Comprendre la structure des PCB rigides et flexibles: couches, composants et comment ils permettent l'électronique polyvalente

Les circuits imprimés rigides-flexibles ont révolutionné la conception d'appareils électroniques compacts et durables, des smartphones pliables aux modules de capteurs automobiles, en combinant la stabilité structurelle des circuits imprimés rigides avec la flexibilité des circuits flexibles. Contrairement aux circuits imprimés rigides traditionnels (forme fixe) ou aux circuits imprimés uniquement flexibles (nombre de couches limité), les conceptions rigides-flexibles intègrent les deux formats en une seule structure transparente. Mais leur polyvalence repose sur une architecture précise et multicouche : chaque composant, des substrats flexibles aux liaisons adhésives, joue un rôle essentiel dans l'équilibre entre flexibilité, résistance et performances électriques.

Ce guide démystifie la structure des circuits imprimés rigides-flexibles, en décomposant le but de chaque couche, les choix de matériaux et leur fonctionnement en synergie. Nous comparerons les structures rigides-flexibles aux alternatives rigides et uniquement flexibles, explorerons les principales considérations de conception et expliquerons comment les choix structurels impactent les applications réelles. Que vous conceviez pour des appareils portables, l'aérospatiale ou les systèmes automobiles, la compréhension de la structure des circuits imprimés rigides-flexibles vous aidera à créer des produits plus petits, plus légers et plus fiables.

Points clés à retenir
1. Structure hybride : Les circuits imprimés rigides-flexibles combinent des segments rigides (pour le montage des composants) et des segments flexibles (pour la flexion) en une seule carte intégrée, éliminant ainsi le besoin de connecteurs entre des circuits imprimés séparés.
2. Architecture multicouche : Les composants principaux comprennent des substrats flexibles (polyimide), des substrats rigides (FR-4), des pistes en cuivre, des adhésifs et des finitions protectrices, chacun étant sélectionné pour sa durabilité et ses performances.
3. Facteurs de flexibilité : La structure du segment flexible (substrats fins, cuivre ductile) permet plus de 10 000 cycles de flexion sans fissuration des pistes, ce qui est essentiel pour les applications dynamiques.
4. Facteurs de résistance : Les segments rigides utilisent des substrats plus épais et des couches de renforcement pour supporter des composants lourds (par exemple, BGA, connecteurs) et résister aux contraintes mécaniques.
5. Rapport coût-bénéfice : Bien que plus complexes à fabriquer, les structures rigides-flexibles réduisent les coûts d'assemblage de 30 à 50 % (moins de connecteurs, moins de câblage) et améliorent la fiabilité en éliminant les points de défaillance.

La structure de base d'un circuit imprimé rigide-flexible
La structure d'un circuit imprimé rigide-flexible est définie par deux segments distincts mais intégrés : les segments rigides (pour la stabilité) et les segments flexibles (pour la flexibilité). Ces segments partagent des couches communes (par exemple, des pistes en cuivre) mais diffèrent en termes de matériaux et d'épaisseur des substrats pour remplir leurs rôles uniques.
Vous trouverez ci-dessous une ventilation des composants principaux, en commençant par la couche la plus interne jusqu'à la finition protectrice la plus externe.

1. Substrats de base : Les fondations de la rigidité et de la flexibilité
Les substrats sont les couches de base non conductrices qui supportent les pistes en cuivre. Les segments rigides et flexibles utilisent différents substrats pour équilibrer la résistance et la flexibilité.

Substrats des segments flexibles
Les segments flexibles reposent sur des polymères fins et durables qui résistent aux flexions répétées :
 Matériau principal : Polyimide (PI) : Le standard de l'industrie pour les substrats flexibles, le polyimide offre :
     Résistance à la température : -269°C à 300°C (résiste au brasage par refusion et aux environnements difficiles).
     Flexibilité : Peut se plier à des rayons aussi petits que 5 fois son épaisseur (par exemple, une couche de PI de 50 µm se plie à un rayon de 250 µm).
     Résistance chimique : Inerte aux huiles, aux solvants et à l'humidité, idéal pour les applications automobiles et industrielles.
 Épaisseur : Généralement de 25 à 125 µm (1 à 5 mil) ; des substrats plus fins (25 à 50 µm) permettent des flexions plus serrées, tandis que des substrats plus épais (100 à 125 µm) offrent plus de stabilité pour les segments flexibles plus longs.
 Alternatives : Pour les applications à très haute température (200°C+), le polymère à cristaux liquides (LCP) est utilisé, bien qu'il soit plus cher que le polyimide.

Substrats des segments rigides
Les segments rigides utilisent des matériaux rigides et renforcés pour supporter les composants et résister aux contraintes :
  Matériau principal : FR-4 : Un stratifié époxy renforcé de verre qui offre :
     Résistance mécanique : Supporte des composants lourds (par exemple, BGA de 10 g) et résiste au gauchissement pendant l'assemblage.
     Rentabilité : Le substrat rigide le plus abordable, adapté aux applications grand public et industrielles.
     Isolation électrique : Résistivité volumique >10¹⁴ Ω·cm, empêchant les courts-circuits entre les pistes.
  Épaisseur : 0,8 à 3,2 mm (31 à 125 mil) ; des substrats plus épais (1,6 à 3,2 mm) supportent des composants plus grands, tandis que des substrats plus fins (0,8 mm) sont utilisés pour les conceptions compactes (par exemple, les appareils portables).
  Alternatives : Pour les applications haute fréquence (5G, radar), le Rogers 4350 (un stratifié à faibles pertes) remplace le FR-4 pour minimiser l'atténuation du signal.

2. Pistes en cuivre : Chemins conducteurs à travers les segments
Les pistes en cuivre transportent les signaux électriques et l'alimentation entre les composants, couvrant à la fois les segments rigides et flexibles. Leur structure diffère légèrement pour s'adapter à la flexibilité des segments flexibles.

Cuivre des segments flexibles
Les segments flexibles nécessitent du cuivre ductile qui résiste à la fissuration pendant la flexion :
  Type : Cuivre laminé recuit (RA) : Le recuit (traitement thermique) rend le cuivre RA ductile, permettant plus de 10 000 cycles de flexion (flexions à 180°) sans défaillance.
  Épaisseur : 12 à 35 µm (0,5 à 1,4 oz) ; du cuivre plus fin (12 à 18 µm) se plie plus facilement, tandis que du cuivre plus épais (35 µm) transporte des courants plus élevés (jusqu'à 3 A pour une piste de 0,2 mm).
  Conception des motifs : Les pistes des segments flexibles utilisent des angles courbes ou à 45° (et non à 90°) pour répartir les contraintes ; les angles à 90° agissent comme des points de contrainte et se fissurent après des flexions répétées.

Cuivre des segments rigides
Les segments rigides privilégient la capacité de courant et la facilité de fabrication :
  Type : Cuivre électrodéposé (ED) : Le cuivre ED est moins ductile que le cuivre RA, mais il est moins cher et plus facile à modeler pour les circuits denses.
  Épaisseur : 18 à 70 µm (0,7 à 2,8 oz) ; du cuivre plus épais (35 à 70 µm) est utilisé pour les pistes d'alimentation (par exemple, 5 A+ dans les calculateurs électroniques automobiles).
  Conception des motifs : Les angles à 90° sont acceptables, car les segments rigides ne se plient pas, ce qui permet un routage des pistes plus dense pour des composants tels que les QFP et les BGA.

3. Adhésifs : Liaison des segments rigides et flexibles
Les adhésifs sont essentiels pour intégrer les segments rigides et flexibles en une seule carte. Ils doivent lier des matériaux différents (polyimide et FR-4) tout en maintenant la flexibilité des segments flexibles.

Exigences clés en matière d'adhésifs
  Flexibilité : Les adhésifs des segments flexibles doivent s'allonger (≥100 % d'allongement) sans se fissurer, sinon ils se décolleront pendant la flexion.
  Résistance à la température : Résister au brasage par refusion (240 à 260°C) et aux températures de fonctionnement (-40°C à 125°C pour la plupart des applications).
  Force d'adhérence : Force d'adhérence ≥1,5 N/mm (selon IPC-TM-650) pour éviter le délaminage entre les couches.

Types d'adhésifs courants

Notes d'application
  Les adhésifs sont appliqués sous forme de films minces (25 à 50 µm) pour éviter d'ajouter du volume aux segments flexibles.
  Dans les conceptions rigides-flexibles « sans adhésif » (utilisées pour les applications haute fréquence), le cuivre est directement lié au polyimide sans adhésif, ce qui réduit la perte de signal mais augmente le coût.

4. Masque de soudure : Protection des pistes et facilitation du brasage
Le masque de soudure est un revêtement polymère protecteur appliqué sur les segments rigides et flexibles pour :
  Empêcher les courts-circuits entre les pistes adjacentes.
  Protéger le cuivre de l'oxydation et de la corrosion.
  Définir les zones où la soudure adhère (pastilles) pendant l'assemblage.

Masque de soudure des segments flexibles
Les segments flexibles nécessitent un masque de soudure qui se plie sans se fissurer :
  Matériau : Masque de soudure à base de polyimide : S'allonge ≥100 % et maintient l'adhérence pendant la flexion.
  Épaisseur : 25 à 38 µm (1 à 1,5 mil) ; un masque plus fin (25 µm) se plie plus facilement mais offre moins de protection.
  Couleur : Transparent ou vert ; un masque transparent est utilisé pour les appareils portables où l'esthétique est importante.

Masque de soudure des segments rigides
Les segments rigides utilisent un masque de soudure standard pour des raisons de coût et de durabilité :
  Matériau : Masque de soudure à base d'époxy : Rigide mais durable, avec une excellente résistance chimique.
  Épaisseur : 38 à 50 µm (1,5 à 2 mil) ; un masque plus épais offre une meilleure protection pour les applications industrielles.
  Couleur : Vert (le plus courant), bleu ou noir ; le vert est préféré pour la compatibilité avec l'AOI (Inspection Optique Automatisée).

5. Finition de surface : Assurer la soudabilité et la résistance à la corrosion
Les finitions de surface sont appliquées sur les pastilles en cuivre exposées (dans les deux segments) pour améliorer la soudabilité et empêcher l'oxydation.
Finitions courantes pour les circuits imprimés rigides-flexibles

Choix spécifiques aux segments
  Les segments flexibles utilisent souvent l'ENIG : La ductilité de l'or résiste à la flexion, et le nickel empêche la diffusion du cuivre dans le joint de soudure.
  Les segments rigides peuvent utiliser le HASL pour des économies de coûts, bien que l'ENIG soit préféré pour les composants à pas fin.

6. Couches de renforcement (facultatif) : Ajout de résistance aux zones critiques
Les couches de renforcement sont facultatives mais courantes dans les circuits imprimés rigides-flexibles pour ajouter de la résistance aux zones fortement sollicitées :
Emplacement : Appliquées aux zones de transition flex-rigide (où la contrainte de flexion est la plus élevée) ou sous des composants lourds (par exemple, des connecteurs) dans les segments rigides.
Matériaux :
   Tissu de Kevlar ou de verre : Tissus fins et flexibles liés aux segments flexibles pour éviter le déchirement.
   Bandes fines de FR-4 : Ajoutées aux segments rigides sous les connecteurs pour résister aux contraintes mécaniques lors de l'accouplement/du désaccouplement.
Épaisseur : 25 à 100 µm, suffisamment épaisse pour ajouter de la résistance sans réduire la flexibilité.

Circuits imprimés rigides-flexibles vs. circuits imprimés rigides vs. circuits imprimés uniquement flexibles : Comparaison structurelle
Pour comprendre pourquoi les circuits imprimés rigides-flexibles excellent dans certaines applications, comparez leurs structures aux alternatives traditionnelles :

Principaux avantages structurels des circuits rigides-flexibles
1. Pas de connecteurs : L'intégration de segments rigides et flexibles élimine 2 à 10 connecteurs par carte, ce qui réduit le temps d'assemblage et les points de défaillance (les connecteurs sont l'une des principales causes de défaillances des circuits imprimés).
2. Efficacité de l'espace : Les circuits imprimés rigides-flexibles occupent 30 à 50 % de volume en moins que les systèmes rigides multi-cartes, ce qui est essentiel pour les appareils portables et les modules de capteurs automobiles.
3. Gain de poids : 20 à 40 % plus légers que les systèmes multi-cartes rigides, grâce à moins de composants et de câblage.

Comment la structure rigide-flexible impacte les performances et la fiabilité
Chaque choix structurel, de l'épaisseur du substrat au type de cuivre, affecte directement les performances d'un circuit imprimé rigide-flexible dans les applications réelles. Vous trouverez ci-dessous les principales mesures de performance et leurs facteurs structurels :
1. Flexibilité et durabilité
Facteur : Épaisseur du substrat du segment flexible et type de cuivre. Un substrat en polyimide de 50 µm avec du cuivre RA de 18 µm se plie à un rayon de 250 µm et survit à plus de 15 000 cycles.
Risque de défaillance : L'utilisation de cuivre ED dans les segments flexibles provoque la fissuration des pistes après 1 000 à 2 000 cycles ; le cuivre RA est non négociable pour les applications dynamiques.

Exemple d'application : La charnière d'un smartphone pliable utilise un segment flexible en polyimide de 50 µm avec du cuivre RA de 18 µm, ce qui permet plus de 200 000 pliages (la durée de vie typique d'un appareil pliable).

2. Intégrité du signal
Facteur : Matériau du substrat et choix de l'adhésif. Le polyimide a une faible perte diélectrique (Df <0,002 à 10 GHz), ce qui le rend idéal pour les signaux haute fréquence.Atténuation des risques : Les conceptions sans adhésif (pas d'adhésif entre le cuivre et le polyimide) réduisent la perte de signal de 30 % par rapport aux conceptions à base d'adhésif, ce qui est essentiel pour la 5G et le radar.
Exemple d'application : Le circuit imprimé rigide-flexible d'une station de base 5G utilise des segments flexibles en polyimide sans adhésif pour maintenir l'intégrité du signal pour les signaux mmWave de 28 GHz.

3. Gestion thermique

Facteur : Épaisseur du cuivre et conception du segment rigide. Le cuivre épais (35 à 70 µm) dans les segments rigides dissipe la chaleur des composants d'alimentation (par exemple, les régulateurs de tension).
Amélioration : Les vias thermiques (0,3 mm de diamètre) dans les segments rigides transfèrent la chaleur des composants vers les plans de cuivre internes, ce qui réduit les températures de jonction de 15 à 25°C.
Exemple d'application : Le circuit imprimé rigide-flexible d'un onduleur de véhicule électrique automobile utilise du cuivre de 70 µm dans les segments rigides et des vias thermiques pour gérer 100 W de chaleur provenant des IGBT.

4. Résistance mécanique

Facteur : Épaisseur du segment rigide et couches de renforcement. Un segment rigide en FR-4 de 1,6 mm supporte un connecteur de 20 g sans se déformer.
Conception de la zone de transition : Les couches de renforcement (Kevlar) dans les transitions flex-rigide réduisent les contraintes de 40 %, ce qui empêche le délaminage.
Exemple d'application : Le circuit imprimé rigide-flexible d'un capteur aérospatial utilise des segments rigides en FR-4 de 3,2 mm et un renforcement en Kevlar pour résister aux vibrations de 50 G (selon MIL-STD-883).

Principales considérations de conception pour la structure des circuits imprimés rigides-flexibles

Lors de la conception d'un circuit imprimé rigide-flexible, les choix structurels doivent correspondre aux besoins de l'application. Vous trouverez ci-dessous les considérations critiques :
1. Définir les zones de transition flex-rigide
Emplacement : Placer les transitions à 2 à 5 mm des composants ; les composants proches des transitions subissent des contraintes pendant la flexion.
Rayon : Le rayon de courbure minimal pour les segments flexibles est de 5 fois l'épaisseur du substrat (par exemple, substrat de 50 µm → rayon de 250 µm). Des rayons plus serrés provoquent la fissuration des pistes.
Renforcement : Ajouter du Kevlar ou du FR-4 fin aux transitions dans les applications à fortes contraintes (par exemple, les capteurs de porte automobiles qui se plient avec le mouvement de la porte).
2. Équilibrer le nombre de couches et la flexibilité

Limite de couches : Les segments flexibles sont généralement de 2 à 4 couches ; l'ajout de couches supplémentaires augmente l'épaisseur et réduit la flexibilité.
Répartition des couches : Concentrer les couches dans les segments rigides (par exemple, 8 couches en rigide, 2 couches en flexible) pour maintenir la flexibilité.
Exemple : Un tracker de fitness portable utilise un circuit imprimé rigide-flexible à 4 couches (2 couches en flexible, 2 en rigide) pour équilibrer la fonctionnalité et la capacité de flexion.
3. Sélectionner les matériaux pour l'environnement

Température : Utiliser du polyimide (jusqu'à 300°C) pour les applications à haute température (sous le capot des voitures, aérospatiale) ; LCP (jusqu'à 200°C) pour les besoins de moyenne gamme.
Produits chimiques : Le polyimide résiste aux huiles et aux solvants, idéal pour une utilisation industrielle ou marine ; éviter la finition OSP dans les environnements humides (utiliser plutôt l'ENIG).
Humidité : Utiliser des adhésifs à base d'époxy (résistance à l'humidité) dans l'électronique grand public (par exemple, les montres intelligentes portées pendant l'exercice).
4. Optimiser la conception des pistes en cuivre

Segments flexibles : Utiliser des pistes courbes, des angles à 45° et une largeur de piste minimale de 0,1 mm (4 mil) pour éviter la concentration des contraintes.
Segments rigides : Utiliser des angles à 90° et des largeurs de piste plus petites (0,075 mm/3 mil) pour un routage dense des composants (par exemple, BGA avec un pas de 0,4 mm).
Capacité de courant : Dimensionner les pistes en fonction du courant ; une piste de 0,2 mm (cuivre RA de 18 µm) transporte 1,5 A dans les segments flexibles ; une piste de 0,3 mm (cuivre ED de 35 µm) transporte 3 A dans les segments rigides.
Applications réelles : Comment la structure permet l'innovation

La structure des circuits imprimés rigides-flexibles est adaptée pour résoudre des défis uniques dans les secteurs clés :
1. Électronique grand public : Smartphones pliables
Structure : Rigide-flexible à 6 couches (4 couches dans les segments rigides pour les processeurs/BGA, 2 couches dans les segments flexibles pour les charnières).
Principales caractéristiques : Segments flexibles en polyimide de 50 µm avec du cuivre RA de 18 µm, finition ENIG et adhésif acrylique pour la flexibilité.
Avantage : Permet plus de 200 000 pliages tout en intégrant un écran de 7 pouces dans un appareil de poche.
2. Automobile : Modules de capteurs ADAS

Structure : Rigide-flexible à 8 couches (6 couches dans les segments rigides pour les capteurs/ECU, 2 couches dans les segments flexibles pour le câblage).
Principales caractéristiques : Segments flexibles en polyimide de 100 µm avec du cuivre RA de 35 µm, adhésif époxy (haute résistance aux contraintes) et couches de renforcement aux transitions.
Avantage : Se plie autour des châssis des véhicules pour positionner les capteurs (LiDAR, radar) tout en résistant à des températures de -40°C à 125°C.
3. Médical : Moniteurs de glucose portables

Structure : Rigide-flexible à 4 couches (2 couches dans les segments rigides pour le capteur, 2 couches dans les segments flexibles pour l'intégration au bracelet).
Principales caractéristiques : Segments flexibles en polyimide de 25 µm (ultra-fins pour le confort), masque de soudure transparent et finition ENIG (biocompatible).
Avantage : S'adapte au poignet tout en maintenant des lectures de capteur fiables pendant 7 à 14 jours.
4. Aérospatiale : Antennes satellites

Structure : Rigide-flexible à 12 couches (10 couches dans les segments rigides pour le traitement du signal, 2 couches dans les segments flexibles pour le déploiement de l'antenne).
Principales caractéristiques : Segments flexibles en LCP (résistance à plus de 200°C), cuivre RA de 35 µm et adhésif en polyimide (résistance aux radiations).
Avantage : Se plie en un ensemble de lancement compact (10 fois plus petit que les alternatives rigides) et se déploie dans l'espace pour former une antenne de 2 m.
FAQ

Q : Les circuits imprimés rigides-flexibles peuvent-ils avoir plusieurs segments flexibles ?
R : Oui, de nombreuses conceptions incluent 2 à 4 segments flexibles (par exemple, un appareil portable avec des segments flexibles pour le poignet et le doigt). Chaque segment flexible peut avoir sa propre épaisseur et son propre type de cuivre en fonction des besoins de flexion.
Q : Quel est le nombre maximal de couches pour un circuit imprimé rigide-flexible ?

R : La plupart des circuits imprimés rigides-flexibles ont 4 à 12 couches, avec jusqu'à 10 couches dans les segments rigides et 2 à 4 dans les segments flexibles. Les conceptions avancées (aérospatiale) peuvent atteindre 16 couches, mais cela réduit la flexibilité.
Q : Les circuits imprimés rigides-flexibles sont-ils compatibles avec les composants CMS ?

R : Oui, les segments rigides prennent en charge tous les composants CMS (BGA, QFP, passifs), tandis que les segments flexibles prennent en charge les petits composants CMS (résistances 0402, condensateurs 0603). Les composants lourds (>5 g) ne doivent jamais être placés sur des segments flexibles.
Q : Combien coûte un circuit imprimé rigide-flexible par rapport à un circuit imprimé rigide ?

R : Les circuits imprimés rigides-flexibles coûtent 2 à 3 fois plus cher que les circuits imprimés rigides équivalents, mais ils réduisent les coûts du système de 30 à 50 % (moins de connecteurs, moins de câblage, moins de main-d'œuvre d'assemblage).
Q : Quel est le délai de livraison typique d'un circuit imprimé rigide-flexible ?

R : Les prototypes prennent 2 à 3 semaines (en raison de la stratification et des tests spécialisés), tandis que la production en volume (plus de 10 000 unités) prend 4 à 6 semaines. Les délais de livraison sont plus longs que ceux des circuits imprimés rigides, mais plus courts que ceux des circuits imprimés flexibles personnalisés.
Conclusion

La structure des circuits imprimés rigides-flexibles est une classe de maître en matière d'équilibre : elle combine la résistance des substrats rigides avec la flexibilité du polyimide pour créer des cartes qui s'adaptent là où les circuits imprimés traditionnels ne peuvent pas. Chaque couche, du polyimide fin des segments flexibles au FR-4 épais des segments rigides, a un but, et chaque choix de matériau a un impact sur les performances.
En comprenant comment l'épaisseur du substrat, le type de cuivre et la sélection de l'adhésif favorisent la flexibilité, la résistance et la fiabilité, vous pouvez concevoir des circuits imprimés rigides-flexibles qui répondent aux exigences des applications les plus exigeantes. Que vous construisiez un téléphone pliable, un capteur automobile ou une antenne satellite, la bonne structure rigide-flexible vous aidera à créer des produits plus petits, plus légers et plus durables que jamais.

Alors que la technologie continue de se miniaturiser et que la demande d'appareils électroniques polyvalents augmente, les circuits imprimés rigides-flexibles resteront à la pointe de l'innovation, prouvant que parfois, les meilleures solutions proviennent de la combinaison de deux forces apparemment opposées.