.
2. Un plan coté, incluant le(s) repère(s) de référence, les cotes critiques, les interfaces rigide-flex, l’emplacement du pli et les repères de direction.
3. Détails de panélisation, si requis.
4. Détails de construction et d’empilage des couches, précisant le matériau utilisé pour chaque couche, les épaisseurs et les grammages de cuivre.

Références

Guide technique d’ingénierie des circuits flexibles et rigide-flex - Epec Engineering Technologies

Technologie des circuits flexibles - Joe Fjelstad

Guide de conception des circuits flexibles - Minco Products Inc

Ressources Flex de Minco Products

Site web Machine Design :

• Principes de base de la conception de circuits flexibles - Robert Repas
• Rester flexible - Mark Finstad, ingénieur d’applications