Les ouvertures du couvercle PCB flexible qui ne stressent pas le cuivre

Il existe un type spécifique de silence qui tombe sur un plateau de fabrication lorsqu'un nouveau paquet de données arrive avec des ouvertures parfaites, carrées à 90 degrés, dans la couche de couverture. C'est le silence d'un ingénieur CAM anticipant l'inévitable Query d'ingénierie (EQ)—ou pire, le silence d'une benne à rebuts se remplissant trois semaines plus tard.

Pour le concepteur assis devant un moniteur haute résolution, ces coins tranchants ont l'air net, professionnel et précis. Ils correspondent à la logique orthogonale des cartes rigides qu'il a passé une carrière à programmer. Mais dans le monde physique des circuits flexibles, où les matériaux sont soumis à la chaleur, à la pression et à des pliages mécaniques répétés, ces coins tranchants sont des liabilities structurelles.

La physique ne se soucie pas des préférences esthétiques de votre conception CAD. Lorsqu'un circuit flexible se plie, les forces se répartissent sur la surface jusqu'à ce qu'elles rencontrent une discontinuité. Un coin carré dans le coverlay — la couche d'isolation en polyimide laminée sur le cuivre — agit comme un rissage de tension massif. Il concentre l'énergie mécanique du pliage en un seul point microscopique sur la piste de cuivre sous-jacente. Le résultat est une carte qui passe tous les contrôles de règle de conception (DRC) dans le logiciel mais échoue de manière catastrophique lors de sa première installation dans une charnière ou une enceinte étroite.

La géométrie de l'arme du crime

Vous ne pouvez pas traiter les ouvertures du coverlay comme un masque de soudure rigide. Vous devez visualiser la pile non pas comme une seule carte, mais comme un sandwich de matériaux disparates se battant entre eux. La base est du polyimide ; le conducteur est du cuivre ; la couche supérieure est le coverlay. Lorsque ce sandwich se plie, les couches extérieures s'étirent et les couches intérieures se compressent.

Si le coverlay possède un coin aigu à 90 degrés traversant une trace de cuivre, il crée une « entaille mécanique ». Le coverlay est plus rigide que l'adhésif en dessous, il agit donc comme une arête de couteau appuyant sur le cuivre chaque fois que la flexion est manipulée.

Les concepteurs citent souvent la découpe laser moderne comme défense. Ils soutiennent que les lasers peuvent ablater le polyimide en un carré parfait sans les limitations de rayon d'une mèche de CNC mécanique. C'est techniquement vrai mais pratiquement sans importance. La capacité de l'outil ne nie pas la mécanique du matériau. Même si l'atelier coupe un carré parfait, la concentration de stress demeure. La piste de cuivre passant sous ce coin expérimentera une augmentation de déformation pouvant être 3 à 5 fois supérieure à celle des zones environnantes.

Dans les applications dynamiques — comme un capteur coulissant dans un appareil photo ou une charnière d'ordinateur portable — c'est ici que la fissure démarre. Elle se propage du bord de l'ouverture du coverlay, à travers le cuivre, et conduit à un circuit ouvert après moins de 1 000 cycles.

La solution est triviale en conception mais critique en fonctionnement : chaque ouverture de coverlay doit avoir un coin arrondi. La pratique standard prévoit un rayon de coin minimal de 0,2 mm (environ 8 mils). Cela permet à la tension de se répartir sur une courbe plutôt que de se focaliser en un point. Si la conception le permet, un rayon plus grand est toujours meilleur.

Pour ceux qui tentent de tracer des routes près de ces ouvertures, la règle du "tear-drop" ou du filet s'applique. La transition entre la zone couverte et la pastille exposée ne doit jamais être abrupte. Un simple filet de 0,2mm résout tout le problème structurel, transformant une éventuelle défaillance du champ en une liaison robuste.

Le facteur de mucus : L'adhésif est un liquide

Le deuxième problème fondamental concerne la nature même de l’attache. Contrairement au soldermask photosensible liquide (LPI) utilisé sur les cartes rigides, qui durcit en une coque dure, le coverlay est une feuille solide de polyimide collée avec un adhésif acrylique ou époxy.

Lors du processus de lamination, la pile est soumise à une chaleur et une pression élevées. À ce stade, l’adhésif se liquéfie. Il se déplace. Il coule.

Ce “squeeze-out” est l’ennemi des interconnexions à haute densité. Si un concepteur crée une ouverture de coverlay qui correspond exactement à la taille de la pastille en cuivre (1:1), l’adhésif s’écoulera inévitablement sur la surface de la pastille lors de la lamination. Cet écoulement est souvent transparent et microscopique, formant une barrière invisible entre le fini or ou étain et la broche du composant.

L’atelier d’assemblage signalera cela comme une "défaillance de mouillage de pastille" ou une "plating défectueuse". Ils enverront des photos de boules de soudure qui refusent d’adhérer à la pastille. La cause principale, cependant, n’est pas la chimie du placage. C’est la physique de la lamination. L’adhésif s’est propagé de 0,05 mm à 0,15 mm sur la pastille, l’isolant.

Comme le flux d’adhésif varie en fonction de l’âge du pré-imprégné, de la pression de la presse de lamination, et de la marque du matériau spécifique (DuPont Pyralux vs. équivalents génériques), la conception doit tenir compte du scénario pire. La norme de l’industrie consiste à oversize l’ouverture du coverlay d’au moins 0,25 mm (10 mils) plus grande que la pastille qu’il expose. Cela crée une zone de “digue” où l’adhésif peut s’écouler sans empiéter sur la surface de soudabilité.

Pour des pas extrêmement serrés où un espace de 10 mils n’existe pas, le concepteur doit spécifier des adhésifs à “faible flux” ou passer à un masque de soudure par gravure au laser (LDI), bien que cela comporte ses propres risques mécaniques.

Ancrages et mythes sur les matériaux

Dans le monde rigide, l’adhérence du cuivre au noyau FR4 est incroyablement forte. Dans le monde flexible, le cuivre flotte effectivement sur une couche de polymère souple. Lorsqu’une chaleur est appliquée lors du reflow ou du soudage manuel, le décalage thermique peut faire décoller de petites pastilles de cuivre du matériau de base. C’est ce qu’on appelle le “décollage de pastille”, et c’est une cause principale de rebuts en rework.

Le coverlay aide à maintenir les pastilles en place, mais seulement si l’ouverture est conçue pour piéger le cuivre. Une simple pastille rectangulaire complètement exposée par une ouverture de coverlay plus grande n’a pas de retenue mécanique. Elle dépend entièrement de la liaison chimique de l’adhésif.

Pour résoudre ce problème, les concepteurs doivent utiliser des “ancrages”, “éperons”, ou “oreilles de lapin” — des protrusions de cuivre qui s’étendent sous le coverlay. Le coverlay agit comme une pince mécanique, maintenant l’éperon en place pour que la pastille principale ne se soulève pas lors du soudage.

Il est souvent tentant de contourner tous ces casse-têtes géométriques en utilisant simplement un masque de soudure par gravure au laser photosensible liquide (LPI), la substance verte, sur les circuits flex. Ceci permet des digues plus serrées et des coins carrés. Cependant, le LPI est cassant. Dans une application statique (installation à ajuster), cela est acceptable. Mais dans toute application dynamique, le LPI se fissurera comme de la boue sèche sur une rive en train de plier. Une fois que le masque se fissure, il se propage dans le cuivre, coupant les traces tout aussi efficacement qu’un coin carré de coverlay. À moins que l’application ne soit strictement statique, un coverlay en polyimide standard est obligatoire.

Les règles du sol de fabrication

Pour éviter qu'une conception ne reste en dehors de la file d'attente de requêtes d'ingénierie et garantir un rendement élevé sur le site de fabrication, quelques règles incontournables s'appliquent. Ce ne sont pas des suggestions esthétiques. Ce sont des exigences pour la survie mécanique.

• Coins arrondis : Toutes les ouvertures du cache doivent avoir un rayon de coin minimum de 0,2 mm. Pas de carrés pointus.
• Taille supérieure pour le Squeeze-Out : Les ouvertures doivent être de 0,25 mm (10 mils) plus grandes que la pastille pour tenir compte du flux de l'adhésif.
• Ancrages pour Pastilles : Toute pastille non supportée nécessite des pointes en cuivre s'étendant d'au moins 0,15 mm sous le cache pour éviter qu’elle ne se soulève.
• Larmes : Toutes les transitions entre piste et pastille doivent être en forme de larme pour éviter les fissures au niveau de la jonction.

La fiabilité des circuits flexibles est définie par le coin le plus faible. En respectant les propriétés matérielles du cache et de l'adhésif, la conception passe d'un modèle théorique en CAO à une réalité fonctionnelle sur le terrain.