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

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.

 

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.

 

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.

 

حقوق الصورة لـ EEVblog #1262

 

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

 

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.

 

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.

 

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.

 

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.

 

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.

 

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.

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.

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.

 

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.

 

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

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:

 

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:

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:

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.

 

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.

 

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

 

Exit mobile version