Processus de production de PCB rigide-flexe multicouches: guide étape par étape et informations sur l'industrie

Les circuits imprimés rigides-flex multicouches représentent une innovation hybride en électronique, combinant la stabilité structurelle des circuits imprimés rigides avec la flexibilité des circuits flexibles. Cette conception unique permet aux appareils de se plier, de se replier ou de s'adapter à des espaces restreints, ce qui est essentiel pour les applications modernes telles que les smartphones pliables, les capteurs automobiles et les implants médicaux, tout en supportant des circuits denses et multicouches. Cependant, leur processus de production est beaucoup plus complexe que celui des circuits imprimés rigides ou uniquement flexibles traditionnels, nécessitant des matériaux spécialisés, une stratification de précision et une manipulation minutieuse des segments flexibles.

Ce guide démystifie le processus de production des circuits imprimés rigides-flex multicouches, de la sélection des matériaux aux tests finaux. Il comprend des étapes détaillées, des données comparatives par rapport à d'autres types de circuits imprimés et des meilleures pratiques essentielles pour garantir la fiabilité. Que vous soyez un ingénieur concevant pour la miniaturisation ou un fabricant augmentant la production, la compréhension de ce processus vous aidera à exploiter tout le potentiel de la technologie rigide-flex multicouche.

Que sont les circuits imprimés rigides-flex multicouches ?
Avant de plonger dans la production, il est essentiel de définir les circuits imprimés rigides-flex multicouches et leur valeur unique :

  1. Structure : Ils sont constitués de couches rigides alternées (généralement FR-4) et de couches flexibles (par exemple, polyimide), connectées via des vias plaqués pour former un seul circuit intégré.
  2. Avantage clé : Contrairement aux circuits imprimés rigides (forme fixe) ou aux circuits imprimés uniquement flexibles (nombre de couches limité), les conceptions rigides-flex multicouches prennent en charge 4 à 20 couches de circuits tout en permettant la flexion dans des zones spécifiques (par exemple, la charnière d'un téléphone pliable).
  3. Utilisations courantes : Électronique pliable, modules ADAS automobiles, appareils médicaux portables et capteurs aérospatiaux : applications où l'espace, le poids et la durabilité ne sont pas négociables.

Leur processus de production doit concilier deux besoins contradictoires : la précision requise pour les circuits multicouches et la flexibilité pour éviter d'endommager les couches flexibles pendant la fabrication.

Étape 1 : Sélection des matériaux – La base des circuits imprimés rigides-flex fiables
Le choix des matériaux est crucial pour les circuits imprimés rigides-flex multicouches, car chaque composant doit résister à la chaleur de la stratification, aux cycles de flexion et aux environnements d'utilisation finale. Vous trouverez ci-dessous une ventilation des matériaux essentiels et de leurs spécifications :

Considérations matérielles critiques
  1. Compatibilité flex-rigide : Les adhésifs doivent correspondre au CTE (coefficient de dilatation thermique) des substrats flexibles et rigides pour éviter le gauchissement pendant la stratification. Par exemple, les âmes flexibles en polyimide s'associent le mieux aux adhésifs époxy (CTE ~20 ppm/°C) pour minimiser les contraintes.
  2. Durabilité des couches flexibles : Utilisez du cuivre laminé recuit (RA) pour les traces flexibles : sa ductilité résiste à plus de 10 000 cycles de flexion, contre 1 000 à 2 000 cycles pour le cuivre électrodéposé (ED).
  3. Applications à haute température : Pour une utilisation automobile ou aérospatiale, sélectionnez des substrats flexibles en LCP (polymère à cristaux liquides), qui maintiennent la flexibilité à plus de 200 °C et résistent aux produits chimiques.

Étape 2 : Processus de production rigide-flex multicouche étape par étape
Le processus de production intègre la fabrication de circuits imprimés rigides (stratification, perçage) avec les techniques de circuits imprimés flexibles (manipulation de substrats délicats, éviter les plis). Vous trouverez ci-dessous une ventilation détaillée et séquentielle :

Phase 1 : Pré-production et préparation des matériaux
Avant la structuration des circuits, les matériaux sont préparés pour garantir l'uniformité et l'adhérence :

1. Préparation de l'âme flexible :
  a. Les substrats flexibles (par exemple, polyimide de 50 µm) sont nettoyés avec de l'alcool isopropylique pour éliminer les huiles et la poussière : contaminants qui provoquent une défaillance de l'adhésif.
Le cuivre laminé (cuivre RA de 12 à 35 µm) est laminé des deux côtés de l'âme flexible à l'aide de la chaleur (180 °C) et de la pression (300 psi), formant un « stratifié cuivré flexible (CCL) ».
2. Préparation de l'âme rigide :
  a. Les substrats rigides (par exemple, FR-4 de 1,6 mm) sont coupés à la taille du panneau (généralement 18 » x 24 ») et ébavurés pour éliminer les arêtes vives.
  b. La feuille de cuivre (cuivre ED de 35 à 70 µm) est collée à l'âme rigide par stratification thermique, créant la base des couches de circuits rigides.

Phase 2 : Structuration des circuits (couches flexibles et rigides)
La structuration crée des traces conductrices sur les couches flexibles et rigides, à l'aide de la photolithographie et de la gravure :

1. Application de la résine photosensible :
  a. Une résine photosensible (film liquide ou sec) est appliquée sur les stratifiés flexibles et rigides cuivrés. Pour les couches flexibles, une résine flexible est utilisée pour éviter les fissures lors de la manipulation.
2. Exposition et développement :
  a. La résine est exposée à la lumière UV à travers un photomask (avec le motif du circuit). La résine non exposée est éliminée par lavage avec une solution de révélateur, laissant les traces de cuivre à graver exposées.
3. Gravure :
  a. Couches flexibles : Immergées dans un agent de gravure doux (persulfate d'ammonium) pour éliminer le cuivre indésirable : le temps de gravure est réduit de 20 % par rapport aux couches rigides pour éviter d'endommager le substrat en polyimide.
  b. Couches rigides : Gravées avec du chlorure ferrique ou du chlorure cuivrique, standard pour le FR-4.
4. Décapage de la résine :
  a. La résine photosensible restante est décapée avec un solvant (par exemple, hydroxyde de sodium), révélant le motif de circuit final sur les couches flexibles et rigides.

Phase 3 : Stratification – Collage des couches flexibles et rigides
La stratification est l'étape la plus critique de la production rigide-flex, car elle doit coller les couches sans froisser les segments flexibles ni endommager les circuits :

1. Découpe de l'adhésif :
  a. Les feuilles adhésives (par exemple, à base d'époxy) sont découpées au laser pour correspondre à la taille du panneau, avec des ouvertures pour les vias et les zones flexibles (pour éviter de coller les segments flexibles aux couches rigides).
2. Empilage des couches :
  a. Les couches sont alignées à l'aide de repères fiduciaires (cercles de cuivre de 1 mm) pour garantir l'enregistrement des vias et des traces (tolérance ±0,02 mm). L'empilage suit généralement : Couche rigide → Adhésif → Couche flexible → Adhésif → Couche rigide.
3. Stratification contrôlée :
  a. L'empilement est pressé dans une stratifieuse sous vide à 160 à 180 °C et 400 à 500 psi pendant 30 à 60 minutes. Le vide élimine les bulles d'air, tandis que la pression progressive empêche le froissement de la couche flexible.
  b. Pour les conceptions à couches élevées (plus de 10 couches), la stratification séquentielle est utilisée : les couches sont ajoutées une par une, avec un durcissement intermédiaire pour maintenir l'alignement.

Phase 4 : Perçage – Création de vias pour la connectivité des couches
Les vias (trous reliant les couches) sont percés après la stratification, avec des techniques adaptées aux zones flexibles et rigides :

1. Planification du perçage :
  a. Les fichiers Gerber spécifient les emplacements des vias : trous traversants (connectent toutes les couches), vias borgnes (connectent les couches externes aux couches internes) et vias enterrés (connectent uniquement les couches internes). Les zones flexibles utilisent des vias plus petits (0,1 à 0,2 mm) pour éviter les fissures.
2. Méthodes de perçage :
  a. Perçage mécanique : Utilisé pour les couches rigides (diamètre des vias ≥0,2 mm) avec des forets en carbure (30 000 tr/min) pour garantir des trous propres.
  b. Perçage au laser : Utilisé pour les couches flexibles et les microvias (≤0,15 mm) avec des lasers UV : minimise les dommages thermiques aux substrats en polyimide.
3. Ébavurage et désencrassement :
  a. Couches flexibles : Le décapage au plasma élimine les bavures de résine des parois des vias (évite les courts-circuits) sans abraser le substrat délicat.
  b. Couches rigides : Le désencrassement chimique (à l'aide de permanganate de potassium) nettoie les parois des vias pour le placage.

Phase 5 : Placage – Garantir la connectivité électrique
Le placage recouvre les parois des vias de cuivre pour connecter les couches et ajoute des finitions de surface pour la soudabilité :

1. Placage de cuivre autocatalytique :
  a. Une fine couche de cuivre (0,5 à 1 µm) est déposée sur les parois des vias et les traces de circuit via une réaction chimique (pas d'électricité), créant une base pour l'électroplacage.
2. Électroplacage :
  a. Le panneau est immergé dans un bain de sulfate de cuivre, avec un courant électrique (2 à 4 A/dm²) augmentant l'épaisseur du cuivre à 15 à 25 µm : essentiel pour les connexions de vias à faible résistance. Les zones flexibles utilisent une densité de courant plus faible (1,5 à 2 A/dm²) pour éviter les fissures du cuivre.
3. Application de la finition de surface :
  a. ENIG (Or par immersion au nickel sans électricité) : Préféré pour les zones flexibles : la ductilité de l'or résiste à la flexion ; le nickel empêche la diffusion du cuivre.
  b. HASL (Nivellement à la soudure à l'air chaud) : Utilisé pour les zones rigides (rentable, bonne soudabilité).
  c. OSP (Conservateur de soudabilité organique) : Idéal pour l'électronique grand public à volume élevé (faible coût, surface plane).

Phase 6 : Masque de soudure et sérigraphie
Le masque de soudure protège les traces, tandis que la sérigraphie ajoute des étiquettes de composants : les deux doivent s'adapter aux zones flexibles :

1. Application du masque de soudure :
   a. Le masque de soudure en polyimide photostructurable liquide (LPI) est sérigraphié sur le panneau. Les zones flexibles utilisent une formulation de masque plus flexible (allongement ≥100 %) pour éviter les fissures lors de la flexion.
   b. L'exposition aux UV et le développement définissent les ouvertures pour les pastilles et les vias ; le masque est durci à 150 °C pendant 60 minutes.
2. Impression sérigraphique :
   a. L'encre à base de polyuréthane est imprimée sur les zones rigides (les zones flexibles évitent la sérigraphie, car l'encre se fissure lors de la flexion). La taille du texte est ≥0,8 mm x 0,4 mm pour la lisibilité, avec un dégagement de 0,1 mm des pastilles.

Phase 7 : Routage et singulation – Séparation des circuits imprimés individuels
Le routage coupe le panneau en circuits imprimés rigides-flex individuels, avec un soin particulier pour les segments flexibles :

1. Fixation du panneau :
  a. Le panneau est monté sur un cadre rigide pour stabiliser les zones flexibles pendant le routage, évitant ainsi les déchirures.
2. Routage CNC :
  a. Une défonceuse CNC avec une fraise en bout de 0,8 mm coupe autour du périmètre du circuit imprimé. Les zones flexibles sont routées avec une vitesse d'avance plus lente (50 mm/min contre 100 mm/min pour les zones rigides) pour éviter l'effilochage.
3. Singulation :
  a. Pour la production à volume élevé, le routage laser est utilisé pour les zones flexibles : crée des bords nets sans contrainte mécanique. Le rainurage en V est évité (il affaiblit les limites flex-rigides).

Phase 8 : Tests et contrôle qualité
Les circuits imprimés rigides-flex sont soumis à des tests rigoureux pour garantir la fiabilité électrique et mécanique :

Rigide-flex multicouche par rapport à d'autres types de circuits imprimés : une analyse comparative
Pour comprendre pourquoi le rigide-flex est choisi pour des applications spécifiques, comparez sa production et ses performances aux alternatives :

Défis de production critiques et solutions
La production rigide-flex multicouche est confrontée à des obstacles uniques : résolus par des techniques spécialisées :

1. Froissement des couches flexibles pendant la stratification
  a. Défi : Une pression inégale provoque le pliage des segments flexibles, endommageant les traces.
  b. Solution : Utilisez des stratifieuses sous vide avec des rampes de pression programmables (augmentation progressive de 100 à 500 psi) et des coussinets en silicone pour répartir uniformément la pression.
2. Uniformité du placage des vias dans les zones flexibles
  a. Défi : Les petits vias (≤0,15 mm) dans les couches flexibles souffrent d'un placage fin.
  b. Solution : Augmentez la température du bain de cuivre autocatalytique à 45 °C (contre 40 °C pour les zones rigides) et ajoutez des tensioactifs pour améliorer l'écoulement de la solution dans les petits vias.
3. Délaminage aux limites flex-rigides
  a. Défi : Défaillance de l'adhésif entre les couches flexibles et rigides en raison d'une inadéquation du CTE.
  b. Solution : Utilisez des adhésifs hybrides acrylique-époxy (CTE ~18 ppm/°C) et pré-durcissez les couches flexibles à 120 °C avant la stratification finale.
4. Fissuration des traces pendant la flexion
  a. Défi : Les traces de cuivre dans les zones flexibles se fissurent après des flexions répétées.
  b. Solution : Utilisez du cuivre RA (ductile) et concevez des angles de trace de 45 ° (et non 90 °) pour répartir les contraintes ; ajoutez des boucles de « détente des contraintes » dans les segments flexibles.

Avantages des circuits imprimés rigides-flex multicouches (générés par le processus de production)
Le processus de production spécialisé offre des avantages uniques par rapport aux circuits imprimés traditionnels :

  a. Gain de place : Intègre plusieurs circuits imprimés rigides en une seule conception, réduisant le nombre de connecteurs de 50 à 70 % (par exemple, la charnière d'un téléphone pliable utilise 1 circuit imprimé rigide-flex contre 3 circuits imprimés rigides séparés).
  b. Réduction du poids : 30 à 40 % plus léger que les circuits imprimés rigides équivalents, ce qui est essentiel pour l'aérospatiale et les appareils portables.
  c. Fiabilité accrue : Moins de connecteurs signifient moins de points de défaillance : les taux de défaillance sur le terrain sont inférieurs de 60 % à ceux des circuits imprimés rigides avec des connexions filaires, selon les données de l'IPC.
  d. Liberté de conception : Permet un emballage 3D (par exemple, enroulement autour d'un moteur) et des facteurs de forme pliables impossibles avec les circuits imprimés rigides.

Applications industrielles des circuits imprimés rigides-flex multicouches
Le processus de production est adapté pour répondre aux besoins des secteurs clés :
1. Électronique grand public
   a. Téléphones pliables (par exemple, Samsung Galaxy Z Fold) : Les circuits imprimés rigides-flex multicouches dans les charnières prennent en charge plus de 20 couches de circuits, permettant plus de 200 000 cycles de flexion.
   b. Appareils portables (par exemple, Apple Watch) : Les conceptions rigides-flex minces (0,5 mm) s'adaptent aux poignets tout en abritant 6 à 8 couches de capteurs et de processeurs.

2. Automobile
  a. Capteurs ADAS : Les circuits imprimés rigides-flex se plient autour des châssis des véhicules, connectant les caméras, le radar et le LiDAR : résistant à des températures de -40 °C à 125 °C.
  b. Systèmes de gestion de batterie (BMS) de véhicules électriques : Les segments flexibles acheminent l'alimentation entre les cellules de la batterie, réduisant le poids de 35 % par rapport aux circuits imprimés rigides.

3. Dispositifs médicaux
  a. Pacemakers implantables : Les couches flexibles en polyimide biocompatibles et 4 à 6 couches de circuits tiennent dans des volumes de 1 cm³, résistant aux fluides corporels.
  b. Sondes à ultrasons portables : Les circuits imprimés rigides-flex se plient pour correspondre aux formes des sondes tout en maintenant l'intégrité du signal pour l'imagerie haute résolution.

4. Aérospatiale et défense
  a. Antennes satellites : Les circuits imprimés rigides-flex légers (30 g par carte) se replient dans les lanceurs et se déploient dans l'espace, résistant aux radiations et au froid extrême.
  b. Casques militaires : Les segments flexibles s'adaptent aux oreilles de l'utilisateur, tandis que les couches rigides abritent des puces de communication : conformes aux normes de vibration MIL-STD-883.

FAQ
Q : Quel est le nombre maximal de couches dans un circuit imprimé rigide-flex multicouche ?
R : La plupart des fabricants produisent des conceptions à 4 à 12 couches, mais les processus avancés (stratification séquentielle) peuvent atteindre plus de 20 couches pour les applications aérospatiales et médicales.

Q : Combien de temps faut-il pour produire des circuits imprimés rigides-flex multicouches ?
R : Les prototypes prennent 2 à 3 semaines (en raison de la stratification et des tests spécialisés) ; la production à volume élevé (plus de 10 000 unités) prend 4 à 6 semaines.

Q : Les circuits imprimés rigides-flex peuvent-ils utiliser des composants à montage en surface (CMS) sur des zones flexibles ?
R : Oui, mais les composants doivent être « compatibles avec la flexibilité » (par exemple, résistances à puce ≤0603, pas de gros circuits intégrés) pour éviter les fissures lors de la flexion. Le volume de pâte à souder est réduit de 30 % sur les zones flexibles pour éviter les contraintes sur les joints.

Q : Quel est le rayon de courbure minimal pour un circuit imprimé rigide-flex multicouche ?
R : Généralement 5 à 10 fois l'épaisseur de la couche flexible (par exemple, une couche de polyimide de 50 µm a un rayon de courbure minimal de 250 à 500 µm). Des rayons plus serrés risquent de fissurer les traces.

Q : Les circuits imprimés rigides-flex multicouches sont-ils conformes à la directive RoHS ?
R : Oui : des matériaux tels que la soudure sans plomb, les adhésifs sans halogène et le polyimide conforme à la directive RoHS sont utilisés. Les fabricants fournissent des documents de DoC (déclaration de conformité) pour vérifier la conformité.

Conclusion
Le processus de production des circuits imprimés rigides-flex multicouches est une merveille technique, équilibrant la précision de la fabrication rigide multicouche avec la délicatesse de la manipulation des circuits flexibles. De la sélection des matériaux (polyimide pour le flexible, FR-4 pour le rigide) à la stratification contrôlée et au routage laser, chaque étape est optimisée pour créer des cartes compactes, durables et polyvalentes.

Bien que les coûts de production soient plus élevés que ceux des circuits imprimés traditionnels, les avantages (gain de place, réduction du poids et fiabilité accrue) rendent les circuits imprimés rigides-flex multicouches indispensables pour l'innovation dans les secteurs des pliables, de l'automobile, du médical et de l'aérospatiale. Pour les fabricants, s'associer à des spécialistes expérimentés dans la production rigide-flex (et suivre un contrôle qualité strict) est essentiel pour exploiter ces avantages.

Alors que les appareils continuent de rétrécir et d'exiger plus de fonctionnalités, le rôle des circuits imprimés rigides-flex multicouches ne fera que croître, grâce aux progrès des techniques de production qui réduisent les coûts et améliorent les performances.