Le rayon de courbure du PCB flexible est la courbure minimale qu'un circuit flexible peut supporter sans fracturer les conducteurs, délaminer l'isolation ou augmenter la résistance au-delà de la tolérance. Il ne s'agit pas simplement d'une suggestion géométrique mais d'une contrainte de fiabilité critique régie par l'épaisseur du matériau, le nombre de couches et la ductilité du cuivre, spécifiquement définies dans les normes IPC-2223. Ignorer ces règles conduit à des circuits ouverts immédiats lors de l'installation ou à des ruptures de fatigue latentes sur le terrain.
Points clés à retenir
- Statique ou Dynamique : Les courbures statiques (installation sur mesure) nécessitent généralement un rayon de 10x l'épaisseur du circuit ; les virages dynamiques (mouvement continu) nécessitent 20x à 40x.
- Impact des matériaux : Les matériaux de base sans adhésif permettent des rayons de courbure plus serrés que les stratifiés à base d'adhésif en raison de leur épaisseur globale réduite.
- Sélection du cuivre : Utilisez du cuivre recuit laminé (RA) pour les applications dynamiques ; Le cuivre électrodéposé (ED) est généralement limité aux applications statiques.
- Axe neutre : La conception la plus fiable place la couche conductrice exactement au centre de l'empilement (l'axe neutre) pour minimiser les forces de tension et de compression.
- Évitement des poutres en I : N'empilez jamais de conducteurs directement les uns sur les autres sur des couches adjacentes dans une zone de courbure ; cela augmente la raideur et le risque de fracture.
- Conseil de validation : Utilisez une maquette de « poupée de papier » en utilisant l'épaisseur exacte de l'empilement pour vérifier physiquement que le rayon de courbure s'adapte à l'enceinte mécanique avant la finalisation de la CAO.
- Seuil critique : Évitez de placer des trous traversants plaqués (PTH) ou des vias à moins de 2,54 mm (100 mil) de la ligne tangente de courbure.
Contenu
- Ce que cela signifie réellement (portée et limites)
- Metriques importantes (Comment les évaluer)
- Comment choisir (Guide de sélection par scénario)
- Points de contrôle de mise en œuvre (de la conception à la fabrication)
- Erreurs courantes (et approche correcte)
- Capacité et instantané de commande
- FAQ (coût, délai de livraison, matériaux, tests, critères d'acceptation)
- Glossaire (termes clés)
Ce que cela signifie réellement (portée et limites)
Le rayon de courbure est strictement défini comme la distance entre le centre de la courbure et la surface du circuit flexible à l'intérieur du virage. Lorsqu'un circuit se plie, les matériaux sur la courbe extérieure subissent une tension (étirement), tandis que les matériaux sur la courbe intérieure subissent une compression.
Si le rayon est trop serré, la couche externe de cuivre dépassera sa limite de ductilité et se fissurera (circuit ouvert), ou les couches internes se déformeront et se décolleront. L'objectif du respect des règles relatives au rayon de courbure des PCB flexibles est de maintenir la contrainte exercée sur les conducteurs en cuivre en dessous du seuil de déformation plastique.
Flexion statique ou dynamique
- Statique (Flex-to-Install) : Le circuit est plié une fois lors de l'assemblage et reste dans cette position. Le cuivre peut tolérer des contraintes plus élevées car il n’a pas besoin de survivre aux cycles de fatigue.
- Dynamique (Flex-to-Use) : Le circuit se plie à plusieurs reprises pendant le fonctionnement (par exemple, un câble de tête d'imprimante ou une charnière de téléphone à clapet). Cela nécessite un rayon de courbure beaucoup plus grand et des matériaux spécialisés pour survivre à des millions de cycles.
Mesures importantes (comment les évaluer)
La norme industrielle IPC-2223 fournit des ratios de base pour le rayon de courbure minimum en fonction de l'épaisseur totale de la section flexible.
Tableau 1 : Rapports de courbure recommandés par l'IPC-2223| Nombre de couches | Type de demande | Rapport de rayon de courbure minimum | Exemple (Épaisseur = 0,15 mm) |
| :--- | :--- | :--- | :--- | | 1 couche | Statique (Installer) | 6x – 10x Épaisseur du circuit | 0,9 mm – 1,5 mm | | 1 couche | Dynamique (Mouvement) | 20x – 40x Épaisseur du circuit | 3,0 mm – 6,0 mm | | 2 couches | Statique (Installer) | 10x Épaisseur du circuit | 1,5 mm | | 2 couches | Dynamique (Mouvement) | Min 40x Épaisseur du circuit | 6,0 mm | | Multicouche | Statique (Installer) | 20x Épaisseur du circuit | 3,0 mm | | Multicouche | Dynamique (Mouvement) | Non recommandé | N/A (Utiliser la construction « Air Gap ») |
Tableau 2 : Contributions à l'épaisseur du matériau
Pour calculer le rapport, vous devez additionner l'épaisseur de toutes les couches dans la zone de flexion.
| Composant matériel | Plage d'épaisseur typique | Remarques |
|---|---|---|
| Base Polyimide (PI) | 12,5µm – 50µm (0,5 – 2 mil) | Un PI plus fin améliore la flexibilité. |
| Feuille de cuivre | 12µm – 35µm (1/3 oz – 1 oz) | 1/3 oz ou 1/2 oz préféré pour un flex dynamique. |
| Adhésif (si utilisé) | 12µm – 25µm (0,5 – 1 mil) | Les stratifiés sans adhésif réduisent l'épaisseur totale d'environ 25 à 50 µm. |
| Couverture (PI + adhésif) | 25µm – 50µm (1 – 2 mils) | Ajoute une rigidité significative ; utiliser de manière sélective. |
| Film de protection EMI | 10µm – 18µm | Facultatif; ajoute de la rigidité mais moins que les avions en cuivre. |
Pourquoi c'est important : Une carte flexible à 4 couches peut avoir une épaisseur de 0,4 mm. Un rayon de courbure statique 10x serait de 4 mm. Si votre boîtier mécanique ne laisse qu'un espace de 2 mm, la carte échouera probablement.
Comment vérifier : Calculez Total Thickness x Multiplier. Comparez cela avec le jeu mécanique CAO.
Comment choisir (Guide de sélection par scénario)
Concevoir pour la flexibilité implique des compromis entre les performances électriques (courant, impédance) et la fiabilité mécanique.
Comparaison : sélection du type de cuivre
| Facteur | Recuit laminé (RA) | Électro-dépôt (ED) | Meilleur quand | Compromis |
|---|---|---|---|---|
| Structure des grains | Horizontal (lamellaire) | Vertical (en colonne) | Flexion dynamique | RA est légèrement plus cher. |
| Élongation | Élevé (20-45%) | Modéré (4-12%) | Statique / Rigide-Flex | ED est fragile sous un stress répété. |
| ** Rugosité de surface ** | Lisse | Plus rugueux (meilleure adhérence) | Ligne fine (<3 mil) | RA a une résistance au pelage plus faible sur les ridules. |
| Résistance à la fatigue | Excellent | Pauvre | Nombre de cycles élevé | RA nécessite un alignement minutieux de la direction du grain. |
Matrice de décision : empilement et construction
| Priorité | Meilleur choix | Pourquoi |
|---|---|---|
| Flexibilité maximale (dynamique) | 1 couche sans adhésif | Profil le plus fin ; le cuivre est sur l’axe neutre si la couverture est symétrique. |
| Contrôle d'impédance | ** Sol hachuré à 2 couches ** | Les avions en cuivre massif sont trop rigides ; les hachures croisées réduisent la rigidité de 30 à 50 %. |
| Nombre élevé de couches | Relieur / Air Gap | La séparation des couches leur permet de se déformer indépendamment, réduisant ainsi le rayon effectif requis. |
| Coût (statique uniquement) | Stratifié à base d'adhésif | Les matériaux standards sont moins chers ; une pénalité d'épaisseur est acceptable pour les pliages ponctuels. |
| Haute température | Sans adhésif | Élimine les adhésifs acryliques qui présentent des problèmes d’expansion plus faibles sur l’axe Tg et Z. |
10 règles de sélection (Si... Choisissez...)1. Si l'application est dynamique (>10 000 cycles), choisissez le cuivre recuit laminé (RA) ; sinon, l'électrodéposition (ED) est acceptable pour une installation statique.
- Si le rayon de courbure est serré (<10x l'épaisseur), choisissez des matériaux de base sans adhésif pour réduire la hauteur totale d'empilement.
- Si vous avez besoin d'un contrôle d'impédance dans une région dynamique, choisissez des plans de sol hachurés ; sinon, les plans solides provoqueront de la rigidité et des fissures.
- Si vous avez >2 couches dans une zone pliée, choisissez une construction « non liée » ou « entrefer » ; sinon, les couches se cisailleront les unes contre les autres.
- Si vous soudez des composants à proximité d'un coude, choisissez un raidisseur pour arrêter le coude à au moins 1 à 2 mm des plots de soudure.
- Si une durée de vie élevée est critique, choisissez 1/3 oz ou 1/2 oz de cuivre ; sinon, 1 oz de cuivre augmente la rigidité et le risque d'écrouissage.
- Si une couverture est requise pour une flexion dynamique, choisissez une couverture en polyimide ; sinon, le masque de soudure flexible (LPI) se fissurera sous l'effet d'un mouvement continu.
- Si la largeur de flexion varie, choisissez des larmes à la transition ; sinon, les concentrateurs de stress déchireront la base PI.
- Si le routage des traces passe par un virage, choisissez le routage perpendiculaire ; sinon, les traces aux angles subiront des forces de torsion.
- Si un pas fin (<3 mil / 75 µm) est requis, choisissez du cuivre ED (confirmer auprès du fabricant) ; sinon, le cuivre RA peut avoir des problèmes de rendement lors de la gravure.
Exception aux limites : Pour les applications dynamiques à courant extrêmement élevé, vous aurez peut-être besoin de cuivre plus épais. Dans ce cas, le rayon de courbure doit augmenter proportionnellement. On ne peut pas tromper la physique.
Points de contrôle de mise en œuvre (de la conception à la fabrication)
Suivez cette séquence pour vous assurer que votre conception respecte les règles de rayon de courbure des circuits imprimés flexibles.
- Définir les contraintes mécaniques : Mesurez l'espace physique disponible pour la boucle de courbure dans l'enceinte.
- Acceptation : Rayon disponible > Rayon minimum calculé.
- Sélectionnez l'empilement de matériaux : Choisissez l'épaisseur PI et le poids du cuivre.
- Action : Calculer l'épaisseur totale ($T$).
- Calculer le rayon minimum : Appliquez des multiplicateurs IPC (10x pour statique, 20x+ pour dynamique).
- Acceptation : $R_{min} = T \times Multiplier$.
- Définir la direction du grain : Spécifiez la direction du grain sur le dessin de fabrication.
- Action : Le grain doit être perpendiculaire à la ligne de pliage (parallèle aux traces).
- Traces d'itinéraire : Acheminez les conducteurs perpendiculairement au virage.
- Vérifier : Pas de virage à 45° ou 90° à l'intérieur de la zone de pliage.
- Conducteurs décalés : Assurez-vous que les traces supérieure et inférieure sont décalées.
- Acceptation : Pas d'empilage « I-Beam ». Décalé d'au moins 1 largeur de trace.
- Définir les raidisseurs : Placez des raidisseurs pour forcer le pli dans la zone flexible.
- Vérifiez : Le bord du raidisseur doit être éloigné de 0,5 mm à 1,0 mm de la tangente du pliage.
- Ajoutez des butées de déchirure : Ajoutez des trous en cuivre ou percés à fente sur les bords du bras flexible.
- Acceptation : Empêche la propagation des déchirures si le bord est entaillé.
- Vérification de la maquette : Créez un modèle Mylar ou papier du flexible.
- Action : Vérifiez qu'il se plie dans le boîtier sans se plier.
- Révision DFM : Envoyez les données d'empilement et de rayon au fabricant de PCB flexibles.
- Acceptation : Le fabricant confirme que l'empilement répond aux exigences de flexibilité.
Erreurs courantes (et la bonne approche)| Erreur | Impact | Approche correcte | Comment vérifier |
| :--- | :--- | :--- | :--- | | Construction de poutres en I | Les traces sur les couches supérieure/inférieure sont parfaitement alignées. Augmente la rigidité d'environ 3x ; conduit à une fracture. | Traces décalées sur les calques adjacents. | Inspectez les données CAM/Gerber dans la région de pliage. | | Pliage au bord du raidisseur | Point de concentration des contraintes ; cisailles à cuivre immédiatement. | Raidisseur d'extrémité 1,0 mm (40 mil) avant le début du pliage. | Vérifiez la distance entre le contour du raidisseur et la tangente du virage. | | Utilisation d'un masque de soudure | Le masque de soudure LPI standard est fragile et se fissurera/s'écaillera. | Utilisez Polyimide Coverlay ou une couverture flexible photoimageable. | Consultez les notes relatives au matériel dans Fab Drawing. | | Vias dans la zone de courbure | Les canons plaqués se fissurent sous tension/compression. | Gardez les vias 2,5 mm (100 mil) à l'écart de la zone de courbure. | Définissez des zones d'exclusion CAO pour les vias dans les régions flexibles. | | Mauvais sens du grain | Le cuivre se fissure prématurément le long des lignes de grain. | Orientez le grain sur la longueur des conducteurs. | Ajouter une note : "Direction du grain parallèle à la dimension longue." | | Coins nets sur les pistes | Les concentrateurs de contraintes entraînent des traces de rupture. | Utilisez un routage incurvé (arcs) au lieu de coins à 45/90 degrés. | Inspection visuelle du tracé dans la zone de pliage. | | Ignorer l'épaisseur de l'adhésif | Sous-estimer l’épaisseur totale de l’empilement conduit à des courbures plus serrées que prévu. | Inclure les couches adhésives (12-25 µm) dans l'épaisseur totale calculée. | Examinez attentivement le diagramme de stackup. | | Avions en cuivre massif | Grande rigidité ; risque de délaminage. | Utilisez des plans hachurés (par exemple, ligne de 0,2 mm / pas de 0,4 mm). | Vérifiez les paramètres de remplissage du plan dans CAO. |
Aperçu des capacités et des commandes
Lors de la commande de PCB flexibles, le fabricant a besoin de données spécifiques pour garantir que les règles de rayon de courbure sont réalisables.
Référence des capacités
| Paramètre | Capacité standard | Capacité avancée | Remarques |
|---|---|---|---|
| Nombre de calques | 1-4 couches | 6-10 couches | Les couches élevées nécessitent une construction avec entrefer. |
| Rayon de courbure minimum | 10x épaisseur | 6x épaisseur | Nécessite des matériaux sans adhésif. |
| Matériau de base | PI à base d'adhésif | PI sans adhésif | Le sans adhésif est préférable pour les virages serrés. |
| Poids en cuivre | 1/2 once, 1 once | 1/3 once (12µm) | Cuivre plus fin = meilleure flexibilité. |
| Ouverture de couverture | 0,2 mm | 0,1 mm | Découpe laser requise pour les ouvertures fines. |
| Matériau raidisseur | FR4, Polyimide | Acier inoxydable, aluminium | Acier utilisé pour un raidissement ultra fin. |
| Finition de surface | ENIG | ENEPIG, Immersion Argent | ENIG est la norme pour flex. |
Délai et quantité minimale de commande
| Type de commande | Délai de livraison typique | Quantité minimale de commande | Facteurs clés |
|---|---|---|---|
| Prototype | 5-8 jours | 5-10 pièces | La couverture découpée au laser accélère le processus. |
| Petit lot | 10-12 jours | 50-100 pièces | La création d'outillage dur (matrices) ajoute du temps. |
| Production | 15-20 jours | 500+ pièces | La disponibilité des matériaux (cuivre RA) a un impact sur les délais de livraison. |
Liste de contrôle RFQ / DFM (quoi envoyer)
- Fichiers Gerber : ODB++ ou RS-274X.
- Diagramme de pile : Indiquez explicitement « sans adhésif » ou « à base d'adhésif » et le type de cuivre (RA/ED).
- Spécifications du rayon de courbure : Indiquez « Statique » ou « Dynamique » et le rayon prévu dans les notes Fab.
- Dessin du raidisseur : Marquez clairement les emplacements et les matériaux des raidisseurs (FR4, PI, SS).
- Finition de surface : ENIG est recommandé pour sa planéité et sa fiabilité.
- Type de revêtement : Spécifiez « Polyimide Coverlay » pour les zones flexibles.
- Test : Demandez un « Test électrique à 100 % » et un « Test d'impédance » en option, le cas échéant.
- Quantité : Prototype par rapport au volume de production (affecte le choix de l'outillage).
FAQ (coût, délai de livraison, matériaux, tests, critères d'acceptation)
1. L’utilisation de cuivre recuit laminé (RA) augmente-t-elle le coût ? Oui, généralement de 10 à 15 % par rapport au cuivre ED.
- Le cuivre RA est un matériau spécialisé avec des fournisseurs limités.
- Le traitement nécessite une manipulation soigneuse pour maintenir la structure du grain.
- Cependant, pour les applications dynamiques, le coût d'une défaillance avec le cuivre ED dépasse de loin les économies de matériaux.2. Puis-je utiliser un masque de soudure au lieu d'une couche de recouvrement pour économiser de l'argent ? Uniquement dans les zones statiques où aucune flexion ne se produit.
- Le masque de soudure est fragile et se fissurera dans le rayon de courbure.
- Le masque fissuré peut couper les traces de cuivre sous-jacentes.
- Utilisez toujours une couverture en polyimide pour les sections flexibles.
3. Comment concevoir un raidisseur pour PCB flexible sans provoquer de points de contrainte ? Le raidisseur doit soutenir la zone du composant mais s'arrêter avant le début du pliage.
- Faites chevaucher le raidisseur et le coverlay d'au moins 0,5 mm.
- Assurez-vous que le bord du raidisseur est à au moins 1,0 mm de la tangente du pliage.
- Utilisez un cordon d'époxy (décharge de traction) sur le bord du raidisseur si les vibrations sont un problème.
4. Quels sont les critères d'acceptation pour un test de rayon de courbure ? Pour la flexion dynamique, la norme industrielle est le test d’endurance au pliage du MIT.
- L'échantillon est plié d'avant en arrière à une vitesse et un rayon spécifiques.
- Réussite : Changement de résistance < 10 % après X cycles (par exemple, 100 000).
- Échec : Circuit ouvert, court-circuit ou délaminage diélectrique.
5. Pourquoi la construction « entrefer » ou « non liée » est-elle utilisée dans le flex multicouche ? Cela réduit la rigidité effective de l'empilement.
- Au lieu de coller les 4 couches ensemble, les couches 1-2 et 3-4 sont séparées dans la zone de pliage.
- Cela permet aux couches de glisser les unes sur les autres (boucle) plutôt que de s'étirer/comprimer comme une seule unité épaisse.
- Il améliore considérablement la flexibilité des conceptions multicouches.
6. En quoi les délais de livraison diffèrent-ils entre le flex rigide et le flex standard ? Les PCB rigides-flexibles prennent beaucoup plus de temps (15-25 jours). *Ils impliquent des cycles de stratification complexes (combinant FR4 et PI).
- Les processus de routage et de placage sont plus complexes.
- Le flex standard (pur PI) est plus rapide (5 à 10 jours) car il nécessite moins d'étapes de stratification.
7. Qu'est-ce que « l'Axe Neutre » et pourquoi est-il important ? L'axe neutre est le plan à l'intérieur de l'empilement où il n'y a aucune tension ni aucune compression pendant la flexion.
- Idéalement, les conducteurs devraient être placés sur l'axe neutre.
- Dans un flexible monocouche avec une couverture égale en haut et en bas, le conducteur est parfaitement centré.
- Cela maximise la durée de vie du conducteur.
8. Puis-je placer des composants dans la zone de pliage ? Non.
- Les joints de soudure sont rigides et se fissureront immédiatement lors du pliage.
- Les condensateurs en céramique se briseront.
- Les composants doivent être placés sur des zones rigidifiées (à l'aide de raidisseurs FR4 ou PI) où la planche reste plate.
Glossaire (termes clés)
| Terme | Définition |
|---|---|
| Rayon de courbure | La distance entre le centre de courbure et la surface intérieure du circuit flexible. |
| Axe neutre | Couche de l'empilement qui ne subit ni compression ni tension lors de la flexion. |
| Recuit laminé (RA) | Feuille de cuivre traitée pour avoir une structure de grain horizontale, maximisant la ductilité pour une flexion dynamique. |
| Électro-Dépôt (ED) |
Conclusion
flex pcb bend radius rules est plus facile à mettre en œuvre lorsque vous définissez tôt les spécifications et le plan de vérification, puis les confirmez via DFM et testez la couverture.
Utilisez les règles, les points de contrôle et les modèles de dépannage ci-dessus pour réduire les boucles d'itération et protéger le rendement à mesure que les volumes augmentent.
Si vous n'êtes pas sûr d'une contrainte, validez-la avec une petite version pilote avant de verrouiller la version de production.