Le guide ultime des circuits imprimés flexibles : types, conception et applications

Un circuit imprimé flexible (FPC ou flex PCB) est un type de circuit imprimé conçu pour être flexible, permettant d’être plié, courbé ou tordu. Un FPC intègre plusieurs circuits imprimés ainsi que des composants disposés sur un substrat flexible. Il est généralement fabriqué à partir d’un film en polyimide, garantissant une grande flexibilité et une excellente stabilité thermique. Grâce à leur conception miniaturisée, les FPC favorisent l’innovation et trouvent des applications dans les principaux secteurs de l’électronique, tels que la consommation, l’automobile, les dispositifs médicaux, les technologies portables, les télécommunications et l’aérospatiale.

Un circuit imprimé flexible occupe moins d’espace et offre une fiabilité accrue. Il peut être plié jusqu’à 360 degrés, la plupart étant conçus pour résister à 500 millions de cycles de flexion. Cette technologie est utilisée, sous une forme ou une autre, pour l’interconnexion des dispositifs électroniques depuis les années 1950. Elle constitue aujourd’hui l’une des technologies d’interconnexion les plus importantes pour la fabrication des produits électroniques les plus avancés.

Types de circuits imprimés flexibles :

1) PCB flexible simple face :

Le circuit imprimé flexible simple face est le plus basique parmi les types de flex PCBs. Il se compose d’une couche de substrat, d’une couche conductrice en cuivre, d’une couche de protection (overlay) et d’une sérigraphie.

Il ne possède qu’une seule couche de film flexible en polyimide ou en polymère, et la couche conductrice en cuivre n’est accessible que d’un seul côté du circuit imprimé. Par conséquent, l’autre côté peut être utilisé pour installer divers composants électroniques. Sa conception simple le rend adapté à de nombreuses applications et plus économique. C’est d’ailleurs la principale raison pour laquelle il s’agit du type de circuit flexible le plus couramment utilisé.

2) PCB flexible double face :

Contrairement au circuit flexible simple face, un circuit imprimé flexible double face permet la création de pistes conductrices sur les couches de cuivre supérieure et inférieure. Il est possible de relier chaque côté au moyen de trous métallisés (plated through-holes) placés à l’endroit souhaité. Ce type de conception permet également d’assurer des connexions électriques entre les couches.

L’un des avantages du circuit imprimé flexible double face est qu’il peut être utilisé dans des produits électroniques plus complexes afin d’offrir davantage de fonctionnalités. Les fabricants le trouvent particulièrement utile pour la fabrication de composants de tableau de bord, de systèmes d’éclairage et dans d’autres secteurs industriels.

3) PCB flexible multicouche :

Les circuits imprimés flexibles multicouches comportent plusieurs couches de cuivre reliées entre elles par des trous métallisés, de la même manière que sur les circuits double face. Ils comprennent un certain nombre de couches conductrices de cuivre et de couches diélectriques superposées.

L’un des avantages de l’utilisation d’un circuit imprimé flexible multicouche est la liberté de conception qu’il offre, tout en permettant d’intégrer plusieurs fonctions. Les fabricants l’utilisent pour les dispositifs présentant des exigences de conception complexes. Il est notamment employé pour la fabrication de composants de téléphones portables, de satellites, d’appareils photo et d’aides auditives.

Actuellement, les services de fabrication de JLCPCB permettent de concevoir jusqu’à des PCB flexibles à 2 couches, avec une grande précision et un contrôle qualité rigoureux.

Jusqu’à quel point peut-on plier un PCB ?

La question « Jusqu’à quel point peut-on plier un PCB ? » peut sembler simple, mais la réponse est plus complexe qu’il n’y paraît. Le pliage d’un circuit imprimé peut compromettre la solidité de la carte, les pistes en cuivre et les pastilles de soudure. Le rayon de courbure maximal d’un PCB dépend du matériau de conception et de l’épaisseur du circuit. Une épaisseur de 0,4 mm suffit pour plier un PCB à 90 degrés. Certains circuits peuvent être pliés jusqu’à 20 fois, mais il est recommandé de ne pas plier un PCB plus d’une seule fois. La formule permettant de déterminer l’angle de flexion maximal d’un PCB en fonction de l’épaisseur du substrat est donnée ci-dessous :

Par exemple, effectuer une courbure à 90 degrés augmente le risque d’endommager le circuit. Enfin, assurez-vous que le rayon de courbure ne dépasse pas un millimètre. Vous pouvez plier les PCB jusqu’à 180 degrés lorsqu’ils sont fabriqués avec un matériau flexible. Cependant, si vous dépassez les limites recommandées, vous risquez de détruire complètement votre carte de circuit imprimé.

Structure d’un circuit imprimé flexible :

Les trois types de PCB flexibles comprennent les circuits simple face, double face et multicouches. Les principaux éléments d’un PCB flexible simple face sont les suivants :

1) Film diélectrique du substrat : Il peut être considéré comme le matériau de base du circuit imprimé. Le matériau le plus courant est le polyimide (PI), reconnu pour sa résistance aux hautes températures.

2) Conducteurs électriques : Ils comprennent les pistes du circuit. Une feuille de cuivre est utilisée comme couche conductrice de surface dans la fabrication de circuits imprimés simple ou multicouche.

3) Finition protectrice : Elle est composée d’un film organique et d’un adhésif. Le rôle du film de protection est de préserver la partie conductrice du circuit flexible terminé.

4) Matériau adhésif : Il s’agit d’un film collant dont les types et les épaisseurs varient selon les besoins. Ce film est utilisé pour l’adhésion entre les couches et l’isolation dans les circuits multicouches.

Rôle du renfort (stiffener) dans la conception d’un PCB flexible :

Un renfort dans un circuit imprimé flexible (FPC) est une couche rigide, généralement fabriquée à partir de matériaux tels que le polyimide ou le FR4, ajoutée à des zones spécifiques du PCB flexible. Il fournit un soutien mécanique et un renforcement afin d’éviter les pliures ou torsions dans les zones sensibles, comme les zones de connecteurs ou les points de fixation. Les renforts améliorent la durabilité, augmentent la fiabilité dans les zones soumises à de fortes contraintes et aident à maintenir la forme globale du FPC dans ses sections critiques.

Conseils de conception pour les circuits imprimés flexibles :

1. Gardez à l’esprit le rayon de courbure maximal lorsque vous travaillez avec des FPC de différentes épaisseurs.

2. Dans les zones où le substrat ou le revêtement se plient, évitez les discontinuités.

3. Des renforts en forme de goutte (teardrops) peuvent être ajoutés pour rendre les trous métallisés plus stables et plus rigides.

4. Utilisez un renfort (stiffener) sous le circuit électronique principal du PCB.

5. Arrondissez et agrandissez légèrement les coins afin d’éviter toute déchirure dans les angles du PCB.

6. Autour des renforts, les marquages gravés sont autorisés, tandis que les marquages en sérigraphie ne le sont pas.

Pour plus d’informations sur la conception, consultez l’article complet consacré à une carte Arduino entièrement flexible.

Avantages du circuit imprimé flexible :

Les circuits imprimés flexibles offrent de nombreux avantages, ce qui explique pourquoi ils sont devenus un choix populaire parmi les fabricants de produits électroniques. Voici quelques avantages clés de l’utilisation des circuits flexibles dans vos composants électroniques :

Flexibilité : Ces types de circuits imprimés peuvent être facilement pliés et tordus. Ils peuvent ainsi être déplacés et déployés dans l’espace 3D, facilitant l’intégration du composant avec une connexion filaire efficace.

Légèreté : La taille et le poids des FPC sont inférieurs à ceux des circuits rigides, ce qui les rend adaptés aux produits à haute fiabilité et haute densité.

Durabilité : Les circuits flexibles peuvent être pliés jusqu’à 360 degrés. Ils résistent aux vibrations et aux chocs, améliorant ainsi les performances dans n’importe quelle application.

Stabilité thermique : Grâce à leur substrat plus fin et leur légèreté, ils dissipent facilement la chaleur. Les circuits flexibles peuvent résister à des températures élevées allant jusqu’à 400 °C.

Intégrité du signal : Ils offrent une résistance mécanique élevée et une grande résistance aux agents atmosphériques, tout en garantissant une meilleure immunité électromagnétique (EMI).

Inconvénients du circuit imprimé flexible :

Bien que les circuits imprimés flexibles présentent de nombreux avantages dans l’électronique moderne, certains aspects doivent être pris en considération :

● Le processus d’assemblage du PCB flexible est complexe.

● Il est difficile de réparer les défauts ou les pannes sur la carte.

● Il existe une forte probabilité de dommages lors de la manipulation.

● Le PCB flexible est plus coûteux que le circuit imprimé rigide traditionnel.

● Le PCB flexible est sensible aux rayures.

● Il nécessite des conditions de stockage appropriées, dans un plastique sans soufre.

Applications du circuit imprimé flexible :

Les circuits flexibles sont utilisés dans divers secteurs en raison de leur polyvalence, fiabilité et gain d’espace :

Électronique grand public : Les PCBs flexibles sont employés dans des conceptions compactes et légères pour connecter efficacement les composants. Utilisés dans les montres intelligentes, bracelets de fitness et autres technologies portables pour leur flexibilité et leur durabilité. Intégrés dans des unités mixtes numériques et analogiques compactes pour une connectivité haute performance.

Industrie automobile : Assurent une communication efficace entre les capteurs et les unités de commande des véhicules équipés de systèmes avancés d’aide à la conduite (ADAS). Fournissent des connexions fiables dans les systèmes de divertissement embarqués. Utilisés dans les phares à LED et l’éclairage intérieur pour leur conception compacte et leur flexibilité.

Dispositifs médicaux et de santé : Les connexions à haute densité des FPC aident à réduire la taille des appareils comme les IRM et les scanners CT. Offrent des connexions compactes et fiables dans des conceptions miniatures, notamment les aides auditives et les dispositifs portables de surveillance, assurant confort et flexibilité.

Applications industrielles : Fournissent flexibilité et durabilité aux bras robotiques et aux machines à pièces mobiles. Garantissent des connexions efficaces et compactes dans les systèmes automatisés contenant des capteurs et unités de contrôle industriels pour une performance fiable.

Pourquoi ne pas utiliser un PCB flexible tout le temps ?

Bien que les circuits imprimés flexibles offrent des avantages tels que la polyvalence de conception et l’économie d’espace, ils ne sont pas idéaux pour toutes les applications. Ils sont plus coûteux que les circuits rigides traditionnels, plus complexes à fabriquer et plus fragiles à manipuler. Les circuits flexibles ne sont pas nécessaires pour les conceptions simples qui ne nécessitent ni pliage ni flexion — les circuits rigides sont alors un choix plus économique et plus robuste. De plus, les circuits flexibles présentent parfois des limites en matière de puissance élevée et de stabilité mécanique.

Conclusion

Il ne fait aucun doute que les circuits imprimés flexibles sont devenus essentiels à la fabrication de produits plus performants et portables dans de nombreux secteurs. Les autres options conventionnelles ne peuvent rivaliser avec la flexibilité et la précision des circuits flexibles. Les composants utilisés dans l’aéronautique, les dispositifs médicaux, les voitures et même les appareils du quotidien dépendent des circuits imprimés flexibles pour être plus légers sans compromettre leurs capacités. À mesure que la technologie progresse et que les produits continuent d’innover, les PCBs flexibles resteront le choix privilégié pour la fabrication de circuits imprimés destinés aux produits de divers secteurs industriels.