Avancées dans les matériaux et la fabrication de PCB flexibles

Ces dernières années, le monde des PCB flexibles (cartes de circuits imprimés) a connu une croissance et des progrès technologiques importants. Ces développements ont conduit à une augmentation de la part de marché et à des applications élargies en raison des avantages inhérents de la flexibilité, de la finesse et de la légèreté. Dans cet article complet, nous explorerons les principaux matériaux utilisés dans les PCB flexibles, leurs améliorations de performances et le paysage évolutif des technologies de fabrication de PCB flexibles.

Améliorer les performances grâce aux matériaux de substrat

Les performances des circuits imprimés flexibles dépendent largement des propriétés des matériaux de substrat utilisés. Ces derniers jouent un rôle crucial car ils servent à la fois de conducteurs et d'isolants entre les circuits. De plus, ils doivent être flexibles et pouvoir s'enrouler, une caractéristique essentielle pour les circuits imprimés flexibles.

Les matériaux de substrat couramment utilisés pour les circuits imprimés flexibles comprennent les films de polyimide (PI) et de polyester (PET), ainsi que d'autres films polymères comme le polyéthylène naphtalate (PEN), le polytétrafluoroéthylène ( PTFE ) et l'aramide. Le choix du matériau de substrat doit reposer sur une évaluation rigoureuse de ses performances et de son rapport coût-efficacité.

Film polyimide (PI)

Le film de polyimide, une résine thermodurcissable, est l'un des principaux matériaux de substrat pour les stratifiés flexibles cuivrés (FCCL). Contrairement à la plupart des résines thermodurcissables, le PI ne ramollit pas et ne coule pas à haute température, ce qui le rend particulièrement adapté aux PCB flexibles. PI possède une résistance thermique élevée et d’excellentes caractéristiques électriques. Il présente cependant un inconvénient en termes d’absorption de l’humidité et de résistance à la déchirure. Les films PI améliorés ont une absorption d'humidité nettement inférieure à 0.7 %, par rapport au taux typique de 1.6 %. Ils présentent également une stabilité dimensionnelle améliorée, avec des tolérances réduites de ±0.04 % à ±0.02 %.

Film polyester (PET)

La résine PET offre des performances mécaniques et électriques favorables. Sa principale limite est sa faible résistance à la chaleur, qui le rend impropre aux procédés de brasage direct et d'assemblage. Cependant, les performances du polyéthylène naphtalate (PEN) sont supérieures à celles du PET mais sont inférieures aux qualités du PI, ce qui en fait une alternative appropriée dans certaines applications.

Polymère à cristaux liquides (LCP)

Pour les conceptions RF compactes et les circuits flexibles haute fréquence, Highleap peut également examiner un projet de fabrication de PCB LCP ainsi que l'empilement flexible et le boîtier d'assemblage.

Pour répondre aux limites des substrats en polyimide, le polymère à cristaux liquides (LCP) est apparu comme une alternative prometteuse. Le LCP est un matériau thermoplastique qui peut être transformé en films minces adaptés aux PCB. Il présente une faible absorption d'humidité (0.04 %) et une constante diélectrique de 2.85 (1 GHz), ce qui le rend adapté aux circuits numériques haute fréquence. Les propriétés du LCP, notamment la compatibilité haute fréquence, la stabilité dimensionnelle thermique et la faible absorption d’humidité, ont conduit à son adoption dans la fabrication de PCB flexibles.

Matériaux de substrat sans halogène

L'industrie électronique a connu une évolution vers une plus grande responsabilité environnementale. Des réglementations telles que la directive RoHS (Restriction des substances dangereuses) et la directive DEEE (Déchets d'équipements électriques et électroniques) interdisent l'utilisation de substances dangereuses dans les dispositifs électroniques. Par conséquent, des matériaux de substrat sans halogène, compatibles avec les exigences environnementales, ont été développés et sont désormais largement utilisés dans les circuits imprimés rigides et flexibles.

Matériaux de substrat en évolution

Face à la demande croissante de circuits imprimés flexibles, les efforts de recherche et développement se poursuivent afin d'explorer de nouveaux matériaux de substrat capables d'améliorer encore les performances de ces circuits. Avec plus de 2 000 types de films plastiques disponibles dans le monde, il existe indéniablement un potentiel de découverte de matériaux qui repousseront les limites de la conception des circuits imprimés flexibles.

Le rôle de l'adhésif dans les PCB flexibles

Pour les constructions flexibles en polyimide nécessitant un système adhésif défini, le procédé de circuit flexible DuPont Pyralux LF constitue une référence utile et spécifique au matériau avant la mise en production.

L'adhésif est un composant essentiel des PCB flexibles, car il est responsable de la liaison de la feuille de cuivre et du film du substrat. Les adhésifs sont classés en différentes catégories, notamment la résine PI, la résine PET, la résine époxy modifiée et la résine acrylique. Parmi celles-ci, la résine époxy modifiée et la résine acrylique sont plus couramment utilisées en raison de leur pouvoir adhésif élevé.

Matériau de substrat PI à deux couches

Le stratifié flexible cuivré traditionnel (FCCL) se compose généralement de trois couches : polyimide, adhésif et feuille de cuivre. Cependant, la couche adhésive peut parfois avoir un impact négatif sur les performances des PCB flexibles, notamment en termes de performances électriques et de stabilité dimensionnelle. Pour résoudre ce problème, un CCL flexible à deux couches (2L-FCCL) sans adhésif a été développé. Cette avancée améliore non seulement la compatibilité environnementale des PCB flexibles, mais répond également aux exigences du brasage sans plomb en augmentant le seuil de température de 220°C à 260-300°C. Une comparaison entre le 2L-FCCL sans adhésif et le 3L-FCCL avec adhésif est fournie dans le tableau 1 ci-dessous.

Trois méthodes sont généralement utilisées pour fabriquer le 2L-FCCL :

1. Electroplating
2. Revêtement de film
3. Laminage

Chaque méthode a ses avantages et est choisie en fonction d'exigences spécifiques. La galvanoplastie, par exemple, convient à la production de laminages et aux matériaux de substrat plus fins, offrant une solution rentable. Le pelliculage est idéal pour la production en masse, offrant une rentabilité. Le laminage, en revanche, excelle dans la fabrication de panneaux double face.

Matériau de substrat en polymère à cristaux liquides (LCP)

Le polymère à cristaux liquides (LCP) est un matériau de substrat relativement nouveau qui cherche à répondre aux limites des substrats en polyimide. Le film LCP est recouvert d'une feuille de cuivre et subit un pressage à chaud pour créer des stratifiés cuivrés (CCL) simple face ou double face. Les CCL basés sur LCP offrent des propriétés exceptionnelles, notamment un faible taux d'absorption d'eau de seulement 0.04 % et une constante diélectrique compatible avec les circuits numériques haute fréquence (2.85 à 1 GHz). Les propriétés du LCP en font un choix idéal pour les applications haute fréquence dans les PCB flexibles.

Matériaux de substrat flexibles sans halogène

Les réglementations environnementales ont contraint l’industrie électronique à passer à des matériaux de substrat sans halogène. Depuis 2003, l'UE a mis en œuvre les réglementations RoHS et DEEE, limitant l'utilisation de six substances dangereuses et réglementant le traitement des déchets d'équipements électroniques et électriques. Ces réglementations ont eu un impact sur les matériaux utilisés dans les PCB, y compris les PCB flexibles. En conséquence, divers composants des PCB flexibles, tels que le FCCL, le coverlay, le préimprégné, le masque de soudure et les cartes de renfort, doivent répondre aux exigences de résistance au feu et d'absence d'halogène.

Avancées dans la feuille de cuivre

La conductivité est une propriété essentielle des PCB flexibles, et la feuille de cuivre constitue le principal matériau conducteur. En plus du cuivre, des alliages comme l’aluminium, le nickel, l’or et l’argent sont parfois utilisés. Le choix de la feuille de cuivre dépend de l'application spécifique et de la méthode de fabrication.

Feuille de cuivre par dépôt électrolytique (ED)

La feuille de cuivre ED est l'un des matériaux conducteurs les plus couramment utilisés dans les PCB flexibles. Il se caractérise par une structure cristalline en écailles de poisson, ce qui donne une feuille de cuivre lisse avec une bonne ténacité. La feuille de cuivre ED est bien adaptée aux PCB dynamiquement flexibles qui nécessitent une grande flexibilité.

Feuille de cuivre laminée et recuite (RA)

La feuille de cuivre RA, quant à elle, présente une structure cristalline en colonnes, ce qui donne une structure uniforme et plate. Ce type de feuille de cuivre est idéal pour les processus de dépolissage et de gravure. La feuille de cuivre RA est souvent utilisée dans les PCB flexibles haute densité.

Demandes émergentes en feuilles de cuivre

À mesure que la demande de PCB flexibles à haute densité avec des pas plus fins allant de 40 μm à 50 μm augmente, de nouvelles exigences sont imposées à la fabrication de feuilles de cuivre. Ces exigences incluent une faible rugosité de surface et des feuilles de cuivre ultra fines pour répondre aux besoins de la production de PCB en masse.

Pâte d'argent conductrice

La fabrication de PCB flexibles implique l'utilisation d'une encre conductrice, qui est imprimée sur un film isolant pour créer des fils ou des couches de blindage. La pâte d’argent conductrice est le principal matériau utilisé à cette fin. Il est essentiel que la couche conductrice imprimée présente une faible résistance, assure une connexion solide et conserve sa flexibilité. De plus, le processus d’impression doit être facile à mettre en œuvre et le durcissement doit être rapide.

La pâte d'argent conductrice moderne répond à ces exigences, permettant la formation de motifs conducteurs sur des films polymères thermodurcissables ou thermoplastiques, des tissus et du papier. Cette technologie s'étend également à la création de graphiques utilisés dans les produits RFID. Les produits finaux contenant de la pâte d'argent conductrice sont rigoureusement testés pour le stockage à haute température, la résistance à l'humidité et les performances de cyclage à haute et basse température. La pâte d'argent conductrice est conforme aux exigences de protection de l'environnement et de rentabilité.

Revêtement en polyimide photosensible (PI)

Les revêtements PI/adhésifs traditionnels ont été confrontés à des limites pour répondre aux exigences des PCB flexibles haute densité, dimensionnellement stables et respectueux de l'environnement. En réponse, Photo-Imageable Coverlay (PIC) a été développé. Le PIC, qui dépend des résines époxy ou acryliques modifiées, a gagné en popularité en raison de sa haute résolution, de son excellente force de liaison et de sa flexibilité. Cependant, ces PIC présentent des limites, notamment une faible stabilité dimensionnelle sur les PCB haute densité, une faible température de transition vitreuse (Tg) et une résistance thermique limitée.

Conclusion

Les PCB flexibles ont parcouru un long chemin en termes de matériaux et de technologies de fabrication. Les progrès dans les matériaux de substrat, les feuilles de cuivre, les pâtes conductrices et les revêtements ont ouvert de nouvelles possibilités pour les PCB flexibles haute densité, haute fréquence et respectueux de l'environnement. Alors que la demande en électronique flexible continue de croître, il est clair que les efforts continus de recherche et de développement conduiront à de nouvelles innovations en matière de matériaux et de processus.

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