دارات مطبوعةمقالات

ما هي الدارات المطبوعة المرنة؟ — مقدمة حول تقنية الدارات المطبوعة المرنة والصلبة-المرنة.

SMT Assembly Service + Free Shipping + Free Stencil for $30

إن  النوع الأكثر استخداماً وانتشاراً هو الدارات المطبوعة الصلبة، ولكن هناك نوع آخر قد تفكر في استخدامه بعد قراءة هذه المقالة والتعرف عليه، وخاصة أنه يصبح تدريجياً أكثر توفراً مع زيادة المصنعين المقدمين له.

تحوي هذه المقالة إجابة على ماهية الدارات المطبوعة المرنة flex PCB، وأين تستخدم، ولماذا هي أغلى من نظريتها الصلبة، وأخيراً كيفية طلبها من مصنّع مثل PCBway.

إن من الانطباعات الأولى حول الدارات المطبوعة عموماً اعتقاد أنها تأتي إما صلبة أو مرنة فقط، ولكن بالواقع هناك نوع مزيجي ثالث عبارة عن صلب-مرن أي جزء منه صلب وجزء آخر مرن مدموجة بدارة واحدة ويسمى Rigid-flex PCB. تسمى الدارات المرنة اختصاراً بـ Flex Circuit Board أي FCB.

في الشكل أدناه مثال عن دارة مرنة وأخرى صلبة-مرنة.

 

Image Courtesy to PCBWay. On the right, an assembled flex board. On the left, a panel of rigid-flex board

حقوق الصورة لـ PCBWay. على اليمين صورة دارة مرنة مجمّعة مع العناصر الإلكترونية وعلى اليسار لوحة panel فيها دارة صلبة-مرنة.

 

إن الدارات المرنة Flex boards يمكن استخدامها كموصلات connector، وأيضاً كدارة كاملة مجمّعة مع عناصر إلكترونية-أجل يمكن لهذا النوع تحمّل درجة حرارة اللحام soldering بل أحياناً تكون الدارات المرنة مستخدمة خصيصاً للتطبيقات التي تتطلب العمل في درجات حرارة عالية جداً وذلك حسب نوع المادة الأساس المستخدمة في صناعة الدارة المرنة.

من وجه نظر منهجيّة systematic فإن الدارات صلبة-مرنة قد لا تتكون من جزء مرن ملصق بشكل دائم مع جسم الدارة وإنما يمكن أن يكون مضاف إليه كلحام الجزء المرن أو وصله مع الجزء الصلب عبر موصل connector. في الصورة أدناه ثلاث أنواع للدارات الصلبة- المرنة rigid-flex PCB.

 

Image courtesy to Würth Elektronik Flex-Rigid Design Guide. In the left figure, the flex is soldered in or plugged into the rigid section. In the middle figure, the 2 boards have the flex part as part of their design stack-up. In the right figure, one board has the flex part in its stack-up and connected to a rigid PCB through a connector. حقوق الصورة لـ Würth Elektronik/Flex-Rigid Design Guide. في الصورة اليمينية الجزء المرن هون جزء من دارة ويتصل مع الدارة الصلبة الثانية عبر موصل connector، في الصورة الوسطى الجزء المرن جزء أساسي من الدارة،في الصورة اليسارية دارتين صلبتين ويتم وصل الجزء المرن عبر لحامه أو عبر موصل  .

 

يمكن لأي طبقة من الطبقات في تصميمك design layer stack-up أن تكون الطبقة المرنة  وفي الصورة أدناه مثال على دارة لديها جزء مرن في الطبقة السفليّة.

 

Flex layer as top layer

حقوق الصورة لـ EEVblog #1262

 

مع العلم أن الطبقة المرنة عادة ما يتم اختيارها في المنتصف وخاصةً عندما يكون التصميم متعدد الطبقات

 

Image courtesy of epec Engineering Technology, different configurations of flex layer in design stack-up.

حقوق الصورة لـ epec Engineering Technology, إعدادات مختلفة لرقم الطبقة المرنة في التصميم  design stack-up.

 

إن السبب وراء حريّة اختيار مكان الطبقة المرنة يعود لسبب تشابه عملية التصنيع بغض النظر عن مكان الطبقة، حيث تُبنى الدارات متعدّدة الطبقات طبقة طبقة.

إن انطباع أولي قد يتشكل عن الدارات المرنة، أنها تتكون من طبقتين فقط ولكن بالواقع يمكن أن تكون متعدّدة الطبقات مثلها مثل أي دارات صلبة أخرى.

 

Image Courtesy to PCBWay. Showing single-layer , double-layer and multi-layer flex PCB

حقوق الصورة لـ PCBWay. تظهر الصورة رسم توضيحي لتشريح دارة مرنة بطبقة واحدة أو طبقتين.

 

لماذا تصنيع الدارة المرنّة أغلى من الدارة الصلبة؟

 

يعود السبب وراء ذلك لتعقيد عملية التصنيع ولعدد المواد الأولية والإجراءات المتضمّنة في عملية التصنيع للدارات المرنة، فتصنيع الدارات المرنة لديه نفس الخطوات للدارات الصلبة ويضاف لها عمليات أخرى.

إن الفلم القصير من اليوتيوب  يظهر خطوات التصنيع الخاصة بالدارات المرنة ويتضح أنها عمليات فيها تقعيد أكبر وحاجة أكثر للتدخل البشري مقارنةَ بتصنيع الدارات الصلبة وبالتالي: كلفة أكثر!

 

 

مع الأخذ بعين الاعتبار بعض المتطلبات الخاصة للزبائن والتي ترفع كلفة التصنيع ومن هذه المتطلبات الخاصة هي إضافة دواعم صلبة للدارة المرنة في بعض الأماكن والتي تسمى Stiffener وهي مادة صلبة (يمكن أن تكون مادة FR4) تضاف لأماكن معينة لتزيد من السماكة الكليّة.

 

Image courtesy of PCBWay, showing a stiffener (dark brown)

حقوق الصورة لـ PCBWay. تظهر المادة الداعمة Stiffener باللون البني الغامق.

 

يظهر في فيديو لـ Epec Engineered Technologies على اليوتيوب مقارنة بين عدد المواد والإجرائيات بين الدارات الصلبة والدارات المرنة، لتكون النتيجة 8 إجراءات بالصلبة مقابل 17 في المرنة.

 

Image Courtesy of Epec Engineered Technologies webinar, showing difference between manufacturing rigid PCB and flex PCB. حقوق الصورة لـ Epec Engineered Technologies webinar. تظهر الاختلافات في مراحل التصنيع والمواد الداخلة في تصنيع الدارات الصلبة والدارات المرنة.

 

أمثلة على استخدام الدارات المرنة

 

بالواقع إن أمثلة استخدام الدارات المرنة لا يمكن حصرها ولكن إظهار بعض الأمثلة يساعد على تقدير أهمية هذه التقنية. فاستخدامها يتعدّى فقط استخدامها ككبل توصيل flat cable، وبذكر هذا التطبيق يجب الإشارة إلى أنه قد يشكل حلاً أكثر توفيراً مقارنة مع الحاجة في بعض الأحيان لتصميم كابل خاص لوصل داراتين ببعضهما البعض. فتصميم كابل خاص يعني خطوات إضافية في عملية التصميم والتصنيع وبالتالي تكلفة أكبر من اعتماد دارة مرنة كبديل.

إن استخدام الداراة المرنة لاستبدال عنصر إلكتروني بآخر ذو أبعاد مختلفة عن الأول هي مثال آخر وذلك ما قام به ديف من موقع evvblog وذلك لاستبدال المتحكم stm32f070f6p6 بأبعاد TSSOP بالمتحكم stm32f070CB ذو الأبعاد LQFP.

 

Image courtesy of EEVblog #1262. A sketch of flex-pcb outline that will be a TSSOP to LQFP replacement.

حقوق الصورة لـ EEVblog #1262. تُظهر الصورة تخطيط لاستبدال TSSOP بعنصر LQFP باستخدام دارة مرنة.

قام ديف في الفيديو إظهار خطوات التصميم وملاحظات مهمة واختتمها بكيفية الطلب باستخدام مصنّع هو PCBway.

 

Image courtesy of EEVblog #1262. The flex PCB design in 3D.

حقوق الصورة لـ EEVblog #1262. التصميم ثلاثي الأبعاد للدارة.

 

بعض القواعد العامّة في تصميم الدارات المرنة

 

سنذكر في هذه الفقرة بعض القواعد العامّة التي تستخدم في تصميم الدارات المرنة. لن يتم ذكير كل القواعد العامّة ولكن جزء منها، بحيث يعطي انطباع أولي عن تحديات التصميم في هذا النوع من الدارات، وجزء من هذه القواعد مشترك حتى مع الدارات الصلبة.

 

الانتقال من سماكة أسلاك كبيرة إلى صغيرة

 

من طرق الحصول على مرونة أعلى في الدارات المرنة هو تخفيف كمية النحاس الموجود، وبذلك يتم استخدام أسلاك بثخانات قليلة ولكن دوماً يتم استخدام نهايات عريضة عندما يراد لحام هذه النهاية بدارة أخرى. إن اجراء انتقال حاد بالثخانة من كبير إلى صغير سيجعل منها نقطة ضعف وخاصة أثناء اللحام ولذلك يفضل إجراء الانتقال بشكل تدريجي كما يتضح من الصورة.

Image Courtesy of EE Journal. Ben Jordan from the video presented this figure, showing the desired change in width in the right figure, while the left one is not desired.

حقوق الصورة لـ EE Journal. يظهر في الصورة الشكل المرغوب للانتقال بين الثخانات في الشكل اليميني وغير المرغوب في الشكل اليساري.

 

إضافة انزياح مقصود بين أسلاك الطبقتين

 

من النصائح الأخرى هو إضافة انزياح offset بين أسلاك الطبقتين بحيث ألا تكون الأسلاك فوق بعضها البعض متوازية وهذا له أسباب ميكانيكية ولمنع تكسّر الأسلاك.

Image Courtesy of EE Journal. Double sided flex-pcb. An offset is desired to be added between top and bottom traces. حقوق الصورة لـ EE Journal. يظهر في الشكل العلوي المقطعي التوازي في أسلاك الطبقتين بينما في الشكل السفلي الانزياح المرغوب.

 

أقدام العناصر Pads في الدارات المرنة / لواصق التثبيت

 

من المحبذ ولزيادة تماسك رجل العنصر pad وخاصة في الدارات ذات الطبقة الواحدة والثقوب غير المطليّة non-plated holes أن يتم توضّع جزء من الغطاء coverlay/soldermask فوق نحاس الرجل بحيث تمسك بها.

 

 حقوق الصورة لـ Minco flex-circuit design guide

 

وفي نصيحة أخرى يمكن إضافة أجزاء نحاسية (تبدو وكأنها لصاقات) لزيادة تماسك النحاس على المادة المرنة.

 

Hold-down tabs

حقوق الصورة لـ Minco flex-circuit design guide

 

لا للمضلّعات النحاسية polygon المطموسة solid

 

ينصح بعدم استخدام النحاس بشكل مطموس عندما يمكن ذلك، وذلك لأن النحاس يزيد من مقاومة الانحناء و بالتالي يفضل استبدال الطمس بأشكال مفرّغة hatched كما يتضح في الصورة أدناه.

 

Hatched Poly flex PCB

الحقوق للصورة المستخدمة لـ PCBWay

الزوايا المدّورة

 

لزيادة مقاومة الشروخ في المادة المرنة في الأماكن المعرضة للانحناء فإنه يفضل استخدام زوايا مدوّرة عوضاً عن الحادّة وذلك يعطي مقاومة أكبر لحدوث تصدعات وشرخ في المادة المرنة.

حقوق الصورة لـ Minco flex-circuit design guide

 

 تجوال في أداة موقع PCBWay لحساب التكلفة

 

PCBway هو مصنّع للدارات الإلكترونية ويوفر أداة أونلاين لحساب لتقدير كلفة بناء الدارة المرنة، وبما أن السعر أعلى من نظيرها الدارة الصلبة فمن المهم الانتباه لبعض التفاصيل التي من الممكن تقليل الكلفة أو القيام ببعض التعديلات التصميميّة التي تقلل التكلفة.

PCBWay Calculator

PCBWay Calculator

إن الجزء الأول من الأداة هو تحديد نوع الدارة، هل هي مرنة أم صلبة-مرنة وأيضاً تحديد عدد الطبقات في تصميمك وهل تريد استلامها كدارات مقطّعة آحاد أم في إطار panel و طلبها في إطار مهم في حال تجميع العناصر الإلكترونية في آلة Pick and Place PnP.

 

 

من الملاحظات المهمّة حول العدد هي “عدم ضرورة” تأثّر السعر بتغيرات العدد وفي ما يلي مثالين:

  • الأبعاد 10 ملم بـ 10 ملم ، طبقة واحدة، والنتيجة هي: سعر التصنيع الأصغري 111$ سواءً كانت الكميّة واحدة أو حتى 1000. فإما تقوم بتصنيع نماذج بعدد واحد أو اثنين أو تصنع بكمية كبيرة 1000 وبهذا ينخفض تكلفة الدارة الواحد لـ 0.1 دولار.
  • الأبعاد 100 ملم بـ 100 ملم، طبقة واحدة، والنتيجة: أقل سعر تصنيع هو 111$ ويظل كذلك حتى عدد 4 ومن ثم 133$ للعد 5-8.

 

يتم تحديد المادة الأساس في تصنيع الجزء المرن substrate/film في الجزء التالي من الأداة ويوفر الموقع حالياً نوع واحد وهو مادة  Polyimide. مع العلم أنه النوع الأكثر شيوعاً واستخداماً وكما يذكر موقع ويكيبيديا من أنواع مختلفة:

  • polyester (PET)
  • polyimide (PI)
  • polyethylene naphthalate (PEN)
  • polyetherimide (PEI)
  • fluropolymers (FEP) و copolymers

لكن يظل النوع المذكور هو السائد بسبب صفاته الميكانيكية والحرارية والكيميائية والكهربائية.

إن تحديد سماكة المادة المرنة هو الأمر الآخر الذي يجب تحديده، وبعض السماكات يرتبط بعدد الطبقات، فمثلاً السماكة المتاحة لدارة الطبقة الواحدة هي حتى 0.15 ملم و للطبقتين فهي حتى 0.26 ملم. إن زيادة السماكة “قد” يؤدي إلى زيادة في سعر التصنيع. إن كانت السماكة عامل أساسي في تصميمك، فعليك مراجعة جداول السماكات المتاحة لدى PCBWay

 

 

والآن هو وقت إضافة بعض الألوان للدارة من خلال تحديد لون الغلاف الحامي من القصدير solder mask/coverlay ولون الكتابة silkscreen وفي حال الرغبة بتذهيب أطراف الدارة Terminals . لا يظهر تأثير على السعر من هذه الخيارات.

 

 

التحديد التالي هو لخيار قد يكون مهماً لبعض التصميمات وهو الجزء المقوّي الداعم للدارة في بعض المناطق المحددة والمسمى stiffener ويمكن أن يكون لطرف واحد أو طرفين ويمكن أن يكون من مادة الـFR4 القاسية أو معدنيّاً (لم يُذكر نوع المعدن ولكن عادة هي إما ألمنيوم أو ستانلس ستيل).

 

 

إن الجزء الداعم يتم لصقه بالدارة، وقد يؤدي إلى زيادة سعر التصنيع. في الصورة أدناه مثال على استخدام داعم في مكان ثقوب التثبيت Mounting Holes.

 

حقوق الصورة الأصلية المستخدمة لـ PCBWay

 

لاحقاً، يجب تحديد نوع المادة التي سيتم طلاء النحاس المكشوف بها، وهي 4 أنواع من الطلاءات Coating:

  • Immersion Gold (ENIG).
  • Organic Solderability Preservatives (OSP).
  • Immersion Silver (Ag).
  • Immersion Tin.

الهدف من الأنواع كلها هي تحقيق لحام أسهل للعناصر وبخصائص أفضل ولكن لكل نوع مميزات وعيوب يمكن الاطلاع عليها في مراجع أخرى مذكورة في فقرة أقرأ أيضاً.

 

 Immersion Gold (ENIG), Organic Solderability Preservatives (OSP), Immersion Silver (Ag) and Immersion Tin

وعلى ما يبدو فإنّ زيادة سماكة الطلي الذهبي، هي ما تؤدي فقط من بين خيارات الطلي الأخرى إلى ازدياد سعر التصنيع.

لم تنتهِ بعد الخيارات التي يجب تحديدها ومنها تحديد سماكة النحاس، والسماكات المتوفرة المرتبطة بسماكة المادة المرنة كما هو مُتضح في التسجيل أدناه.

 

 

“قد” يؤدي هذا الخيار لزيادة في سعر التصنيع. هنا قد وصلنا الآن لآخر الخيارات.

 

 

يوفر مصنع PCBWay بعض الاختبارات الكهربائية التي يمكن من خلالها كشف عيوب تصنيع قد تطرأ مثل قِصَرْ كهربائي short-circuit أو انقطاعات في الأسلاك.

الخيار التالي هو تحديد في حال الحاجة إضافة مادة لاصقة للدارة ليتم استخدامها لاحقاً في تثبيت الدارة في سطح ما أو شيء آخر.

أخيراً وليس آخراً: في حال كان التطبيق حساس للأمواج الكهرطيسية، فإن المصنّع يوفر نوع من العزل Electromagnetic interference (EMI) shield وهذا مشابه للغلافات المعدنية التي نراها في بعض الدارات الصلبة.

 

emi flex pcb

الغلاف في الصورة اليسارية هو المنطقة باللّون الأسود

 

بعد الانتهاء من كل الخيارات، نصل لمرحلة رفع التصميم للموقع كـGerber ليتم مراجعتها من قبل المُصنّع. في حال اهتمامك بوجود جزء ثاني يتناول التصميم ووضع الطلب على الموقع يمكنك ترك ذلك في تعليق في خانة التعليقات.

 

اقرأ أكثر

 

  • مقالة من موقع PCBWay توضّح مراحل التصنيع للدارات المرنة manufacturing process of flex PCBs.
  • اقرأ أكثر عن الخصائص وأنواع المواد المرنة المستخدمة في الفصل الثاني عشر (Flexible Printed Circuit Boards) من الكتاب from Printed Circuit Board: Design, Fabrication and assembly  لكاتبه Dr R S Khandpur.
  • يمكن الاطلاع على المعيار IPC 2223 لتصميم الدارات المرنة، وبما أنه غير مجاني فإنه يمكن قراءة بعض التلاخيص مثل  7 Important Elements of IPC 2223 and Their Impact on Performance and Reliability  من شركة epec Engineering Technologies.
  • كتيبات توجيهية لتصميم الدارات المرنة مثل كتيب Wurth electronics  و MICNO مليئة بالنصائح والمعلومات.
  • لمعرفة ميزات/عيوب أنواع التغطية coating المستخدمة في الدارات يمكن الاطلاع على مقالتين من  Techdesign و Grabian.
  •  الموقع الشهير EEVBlog قدم حلقة عن تصميم الدارة المرنة في أحد داراته مبرزاً خطوات التصميم والتخطيط و ملاحظات مهمة أخرى. وفي مصدر فيديو آخر، لقاء EE Journal مع مهندس من شركة Altium ليقدم نصائح مختلفة و ملاحظات عن الدارات المرنة و الصلبة-المرنة.
SMT Assembly Service + Free Shipping + Free Stencil for $30

Yahya Tawil

يحيى هو مدير التحرير في عتاديات ويؤمن بأهمية المحتوى المكتوب المجاني والنوعي والعملي. خبرته في مجال النظم المضمّنة تتركز في كتابة البرامج المضمنة وتصميم الدارات المطبوعة والنظرية وإنشاء المحتوى.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى