Routage et ancrages des pistes flexibles : Règles de conception, spécifications et guide de fiabilité

La fiabilité des circuits électroniques flexibles dépend entièrement de la manière dont le cuivre résiste aux contraintes mécaniques. Contrairement aux cartes rigides, où la connectivité électrique est la principale préoccupation, les circuits flexibles doivent maintenir leur intégrité lors de la flexion, de la torsion et des vibrations. Les deux facteurs les plus critiques pour prévenir les défaillances sont le routage des pistes flexibles et les ancrages.

Un routage médiocre entraîne des conducteurs fissurés dans la zone de flexion, tandis que des ancrages insuffisants provoquent le décollement des pastilles du substrat souple en polyimide pendant le brasage. APTPCB (APTPCB PCB Factory) est spécialisé dans l'optimisation de ces caractéristiques pour les applications à haute fiabilité, garantissant que votre conception survit à la fois à l'assemblage et à une utilisation dynamique à long terme. Ce guide couvre les spécifications essentielles, les règles et les méthodes de dépannage pour une conception robuste de circuits flexibles.

Routage des pistes flexibles et ancrages : réponse rapide (30 secondes)

Si vous concevez un PCB flexible ou rigide-flexible, respectez immédiatement ces principes fondamentaux pour éviter une défaillance catastrophique :

Utilisez toujours un routage courbé : Évitez les coins à 45° ou 90° dans les zones flexibles. Utilisez des arcs (coins arrondis) pour répartir uniformément les contraintes.
Ancrez chaque pastille : Le polyimide a une adhérence inférieure à celle du FR4. Ajoutez des "éperons", des "attaches" ou des "oreilles de lapin" (extensions de cuivre) à toutes les pastilles pour les verrouiller mécaniquement sous la couche de protection (coverlay).
Routez perpendiculairement aux courbures : Les pistes doivent traverser la ligne de courbure à un angle de 90°. Un routage angulaire crée une torsion et une fatigue rapide.
Décaler les pistes (Pas de poutres en I) : Ne pas empiler les pistes les unes sur les autres sur des couches adjacentes. Décalez-les pour maintenir la flexibilité et éviter l'effet de rigidité des "poutres en I".
Utiliser des plans de masse hachurés : Les plans de cuivre solides réduisent la flexibilité et risquent de se fissurer. Utilisez un motif hachuré (généralement à 45°) pour améliorer l'élasticité.
Valider le rayon de courbure : Assurez-vous que le rapport entre le rayon de courbure et l'épaisseur du circuit dépasse 10:1 pour les courbures statiques et 20:1 à 100:1 pour les applications dynamiques.

Quand le routage des pistes flexibles et les ancrages s'appliquent (et quand ils ne s'appliquent pas)

Comprendre quand appliquer des règles de conception flexibles strictes permet d'économiser du temps et des coûts de fabrication. Toutes les cartes flexibles ne nécessitent pas de techniques de routage dynamique.

Une application stricte est requise lorsque :

Flexion dynamique : L'appareil implique une charnière, un mécanisme coulissant ou un mouvement répété (par exemple, têtes d'imprimante, téléphones à clapet).
Assemblage de composants sur Flex : La chaleur de soudure affaiblit la liaison cuivre-polyimide. Les ancrages sont obligatoires pour empêcher les pastilles de se soulever pendant le refusion ou la reprise.
Vibrations élevées : Environnements aérospatiaux ou automobiles où des micro-mouvements constants peuvent fatiguer les pistes standard.
Rayons de courbure serrés : Conceptions nécessitant un pliage dans des boîtiers compacts (installation statique) où les concentrations de contraintes sont élevées.
Micro-interconnexions : Applications telles que les micro-interconnexions et les flexibles dans les implants où la réparation est impossible et la fiabilité est primordiale.

Les règles rigides standard peuvent suffire lorsque :

Sections entièrement rigides : Dans un PCB rigide-flexible, les couches rigides de FR4 n'ont pas besoin d'ancrages spécifiques au flexible ou de routage incurvé, bien que les larmes soient toujours recommandées.
Pliage unique (installation sur mesure) avec grand rayon : Si le rayon de courbure est extrêmement généreux (>50x l'épaisseur) et qu'aucune contrainte n'est appliquée après l'installation, un routage standard pourrait survivre, mais un routage incurvé est toujours plus sûr.
Zones supportées par un raidisseur : Si une région flexible est entièrement supportée par un raidisseur rigide (FR4 ou acier) et ne se pliera jamais, elle agit comme une carte rigide.

Règles et spécifications de routage et d'ancrage des pistes flexibles (paramètres clés et limites)

Le tableau suivant présente les paramètres de conception critiques pour le routage et les ancrages des pistes flexibles. Ignorer ces valeurs est la principale cause de rejet DFM et de défaillance sur le terrain.

Règle / Paramètre	Valeur / Plage recommandée	Pourquoi c'est important	Comment vérifier	Si ignoré (Mode de défaillance)
Style des coins de piste	Arcs arrondis (Rayon > Largeur de piste)	Les coins vifs concentrent le stress, entraînant une fissuration immédiate lors du pliage.	Inspection visuelle des fichiers Gerber ; DRC CAO.	Circuits ouverts aux coins ; fissures se propageant dans le cuivre.
Ancrage des pastilles (Éperons)	Extension de 0.1mm - 0.25mm	Fixe mécaniquement la pastille sous le vernis de protection pour éviter le soulèvement pendant la soudure.	Vérifier les définitions des pastilles dans le CAO ; vérifier le masque d'ouverture du vernis de protection.	Les pastilles se décollent (délaminent) pendant l'assemblage ou la réparation.
Angle de la piste par rapport à la courbure	90° (Perpendiculaire)	Les pistes parallèles ou à des angles obliques par rapport à la courbure subissent des forces de torsion.	Examiner la direction du routage par rapport à la ligne de courbure mécanique.	Fatigue des pistes ; séparation des couches ; fissuration de l'isolation.
Décalage des couches	Décalage min. de 0.2mm	Prévient l'"effet poutre en I" où le cuivre empilé augmente la rigidité et le stress.	Visualiser plusieurs couches simultanément dans les outils CAM.	Flexibilité réduite ; fracture du cuivre sur les couches externes.
Style du plan de masse	Hachures croisées (angle de 45°)	Le cuivre massif est trop rigide. Le hachurage permet au réseau de cuivre de se déformer sans se rompre.	Inspecter les paramètres du plan ; vérifier le pas et la largeur des hachures.	Section flexible rigide ; plissement ou fissuration du cuivre.
Teardrop / Congé	Requis sur tous les vias/pastilles	Lisse la transition de la piste à la pastille, réduisant les concentrateurs de contraintes.	Vérification DRC pour la génération de teardrop.	Fissures à la jonction piste-pastille.
Changement de largeur du conducteur	Effilement progressif (pente)	Les changements brusques de largeur créent des points faibles où le stress s'accumule.	Vérification visuelle des transitions de géométrie des pistes.	Fissuration au "col" de la piste.
Ouverture du Coverlay	0,1 mm plus grand que le pad (ou empiétant)	Détermine si l'ancrage est réellement couvert. Les ancrages doivent être sous le coverlay.	Comparaison masque de recouvrement vs. couche de cuivre.	Les ancrages ne fonctionnent pas ; les pads se soulèvent.
Rapport de rayon de courbure	>10:1 (Statique), >20:1 (Dynamique)	Définit la limite physique du matériau avant que la déformation plastique ne se produise.	Calculer en fonction de l'épaisseur de l'empilement et du dessin mécanique.	Écrouissage du cuivre ; fracture éventuelle.
Placement des vias	>1,0 mm de la zone de pliage	Les trous traversants métallisés sont rigides et se fissureront s'ils sont placés dans une zone flexible.	Zones d'exclusion DRC dans les zones de pliage.	Fissures de barillet ; connexions intermittentes ; vias cassés.
Position de l'axe neutre	Centre de l'empilement	Placer les conducteurs dans l'axe neutre minimise les forces de traction et de compression.	Consulter la documentation sur la conception de l'empilement de PCB rigide-flexible.	Durée de vie réduite dans les applications dynamiques.
Masque de soudure	Coverlay flexible (PI)	Le masque de soudure liquide photogravable (LPI) standard est cassant et se fissurera.	Spécifier « Coverlay » ou « LPI flexible » dans les notes de fabrication.	Fissuration du masque ; cuivre exposé ; courts-circuits.

Étapes de mise en œuvre du routage des pistes flexibles et des ancrages (points de contrôle du processus)

La mise en œuvre d'un routage de pistes flexibles et d'ancrages robuste nécessite une approche systématique pendant la phase de conception. Suivez ces étapes pour assurer la conformité DFM avec APTPCB.

Définir la zone de pliage mécanique

Action : Marquez l'emplacement exact et l'axe du pli sur une couche mécanique dans votre outil de CAO.
Paramètre : Gardez cette zone exempte de vias, de composants et de raidisseurs.
Vérification : Assurez-vous que la ligne de pliage est clairement identifiée pour le fabricant.

Configurer les règles de géométrie des pistes

Action : Configurez votre outil de CAO pour qu'il utilise par défaut les modes de coin "Arc" ou "Courbé" pour le routage. Désactivez les coins à 45° et 90°.
Paramètre : Le rayon de courbure minimal pour les pistes doit être de 2 à 3 fois la largeur de la piste.
Vérification : Exécutez un DRC pour trouver tout angle vif dans la région flexible.

Appliquer des ancrages et des larmes (teardrops)

Action : Ajoutez des éperons d'ancrage (tie-downs) à toutes les pastilles monocouches et des larmes à toutes les jonctions piste-pastille.
Paramètre : Les éperons doivent s'étendre d'au moins 0,15 mm (6 mils) au-delà du bord de la pastille.
Vérification : Vérifiez que l'ouverture du vernis de protection est plus petite que la combinaison pastille + éperon, afin que l'éperon reste couvert.

Router et décaler les couches de signal

Action : Routez les pistes perpendiculairement à la ligne de pliage. Si vous avez un flex double face, décalez les pistes supérieures et inférieures.
Paramètre : La distance de décalage doit être suffisante pour éviter les chevauchements (par exemple, largeur de piste + espacement).
Vérification : Inspectez visuellement l'évitement de l'effet "I-Beam" en vue 3D ou en vue 2D multicouche.

Concevoir le plan de masse

Action : Versez un polygone hachuré pour le plan de masse au lieu de cuivre solide.
Paramètre : Utilisez un motif de hachures à 45°. Valeurs typiques : 10 mil de trace / 20 mil d'espacement (selon les exigences d'impédance).
- Vérification : Assurez-vous que le hachurage est continu et connecté ; évitez les îlots isolés.

Vérifier les chevauchements du Coverlay et du renfort
- Action : Assurez-vous que le coverlay chevauche correctement l'interface de transition rigide-flexible.
- Paramètre : Le coverlay doit s'étendre dans la section rigide d'au moins 0,5 mm.
- Vérification : Examinez l'empilement pour éviter les "lignes de concentration de contraintes" où les renforts se terminent exactement là où le coverlay commence.
Examen DFM final
- Action : Exportez les Gerbers et effectuez une vérification finale des règles de rayon de courbure des PCB flexibles.
- Paramètre : Comparez avec les capacités minimales du fabricant.
- Vérification : Envoyez les données à APTPCB pour une demande d'ingénierie de pré-production.

Dépannage du routage des traces flexibles et des ancrages (modes de défaillance et corrections)

Même avec de bonnes intentions, les conceptions peuvent échouer. Voici comment diagnostiquer et corriger les problèmes courants liés au routage des traces flexibles et aux ancrages.

Symptôme 1 : Les pastilles se décollent de la carte lors du soudage manuel.

Cause première : Ancrages (éperons) manquants ou force d'adhérence insuffisante du polyimide.
Vérification : Regardez la carte nue. Les pastilles sont-elles de simples cercles/rectangles, ou ont-elles des "oreilles" ?
Correction : Révisez l'empreinte pour inclure des éperons d'ancrage.
Prévention : Utilisez toujours des ancrages sur les circuits flexibles, quelle que soit la taille de la pastille. Symptôme 2: Circuits ouverts intermittents après une flexion limitée.
Cause profonde: Écrouissage du cuivre dû à l'effet de poutre en I ou à des coins vifs.
Vérification: Radiographiez ou coupez en coupe transversale l'unité défectueuse. Recherchez des fissures dans les pistes de cuivre au point de pliage.
Correction: Décalez les pistes sur les couches adjacentes ; passez au cuivre recuit laminé (RA) au lieu du cuivre électrodéposé (ED).
Prévention: Calculez les limites de conception du cycle de vie de flexion dynamique avant la fabrication.

Symptôme 3: Fissures dans l'isolation (Coverlay) au niveau du pli.

Cause profonde: Le rayon de courbure est trop serré, ou la couche de recouvrement est trop épaisse.
Vérification: Mesurez le rayon de courbure dans l'assemblage réel.
Correction: Utilisez une couche de recouvrement plus fine (par exemple, 0,5 mil au lieu de 1 mil) ou réduisez l'épaisseur de l'adhésif.
Prévention: Respectez le rapport de rayon de courbure de 10:1 (statique) ou 20:1 (dynamique).

Symptôme 4: Discontinuité d'impédance dans la zone flexible.

Cause profonde: Hachures incohérentes du plan de masse ou changements de largeur de piste.
Vérification: Mesure TDR (réflectométrie dans le domaine temporel).
Correction: Ajustez la densité des hachures pour correspondre à la référence d'impédance du plan solide.
Prévention: Utilisez des calculateurs d'impédance spécialement conçus pour les structures flexibles hachurées.

Symptôme 5: Rupture des pistes à l'interface rigide-flexible.

Cause profonde: Concentration de contraintes là où le raidisseur rigide se termine.
Vérification: Inspectez la zone de transition. Y a-t-il un cordon d'époxy (décharge de traction) ?
Correction : Ajouter une perle de décharge de traction en époxy ; s'assurer que la couche de recouvrement pénètre dans la section rigide.
Prévention : Concevoir une transition progressive ou une stratégie de couche de recouvrement en "coupe bikini".

Symptôme 6 : Fissuration des vias dans la zone flexible.

Cause première : Vias placés dans la zone de pliage.
Vérification : Superposer la zone de pliage mécanique avec le fichier de perçage.
Correction : Déplacer tous les vias vers la section rigide ou une zone non-pliante du flex.
Prévention : Définir des zones d'exclusion strictes dans le CAO.

Comment choisir le routage des pistes flexibles et les ancrages (décisions de conception et compromis)

La conception pour les circuits flexibles implique des compromis entre les performances électriques, la durabilité mécanique et le coût.

1. Cuivre recuit laminé (RA) vs. Cuivre électrodéposé (ED)

Choix : Pour le routage des pistes flexibles et les ancrages dans les applications dynamiques, vous devez choisir le cuivre RA. La structure granulaire est horizontale, permettant un allongement supérieur.
Compromis : Le cuivre RA est légèrement plus cher et a des propriétés de gravure différentes de celles du cuivre ED. Le cuivre ED est acceptable pour les circuits flexibles statiques (installation uniquement) mais échouera en utilisation dynamique.

2. Ancrages vs. Larmes (Teardrops)

Choix : Vous avez besoin des deux.
Distinction : Les larmes réduisent le stress à l'interface piste-pastille (fiabilité électrique). Les ancrages (éperons) fixent la pastille au substrat (fiabilité mécanique).
Compromis : Les ancres prennent de la place. Dans les conceptions à haute densité (HDI), trouver de la place pour les ancres peut être difficile. Dans ces cas, utilisez des pastilles "définies par le masque de soudure" (définies par le coverlay) pour aider à maintenir la pastille, bien que les éperons soient supérieurs.

3. Plans de masse hachurés vs. pleins

Choix : Hachuré est standard pour la flexibilité. Plein est meilleur pour le blindage EMI et la faible résistance.
Compromis : Si vous utilisez du cuivre plein, la carte devient beaucoup plus rigide. Si vous avez besoin d'une grande flexibilité et d'un blindage solide, envisagez d'utiliser une couche d'encre argentée conductrice ou un film de blindage spécialisé au lieu d'un plan de cuivre.

4. Composants traversants vs. montés en surface sur flex

Choix : Le montage en surface est préféré.
Compromis : Les trous traversants dans le flex sont risqués car le placage dans le barillet peut se fissurer sous l'expansion de l'axe Z ou la flexion. Si vous devez utiliser des composants TH, assurez-vous qu'ils se trouvent dans une zone rigidifiée où le flex ne peut pas se plier.

FAQ sur le routage des pistes flexibles et les ancres (coût, délai, défauts courants, critères d'acceptation, fichiers DFM)

Q : L'ajout d'ancres et de routage incurvé augmente-t-il le coût du PCB ? R : Non. Ce sont des caractéristiques de conception gravées dans le cuivre. Elles ne nécessitent pas d'étapes de processus supplémentaires. Cependant, ne pas les inclure augmente le "coût de la mauvaise qualité" en raison des rebuts et des retouches.

Q : Quel est le délai standard pour les PCB flexibles avec un routage complexe ? A: Le délai standard est généralement de 8 à 12 jours ouvrables pour les prototypes. La conception complexe de l'empilement de PCB rigide-flexible ou les conceptions nécessitant un outillage spécial de recouvrement peuvent ajouter 2 à 4 jours.

Q: Comment spécifier les ancres dans mes fichiers Gerber ? A: Les ancres doivent être dessinées comme faisant partie de la couche de cuivre (GTL/GBL). Elles ne sont pas un fichier de perçage ou de masque séparé. Assurez-vous que votre masque de recouvrement (masque de soudure) est défini pour couvrir l'ancre, ne laissant exposée que la zone de soudure.

Q: Puis-je utiliser des routeurs automatiques pour le routage des pistes flexibles ? A: Généralement, non. Les routeurs automatiques ont du mal avec les pistes courbes et les règles flexibles spécifiques comme le "croisement perpendiculaire des lignes de pliage". Le routage manuel est fortement recommandé pour les sections flexibles.

Q: Quels sont les critères d'acceptation pour les pistes flexibles ? A: Selon IPC-6013, les pistes ne doivent pas présenter de fissures, de décollement ou de plissement après le nombre spécifié de cycles de flexion. L'inspection visuelle doit confirmer des arcs lisses et l'absence de coins vifs.

Q: En quoi les "micro-interconnexions et le flex dans les implants" diffèrent-ils du flex standard ? A: Les implants médicaux utilisent souvent des substrats ultra-minces et des pistes extrêmement fines. Les règles de routage sont plus strictes en ce qui concerne la propreté et la rugosité de surface, et les ancres sont critiques car les pastilles sont souvent microscopiques et sujettes au décollement.

Q: Quels fichiers APTPCB a-t-il besoin pour une révision DFM du routage flexible ? R: Nous avons besoin de fichiers Gerber (RS-274X), d'un dessin mécanique montrant la ligne de pliage et le rayon, et d'une définition d'empilement spécifiant les matériaux (cuivre RA, épaisseur PI, type de Coverlay).

Q: Pourquoi mon impédance est-elle incorrecte sur la section flexible ? R: Cela arrive souvent lorsque les concepteurs utilisent des calculs de plan solide pour un plan de masse hachuré. Le hachurage réduit la capacitance, augmentant l'impédance. Vous devez ajuster la largeur de la piste ou l'épaisseur du diélectrique pour compenser.

Q: Puis-je placer des vias dans la zone flexible s'il s'agit de microvias ? R: C'est risqué. Bien que les microvias soient plus robustes que les trous traversants, le placement de toute structure plaquée dans une zone de pliage dynamique est déconseillé. Gardez-les dans les zones rigides ou rigidifiées.

Q: Qu'est-ce que l'"axe neutre" et pourquoi devrais-je m'en soucier ? R: L'axe neutre est la couche de l'empilement qui ne subit aucune contrainte lors du pliage (ni compression ni tension). Placer vos conducteurs les plus critiques ici maximise leur durée de vie.

Ressources pour le routage des pistes flexibles et les ancrages (pages et outils connexes)

Capacités des PCB flexibles: Spécifications détaillées sur le nombre de couches, les matériaux et l'espacement/largeur minimale des pistes.
Conception de PCB Rigide-Flexible: Comment intégrer le routage flexible dans des assemblages rigide-flexible complexes.
Directives DFM: Listes de contrôle complètes pour le succès de la fabrication.
Calculateur d'impédance: Outils pour estimer la largeur des pistes pour les masses flexibles hachurées.

Glossaire du routage des pistes flexibles et des ancrages (termes clés)

Terme	Définition	Contexte
Éperon d'ancrage	Une extension de cuivre d'un pad utilisée pour le fixer mécaniquement au matériau de base.	Essentiel pour prévenir le décollement des pads sur le Polyimide.
Rayon de courbure	Le rayon minimum qu'un circuit flexible peut être plié sans dommage.	Spécification critique pour la conception du boîtier.
Coverlay	Un film de polyimide avec adhésif utilisé pour isoler les circuits flexibles (remplace le masque de soudure).	Doit chevaucher les ancrages pour les maintenir en place.
Flex dynamique	Une application où le circuit se plie de manière répétée pendant le fonctionnement.	Nécessite du cuivre RA et des règles de routage strictes.
Effet de poutre en I	Rigidité causée par l'empilement direct des pistes les unes sur les autres sur des couches adjacentes.	Doit être évité en décalant les pistes.
Axe neutre	Le plan au sein de l'empilement où la contrainte est nulle lors de la flexion.	Emplacement idéal pour les pistes de signal critiques.
Polyimide (PI)	Le matériau diélectrique flexible le plus courant.	Haute résistance à la chaleur mais adhérence du cuivre inférieure à celle du FR4.
Cuivre RA	Cuivre laminé recuit.	Possède une structure granulaire alignée pour la flexibilité ; préféré pour le flex dynamique.
Renfort	Une pièce de matériau rigide (FR4, PI, Acier) ajoutée pour supporter les composants.	Utilisé là où le flex ne doit pas se plier.
Forme de goutte	Un élargissement progressif de la piste lorsqu'elle entre dans un pad.	Réduit la concentration de contraintes à la jonction.
Ancrage	Un autre terme pour Éperon d'ancrage.	Prévient le délaminage.
Découpe bikini	Une méthode de découpe du coverlay pour l'empêcher de pénétrer dans la section rigide d'une carte rigide-flexible.	Empêche le soulèvement du coverlay pendant la stratification.

Demander un devis pour le routage des pistes flexibles et les ancrages

Prêt à valider votre conception ? APTPCB propose une revue DFM complète pour vérifier votre routage des pistes flexibles et vos ancrages par rapport aux contraintes de fabrication avant le début de la production.

Pour obtenir un devis précis et un rapport DFM, veuillez fournir :

Fichiers Gerber : Incluant toutes les couches de cuivre, les fichiers de perçage et le contour.
Dessin d'empilement : Spécifiant l'épaisseur du Polyimide, le type de cuivre (RA/ED) et les exigences du coverlay.
Dessin mécanique : Marquant clairement les lignes de pliage et le rayon de pliage.
Quantité : Volume de prototype ou de production de masse.

Obtenir un devis pour PCB Flex/Rigide-Flex – Nos ingénieurs examineront votre stratégie de routage et d'ancrage pour assurer une fiabilité maximale.

Conclusion : prochaines étapes pour le routage des pistes flexibles et les ancrages

Maîtriser le routage des pistes flexibles et les ancrages fait la différence entre un produit fiable et une défaillance sur le terrain. En utilisant des pistes courbes, en décalant les couches et en ancrant chaque pastille, vous assurez que vos circuits flexibles peuvent résister aux contraintes mécaniques de leur environnement. Que vous construisiez un simple câble flexible statique ou une charnière dynamique complexe, le respect de ces règles garantira l'intégrité de votre signal et votre durabilité mécanique.