Teardrops et ancrage de pads sur Flex PCB : règles, cas d’usage et checklist

La fiabilité en électronique flexible concerne rarement le matériau du substrat lui-même ; elle concerne presque toujours les connexions. Lorsqu'un circuit flexible tombe en panne, cela se produit généralement là où un élément rigide rencontre un élément flexible — spécifiquement à la jonction entre une piste de cuivre et un plot de soudure. La mise en œuvre des meilleures pratiques pour les larmes de soudure et l'ancrage des plots dans les PCB flexibles est la stratégie d'ingénierie la plus efficace pour prévenir les pistes fissurées, les plots décollés et les défaillances intermittentes lors de la flexion dynamique ou du stress thermique. Contrairement aux cartes rigides, où l'adhérence au FR4 est forte, le cuivre sur le Polyimide (PI) est sujet au décollement, rendant ces renforts mécaniques obligatoires plutôt qu'optionnels.

Meilleures pratiques pour les larmes de soudure et l'ancrage des plots dans les PCB flexibles : ce que couvre ce guide (et à qui il s'adresse)

Ce guide est conçu pour les Responsables d'Ingénierie, les Concepteurs de PCB et les Responsables des Achats qui doivent faire passer une conception flexible du prototype à la production de masse sans subir de pertes de rendement dues au stress mécanique. Alors que de nombreux concepteurs considèrent les "teardrops" (larmes) comme une réflexion après coup de fabrication pour améliorer l'enregistrement du perçage, dans le monde des circuits flexibles, ce sont des éléments structurels critiques. Ce guide va au-delà des définitions de base pour fournir un cadre prêt pour l'approvisionnement. Nous aborderons comment spécifier la géométrie pour prévenir les concentrateurs de contraintes, comment valider les capacités des fournisseurs concernant l'enregistrement du coverlay, et comment auditer un fabricant de PCB flexibles comme APTPCB (APTPCB PCB Factory) pour s'assurer que ces caractéristiques sont fabriquées correctement.

Vous trouverez des spécifications exploitables pour les éperons de pastille (ancrages), les ratios de teardrop et les exigences de chevauchement du coverlay. Nous fournissons également un cadre d'évaluation des risques pour identifier où votre conception actuelle pourrait être vulnérable au décollement des pastilles ou à la fissuration des pistes, garantissant que votre produit survive à la fois au processus d'assemblage et à la flexion en utilisation finale.

Quand les meilleures pratiques de teardrop et d'ancrage de pastille pour PCB flexibles sont la bonne approche (et quand elles ne le sont pas)

S'appuyant sur la portée définie ci-dessus, il est vital de reconnaître que le renforcement mécanique est nécessaire pour presque tous les circuits flexibles, mais l'intensité de l'application dicte la rigueur des règles de conception.

Les meilleures pratiques de teardrop et d'ancrage de pastille pour PCB flexibles sont l'approche absolument juste lorsque :

Flexion dynamique requise : Si le PCB connecte une pièce mobile (par exemple, une tête d'impression, une charnière ou un appareil portable), le stress s'accumule à l'interface piste-pastille. Sans larmes, la transition est abrupte, créant un point de rupture.
Soudure manuelle prévue : La soudure manuelle applique une chaleur localisée et une pression mécanique. Les adhésifs en polyimide ramollissent aux températures de soudure, ce qui rend les pastilles faciles à soulever. Les ancrages (éperons) piègent physiquement la pastille sous la couche de protection pour empêcher le soulèvement.
Petits anneaux annulaires utilisés : Dans les conceptions à haute densité, le trou de perçage laisse très peu de cuivre sur la pastille. Les larmes fournissent une surface de cuivre supplémentaire pour assurer une connexion robuste même si le perçage est légèrement décentré.
Réparabilité des composants nécessaire : Si vous prévoyez de retravailler des composants, les pastilles ancrées sont essentielles pour garantir que les pastilles ne se décollent pas du substrat pendant le dessoudage.

Quand cela pourrait être excessif (mais reste recommandé) :

Applications statiques "Flex-to-Install" : Si le flexible est plié une fois pendant l'assemblage et ne bouge plus jamais, et que les composants sont assemblés à la machine (SMT), vous pourriez vous en sortir avec des larmes standard IPC Classe 2. Cependant, l'ancrage des pastilles reste critique même ici pour survivre au four de refusion.
Sections rigides des cartes rigido-flexibles : Dans les sections rigides d'une carte rigido-flexible, les règles de conception rigide standard s'appliquent. Les règles d'ancrage strictes discutées ici s'appliquent spécifiquement aux couches flexibles et aux zones de transition.

Exigences à définir avant de demander un devis

Pour garantir que votre fournisseur livre un produit robuste, vous ne pouvez pas vous fier aux paramètres par défaut. Vous devez définir explicitement les paramètres des meilleures pratiques de larmes (teardrop) et d'ancrage des pastilles pour PCB flexibles dans vos notes de fabrication.

Géométrie des larmes (Teardrop): Spécifiez que les larmes doivent être raccordées (courbes) plutôt que coniques en ligne droite pour distribuer uniformément les contraintes.
Rapport de taille des larmes (Teardrop): Définissez la largeur de la larme comme étant au moins 1,2x à 1,5x la largeur de la piste au point de jonction.
Ancrage des pastilles (Éperons/Oreilles de lapin): Exigez des "éperons" ou des "languettes" sur toutes les pastilles non connectées ou les pastilles connectées à des pistes fines. Ce sont des extensions de cuivre qui passent sous le coverlay.
Dimensions des ancrages: Spécifiez la longueur des ancrages (généralement de 0,15 mm à 0,25 mm) et assurez-vous qu'ils sont recouverts par le coverlay d'au moins 0,10 mm.
Enregistrement de l'ouverture du coverlay: Définissez une tolérance pour les ouvertures du coverlay (par exemple, ±0,05 mm ou ±0,075 mm) pour garantir que le coverlay chevauche réellement les ancrages et les larmes comme prévu.
Interface piste-pastille: Exigez une transition progressive. L'angle entre la piste et l'entrée de la pastille doit être maximisé ; évitez les entrées à 90 degrés sans grands raccords.
Type de cuivre: Spécifiez du cuivre recuit laminé (RA) pour les applications flexibles dynamiques, car sa structure granulaire résiste mieux à la fissuration que le cuivre électrodéposé (ED).
Chevauchement du placage : Assurez-vous que la finition de surface (ENIG, Argent d'immersion) couvre la zone du pad exposée mais n'a pas nécessairement besoin de s'étendre sous le coverlay, bien que le cuivre doive le faire.
Tolérance de débordement de perçage : Indiquez explicitement "Aucun débordement de perçage autorisé à la jonction de la piste" (exigence de Classe 3) si une fiabilité élevée est nécessaire.
Type d'adhésif : Si vous utilisez un coverlay à base d'adhésif, spécifiez un adhésif acrylique ou époxy haute performance qui maintient la force d'adhérence aux températures de soudure.
Intégration du raidisseur : Si des raidisseurs sont utilisés près des pads, définissez la distance entre le bord du raidisseur et l'ancrage du pad pour éviter les points de concentration de contraintes.
Norme IPC : Référencez IPC-2223 (Norme de conception sectionnelle pour les cartes de circuits imprimés flexibles) Classe 2 ou Classe 3 pour les critères d'acceptation concernant les larmes (teardrops) et les anneaux annulaires.

Les risques cachés qui freinent la montée en puissance

Même avec de bonnes spécifications, les variables de fabrication peuvent compromettre les meilleures pratiques d'ancrage des pads et des larmes de PCB flexibles. Comprendre ces risques vous aide à détecter les problèmes avant qu'ils ne deviennent des défaillances sur le terrain.

Risque : Désalignement du Coverlay exposant les ancrages
- Pourquoi cela arrive : Les matériaux flexibles se rétractent et s'étirent pendant le traitement. Si le coverlay se déplace, l'"ancrage" censé être piégé sous le polyimide pourrait être exposé dans l'ouverture du masque de soudure.
- Détection : L'inspection visuelle montre que l'"éperon" est visible et plaqué.
Prévention : Augmenter la longueur de l'ancrage ou améliorer les exigences de tolérance d'enregistrement de la couche de recouvrement.
Risque : "Piège à acide" dans les larmes aiguës
- Pourquoi cela se produit : Si les larmes sont conçues avec des angles aigus (crevasses vives), la chimie de gravure peut rester piégée, corrodant lentement le cuivre au fil du temps.
- Détection : Tests de fiabilité à long terme ou analyse SEM.
- Prévention : S'assurer que toutes les larmes utilisent des congés lisses et arrondis plutôt que des formes triangulaires aiguës.
Risque : Concentration de contraintes aux points d'ancrage
- Pourquoi cela se produit : Si l'ancrage est trop grand ou trop rigide par rapport à la zone flexible environnante, il peut créer un point rigide localisé où la piste se fissure après l'ancrage.
- Détection : Les tests de flexion dynamique révèlent des fissures immédiatement adjacentes à la pastille.
- Prévention : Utiliser des ancrages arrondis et s'assurer que les directives de routage des pistes de PCB flexibles pour la flexion dynamique sont suivies (par exemple, pistes courbes).
Risque : Décollement de la pastille pendant la retouche
- Pourquoi cela se produit : Malgré les ancrages, une chaleur excessive rompt la liaison adhésive.
- Détection : Les pastilles se décollent lors du remplacement manuel des composants.
- Prévention : Utiliser des ancrages plus grands (en forme de T) et former les techniciens aux profils thermiques appropriés pour la retouche flexible.
Risque : Éclatement de perçage sectionnant la larme
- Pourquoi cela se produit : Le perçage mécanique sur les flexibles a une précision inférieure à celle sur les cartes rigides en raison du mouvement du matériau.
Détection: La coupe transversale montre que le trou coupe la jonction piste/teardrop.
Prévention: Utiliser le perçage laser pour une tolérance plus serrée ou augmenter significativement la taille de l'anneau annulaire.
Risque: Placement Incompatible du Renfort
- Pourquoi cela arrive: Un bord du renfort se termine exactement à la jonction pad/teardrop, créant un point de pivot.
- Détection: Des fissures apparaissent exactement sur la ligne du bord du renfort.
- Prévention: Examiner comment concevoir un renfort pour PCB flexible; s'assurer que les renforts chevauchent la zone du pad ou se terminent bien avant la jonction de la piste.
Risque: Débordement d'adhésif du Coverlay
- Pourquoi cela arrive: Pendant la lamination, l'adhésif s'écoule sur la plage du pad, réduisant la surface soudable.
- Détection: Mauvaise mouillabilité de la soudure ou défauts de "saut".
- Prévention: Ajuster la pression de lamination/le barrage ou utiliser l'Imagerie Directe par Laser (LDI) pour le masque de soudure au lieu du coverlay pour les pas fins.
Risque: Épaisseur de Cuivre Insuffisante dans les Trous
- Pourquoi cela arrive: La solution de placage ne circule pas bien dans les petits vias sur flexible.
- Détection: Circuits ouverts après cyclage thermique.
- Prévention: Spécifier l'épaisseur minimale de cuivre de la paroi du trou (par exemple, 20 µm ou 25 µm).

Plan de validation (ce qu'il faut tester, quand et ce que signifie «réussi»)

Pour confirmer que vos meilleures pratiques d'ancrage de teardrop et de pad pour PCB flexibles sont efficaces, vous devez mettre en œuvre un plan de validation qui va au-delà des tests électriques standard.

Objectif: Vérifier l'adhérence du pad (Résistance au décollement)
- Méthode: Test de résistance au décollement IPC-TM-650 2.4.8 sur des coupons d'essai.
- Critères d'acceptation: Résistance minimale au décollement atteinte (par exemple, 0,7 N/mm) après contrainte thermique.
Objectif: Vérifier l'intégrité de la goutte d'eau (teardrop)
- Méthode: Microsectionnement (coupe transversale) des vias et des pads.
- Critères d'acceptation: Aucune rupture à la jonction trace-pad; le congé en goutte d'eau est entièrement intact; au moins 90° de la circonférence du trou présente un anneau annulaire.
Objectif: Vérifier l'efficacité de l'ancrage
- Méthode: Test de flottement dans la soudure (IPC-TM-650 2.6.8). Faire flotter l'échantillon dans de la soudure fondue (288°C) pendant 10 secondes.
- Critères d'acceptation: Aucun soulèvement du pad, aucune formation de cloques ou de délaminage du coverlay autour des ancrages.
Objectif: Vérifier la fiabilité dynamique
- Méthode: Test d'endurance au pliage MIT ou fatigue en flexion IPC-TM-650 2.4.3.
- Critères d'acceptation: Changement de résistance <10% après X cycles (par exemple, 10 000 cycles) au rayon de courbure spécifié.
Objectif: Vérifier l'enregistrement du coverlay
- Méthode: Mesure optique (AOI ou comparateur).
- Critères d'acceptation: Le coverlay chevauche l'ancrage d'au moins 0,05 mm (ou valeur spécifiée) et n'empiète pas sur la plage soudable.
Objectif: Vérifier la retravaillabilité
- Méthode: Simuler le remplacement d'un composant (cycle de soudure/dessoudure 3 fois).
- Critères d'acceptation: Les pads restent attachés; aucun soulèvement de l'ancrage du substrat.
Objectif : Vérifier la conformité du routage des pistes
- Méthode : Vérification des règles de conception (DRC) et inspection visuelle.
- Critères d'acceptation : Les pistes entrent dans les pastilles perpendiculairement ou avec de grands congés ; pas d'angles aigus.
Objectif : Vérifier la qualité du placage
- Méthode : Fluorescence X (XRF) pour l'épaisseur de la finition de surface.
- Critères d'acceptation : Épaisseur ENIG/Argent par immersion conforme aux spécifications pour assurer la soudabilité.

Liste de contrôle du fournisseur (RFQ + questions d'audit)

Utilisez cette liste de contrôle lors de l'engagement d'un fournisseur comme APTPCB pour vous assurer qu'il peut appliquer les meilleures pratiques en matière de larmes de raccordement et d'ancrage des pastilles pour les PCB flexibles.

Contributions RFQ (Ce que vous envoyez)

Fichiers Gerber avec larmes de raccordement déjà générées (préféré) ou instructions pour l'ingénieur CAM afin de les ajouter.
Dessin spécifiant "Toutes les pastilles non connectées doivent avoir des éperons d'ancrage."
Diagramme d'empilement spécifiant l'épaisseur du PI, le poids du cuivre et le type d'adhésif.
Exigence pour "Chevauchement du coverlay sur les ancrages des pastilles : Min 0,10 mm."
Référence à IPC-2223 Classe 2 ou 3.
Règles de rayon de courbure des PCB flexibles pour l'application spécifique (statique vs. dynamique).
Exigences de finition de surface (ENIG est préféré pour la planéité).
Emplacements et matériaux des raidisseurs (FR4, PI, SS).

Preuve de capacité (Ce qu'ils doivent montrer)

Quel est votre anneau annulaire minimum pour les circuits flexibles ? (Cible : 4-6 mil pour le perçage mécanique).
Pouvez-vous effectuer l'imagerie directe laser (LDI) pour l'alignement du coverlay/masque ?
Disposez-vous d'un logiciel automatisé de génération de "teardrops" (par exemple, Genesis/InCAM) ?
Quelle est votre tolérance d'enregistrement pour le poinçonnage du coverlay par rapport à la découpe laser ?
Pouvez-vous gérer le routage de traces "arrondies" (filleted) dans votre processus CAM ?
Proposez-vous du cuivre RA (recuit laminé) comme option standard ?

Système Qualité & Traçabilité

Effectuez-vous des microsections sur chaque panneau de production ?
Comment inspectez-vous le désalignement du coverlay (AOI ou manuel) ?
Pouvez-vous fournir un rapport d'Inspection du Premier Article (FAI) montrant les dimensions des ancrages ?
Avez-vous un laboratoire interne d'essai de flexion ?
Êtes-vous certifié ISO 9001 et UL pour les PCB flexibles ?
Comment suivez-vous les lots de matériaux (PI/Adhésif) jusqu'aux lots finis ?

Contrôle des Modifications & Livraison

Nous informerez-vous si vous modifiez le processus de lamination du coverlay ?
Pouvez-vous fournir un rapport DFM soulignant les "teardrops manquants" avant la production ?
Quel est le délai standard pour les prototypes avec ancrage complexe ?
Avez-vous une procédure pour gérer les dérogations de "rupture" (breakout) ?
Comment les panneaux sont-ils emballés pour éviter les dommages dus à la flexion pendant l'expédition ?
Archivez-vous les données CAM pour les révisions futures ?

Guide de décision (compromis que vous pouvez réellement choisir)

La mise en œuvre des meilleures pratiques pour les "teardrops" et l'ancrage des pastilles de PCB flexibles implique des compromis entre fiabilité, densité et coût.

Taille du Teardrop vs. Densité de Routage :
Si vous privilégiez la fiabilité : Utilisez de grandes larmes de style "bonhomme de neige".
Si vous privilégiez la densité : Utilisez des larmes plus petites, avec congé, mais passez au perçage laser pour améliorer la précision d'enregistrement.
Compromis : Le perçage laser est plus coûteux mais permet des pastilles de capture plus petites.
Coverlay vs. Masque de soudure flexible :
- Si vous privilégiez la résistance mécanique : Choisissez le Coverlay en Polyimide. Il est plus résistant et maintient mieux les ancrages.
- Si vous privilégiez le pas fin : Choisissez le Masque de soudure flexible photoimageable (LPI). Il permet des barrages plus serrés mais offre une force de maintien mécanique moindre pour les pastilles.
- Compromis : Coverlay vs masque de soudure sur PCB flexible est un débat classique ; le coverlay est meilleur pour les flex dynamiques, le masque est meilleur pour les SMT denses.
Forme de l'ancrage (en T vs. arrondie) :
- Si vous privilégiez l'adhérence maximale : Utilisez des ancrages "T-Bone" ou "Oreille de lapin" (larges languettes).
- Si vous privilégiez l'intégrité du signal/l'espace : Utilisez de simples allongements arrondis.
- Compromis : Les ancrages en T-Bone occupent plus d'espace de routage et peuvent réduire le dégagement par rapport aux pistes voisines.
Larmes manuelles vs. ajoutées par le fournisseur :
- Si vous privilégiez le contrôle : Ajoutez les larmes dans votre outil de CAO. Vous voyez exactement ce que vous obtenez.
- Si vous privilégiez la rapidité : Laissez le fournisseur les ajouter pendant le CAM.
- Compromis : Les algorithmes du fournisseur sont bons, mais ils pourraient violer vos règles d'espacement spécifiques s'ils ne sont pas vérifiés.
Placement du raidisseur :
Si vous privilégiez la fiabilité du connecteur : Placez des raidisseurs sous la zone du connecteur.
Si vous privilégiez la flexibilité : Minimisez l'utilisation de raidisseurs.
Compromis : Les raidisseurs protègent les pastilles mais créent un point de concentration de contrainte à leur bord.

FAQ

Q: Puis-je utiliser des "teardrops" standard de PCB rigides sur des PCB flexibles ? R: Oui, mais ils sont souvent insuffisants. Les "teardrops" pour PCB flexibles doivent être plus grands et plus courbés (arrondis) pour gérer les contraintes uniques de la flexion et la moindre adhérence du cuivre au polyimide.

Q: Les vias ont-ils besoin d'ancrages s'ils sont métallisés ? R: Oui. Bien que le barillet de placage offre une certaine résistance mécanique, la pastille de surface peut toujours se soulever ou se fissurer au niveau du "genou". Les ancrages offrent une sécurité, en particulier pour les vias situés dans des zones dynamiques.

Q: Quel est le meilleur chevauchement de coverlay pour les ancrages ? R: Un chevauchement minimum de 0,10 mm (4 mil) est recommandé pour piéger solidement l'ancrage. Moins que cela risque de faire glisser l'ancrage si le coverlay se déplace pendant la stratification.

Q: APTPCB vérifie-t-il l'absence de "teardrops" pendant le DFM ? R: Oui, un fabricant de PCB flexibles compétent signalera les "teardrops" manquants ou les angles de trace aigus comme un risque de fiabilité lors de l'examen d'ingénierie de pré-production.

Q: Comment concevoir des ancrages pour les pastilles BGA à pas fin sur des PCB flexibles ? R: Pour les BGA, il n'y a souvent pas de place pour des ancrages externes. Dans ce cas, utilisez des pastilles "solder mask defined" (SMD) où le coverlay chevauche le bord de la pastille, ou utilisez des vias remplis de résine dans les pastilles pour ancrer la structure. Q: Quelle est la différence entre le "filleting" et le "teardropping" ? R: Ils sont similaires. Le "teardropping" fait généralement référence à la jonction pad-trace. Le "filleting" fait référence à l'arrondissement de n'importe quel coin dans le routage des traces. Les deux sont essentiels pour les directives de routage des traces de PCB flexibles pour la flexion dynamique.

Q: Puis-je utiliser le "hachurage croisé" sur les plans de masse pour faciliter l'ancrage ? R: Le hachurage croisé contribue à la flexibilité et à l'adhérence des grandes surfaces de cuivre, mais il ne remplace pas la nécessité d'ancrages spécifiques sur les pastilles de composants individuels.

Q: Pourquoi le cuivre RA est-il meilleur pour l'ancrage ? R: Le cuivre recuit laminé (RA) a une structure de grain horizontale qui est plus ductile. Il s'étire légèrement avant de se fissurer, tandis que le cuivre ED est cassant et peut se fracturer au point d'ancrage sous contrainte.

Pages et outils associés

Capacités de PCB Flexibles – Passez en revue les limites de fabrication spécifiques pour la largeur des traces, l'espacement et les tailles de perçage afin de vous assurer que vos "teardrops" s'adaptent.
PCB Rigide-Flexible – Comprenez comment les exigences d'ancrage diffèrent dans la zone de transition entre les couches rigides et flexibles.
Directives DFM – Accédez à des règles de conception détaillées pour prévenir les erreurs de routage courantes avant de soumettre vos fichiers.
Système qualité PCB – Découvrez les processus d'inspection (AOI, microsection) utilisés pour valider l'intégrité des teardrops et des ancrages.
Obtenir un devis – Soumettez vos fichiers Gerber pour une revue DFM complète afin de vérifier si votre stratégie d'ancrage est prête pour la production.

Conclusion

Maîtriser les meilleures pratiques d'ancrage des teardrops et des pastilles de PCB flexibles fait la différence entre un prototype qui fonctionne sur l'établi et un produit qui survit sur le terrain. En traitant les teardrops et les ancrages comme des caractéristiques mécaniques critiques plutôt que de simples aides à la fabrication, vous protégez votre conception contre les faiblesses inhérentes aux matériaux flexibles.

Les points clés à retenir sont :

Spécifier la géométrie : Ne laissez pas la taille du teardrop au hasard ; définissez les rapports et les rayons de congé.
Ancrer tout : Utilisez des éperons/languettes sur toutes les pastilles non connectées ou à trace unique.
Valider le processus : Assurez-vous que votre fournisseur peut respecter les tolérances d'enregistrement du coverlay pour maintenir les ancrages en place.
Auditer le fournisseur : Utilisez la liste de contrôle pour vérifier qu'APTPCB ou votre partenaire choisi dispose des boucles d'inspection nécessaires.

Prêt à valider votre conception flexible ? Envoyez vos fichiers Gerber, les détails de l'empilement et une note faisant référence à "IPC-2223 Class 3 Anchoring" à APTPCB. Notre équipe d'ingénieurs effectuera une revue DFM complète pour optimiser vos teardrops et ancrages en vue d'un rendement de production de masse.