تصميم لوحة الدوائر المطبوعة المرنة الصلبة: الفوائد وأفضل ممارسات التصميم

باستخدام لوحة دارات مطبوعة مرنة صلبة (FPC صلبة)، تُغطى ركائز الدوائر المرنة والصلبة معًا. تتجاوز لوحات الدارات المطبوعة المرنة الصلبة حدود الدوائر التقليدية. مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور جامدة والخصائص الفريدة للدوائر المرنة التي تستخدم موصلات نحاسية عالية المرونة معززة بالترسيب الكهربائي أو النقل محفورة في صورة على فيلم واقي مرن.

تتضمن الدوائر المرنة تراكمات تم إنتاجها باستخدام بولي إيميد مرن، مثل Kapton أو Norton ومغطاة بالنحاس معًا من خلال الحرارة والإسمنت الأكريليكي والوزن.

وبالمثل، في لوحات الدوائر المطبوعة التقليدية، يُمكن تركيب أجزاء على جانبي اللوحة الصلبة. ونتيجةً للتداخل بين الدوائر الصلبة والمرنة، لا يستخدم تكوين "الصلبة-المرنة" موصلات أو كابلات توصيل بين الأجزاء، بل تربط الدوائر المرنة الهيكل كهربائيًا.

يؤدي غياب الموصلات والكابلات المتصلة إلى تحقيق بعض الأشياء:

• تحسين قدرة الدائرة على إرسال الإشارات دون أي مشكلة
• يستوعب معاوقة متحكم بها
• يزيل مشاكل الارتباط، على سبيل المثال، المفاصل الباردة
• يقلل الوزن
• يوفر مساحة لأجزاء مختلفة

تُقسّم كل لوحة دوائر مطبوعة صلبة ومرنة إلى مناطق تُصنّف موادًا مختلفة ومجموعات طبقات مختلفة. تحتوي المناطق الصلبة عادةً على طبقات أكثر من المناطق المرنة، وتنتقل المواد من FR-4 إلى البولي إيميد مع مناطق تغيير كبيرة.

تتغير الهياكل المعقدة باستمرار من صلبة إلى مرنة، ثم تعود إلى صلبة في مناسبات مختلفة. ومع حدوث هذه التقاربات، يتطلب غلاف المواد الصلبة المرنة صد فتحات من منطقة التغيير للحفاظ على السلامة. وبالمثل، تتضمن العديد من تصميمات المواد الصلبة المرنة مقويات من الفولاذ المقسّى أو الألومنيوم، مما يوفر دعمًا إضافيًا للموصلات والأجزاء.

تكلف الأحمال الصلبة FPC أكثر بكثير من الألواح الصلبة المتطابقة عمليًا وعادةً ما تكون تكلفتها أعلى بعدة مرات من تكلفة الدائرة المرنة مع المقوي.

ومع ذلك، فإن التكلفة المتزايدة مبررة فيما يتعلق بتطبيقات ومواقف محددة، على سبيل المثال:

• تطبيقات عالية الجودة. في حال تعرض الطرف لصدمات شديدة أو متكررة، أو اهتزازات عالية، فإن الموصلات ذات الكابلات المرنة تكون أكثر عرضة للتلف. يوفر FPC الصلب موثوقية عالية حتى عند تعرضه لصدمات شديدة.
• تطبيقات عالية السُمك. داخل منطقة صغيرة مُسيّجة، يصعب أحيانًا توفير جميع الكابلات والموصلات التي يتطلبها تصميم لوحة الدوائر المطبوعة الإلكترونية. يمكن تركيب صفائح FPC الصلبة في مقاطع صغيرة جدًا، مما يوفر مساحة كبيرة في هذه الحالات.
• خمس صفائح صلبة أو أكثر. إذا كان تطبيقك سيتضمن في النهاية خمس صفائح صلبة أو أكثر متصلة ببعضها البعض بكابلات مرنة، فإنّ تركيب كابلات مرنة صلبة مُنسّقة هو عادةً الخيار الأمثل والأكثر توفيرًا من الناحية المالية.

تنطبق قواعد التصميم المتنوعة على تصميم أوامر الشراء الصلبة والمرنة

تُوازن الصعوبات المختلفة بين المرونة والقدرة على التكيف التي تُمكّنك من تصنيع تصاميم ومنتجات ثلاثية الأبعاد. تُمكّنك تصاميم PO الصلبة المرنة التقليدية من تركيب الأجزاء والموصلات وإطار المنتج على الجزء الصلب الأكثر صلابة من المجموعة. أما في التصاميم التقليدية، فتعمل الدائرة المرنة فقط كوصلة بينية، مع تقليل الوزن وتحسين الحماية من الاهتزاز.

قدّمت هياكل العناصر الجديدة، إلى جانب ابتكارات الدوائر المرنة المُحسّنة، قواعد تصميم جديدة لعمليات الشراء المرنة الصلبة. أصبح لدى فريقك الآن فرصة تركيب الأجزاء على منطقة الدوائر المرنة. يتيح لك دمج هذه الفرصة مع نهج متعدد الطبقات لإدارة تصميمات الدوائر المرنة الصلبة، أنت وفريقك دمج المزيد من الأجهزة في الهيكل. مع ذلك، ينطوي استغلال هذه الفرصة على بعض الصعوبات من حيث التوجيه والفجوات.

تحتوي الدوائر المرنة باستمرار على خطوط انحناء تؤثر على التوجيه. ونظرًا لاحتمالية ضغط المادة، لا يُمكن وضع أجزاء أو فتحات بالقرب من خط الانحناء. وحتى عند تحديد الأجزاء بشكل صحيح، تُركز دوائر الانحناء المرنة أوزانًا ميكانيكية مُكررة على وسائد التثبيت السطحي والفتحات العرضية. يُمكن لفريقك تخفيف هذه المشاكل باستخدام طلاء الفتحات العرضية وتعزيز دعامة الوسادة بطبقة إضافية لتثبيت الوسائد.

عند تخطيطك لتوجيه التتبع، اتبع تمارين تُخفف الوزن على دوائرك. استخدم مضلعات مُحْضَنة للحفاظ على المرونة عند نقل مستوى الطاقة أو الأرض على دائرة المرونة. يُنصح باستخدام التتبعات المنحنية بدلاً من الزوايا بزاوية 90 درجة أو 45 درجة، واستخدام أنماط التمزيق لتغيير عرض التتبعات. تُبرز هذه التمارين التركيز والمناطق المهتزة. ومن الممارسات الجيدة الأخرى نقل الضغط عبر التتبعات عن طريق محاذاة التتبعات العلوية والسفلية لدوائر المرونة ثنائية الجوانب. موازنة التتبعات تمنع التتبعات من التداخل بشكل متساوٍ وتعزز قوة الشد.

يجب عليك أيضًا توجيه التتبعات عكس خط الالتواء لتقليل الضغط. عند استبدال الصلب بالمرن والمرن بالصلب، قد يختلف عدد الطبقات من وسط إلى آخر. يمكنك استخدام التوجيه التتبعي لزيادة صلابة دائرة المرونة عن طريق موازنة التوجيه للطبقات المجاورة.

إرشادات تصميم FPC الصلبة

بشكل عام، سيبدو تكوين المرونة الصلبة مشابهًا لهيكل لوح صلب، حيث تمتد الطبقات المرنة بالكامل إلى الأجزاء الصلبة من اللوح. كما هو الحال مع تنسيقات الألواح الصلبة، ستتضمن حزمة إنشاء المرونة الصلبة طبقات Gerber، بالإضافة إلى ملفات الحفر، وطبقات حجاب التصحيح، والتصنيف، وسجلات مسار المحيط، وطبقة التغطية، وما إلى ذلك.

عادةً، توجد بعض التناقضات الرئيسية بين حزم التصنيع الخاصة بألواح FPC الصلبة وتطبيقات الألواح الصلبة:

• عادةً ما تحتوي ألواح FPC الصلبة على أبعاد أكثر بكثير، ويجب أن تُحدد المتطلبات بدقة، نظرًا لاستخدامها بشكل شائع في التطبيقات ثلاثية الأبعاد. كما يجب أن تُحدد بدقة مناطق التقدم من الصلبة إلى المرنة، نظرًا لعدم وضوحها دائمًا عند فحص طبقات Gerber وحدها.
• يُعدّ توزيع المواد في صفائح المرونة الصلبة أمرًا أساسيًا، ويجب تحديده بالتعاون مع مُصنِّعك. يُمكن لمُصنِّعك مساعدتك في اتخاذ القرارات المناسبة بشأن المواد بناءً على احتياجاتك، مثل تصنيف قابلية الاحتراق وفقًا لمعايير UL، وأقل نصف قطر دوران مطلوب، والاعتبارات الميكانيكية، والتحكم في المعاوقة لكلٍّ من الطبقات المرنة والصلبة، وشهادة RoHS، وتوافقية التجميع الخالية من الرصاص، واعتبارات أخرى.
• عادةً ما تتطلب ألواح المرونة الصلبة طبقات إضافية في مستندات Gerber. تحتوي الطبقتان 1 وX على طبقات حجاب لحام، ولكنك ستحتاج أيضًا إلى طبقات فنية تُحدد طبقة الغطاء وأجزاء الربط (عند الحاجة) للوح، وكمية كل منها في الألواح الصلبة. يُشير معيار IPC 2223 إلى 0.100 بوصة، ولكن قد يتمكن مُصنِّعك من تلبية أقل من ذلك.

ما الذي يؤثر على تصميم PCB الصلبة المرنة؟

العوامل الكهروميكانيكية تؤثر على التصميم

عند تصميم لوحات الدوائر المطبوعة المرنة الصلبة، ضع في اعتبارك العوامل الكهروميكانيكية التي تؤثر على الدائرة المرنة واللوحة الصلبة. أثناء بناء هيكلك، ركز على نسبة نطاق الانحناء إلى السُمك. في الدوائر المرنة، تزيد الانحناءات الضيقة أو السُمك المتزايد في منطقة الالتواء من احتمالية الفشل. ينصح المصنعون بالحفاظ على نطاق الانحناء بما لا يقل عن ضعف سُمك مادة الدائرة المرنة، وبناء "دمية ورقية" من نفس الدائرة لتحديد أماكن حدوث الالتواءات.

يجب الامتناع عن تمديد دائرة المرونة مع لفها الخارجي أو تعبئتها مع اللف الداخلي. يؤدي تمديد حافة المنحنى لأكثر من 90 درجة إلى زيادة التمدد عند نقطة معينة والضغط عند نقطة أخرى على دائرة المرونة.

من العوامل الرئيسية الأخرى التي تؤثر على جودة ثبات الموصلات المرنة الصلبة سمك ونوع الموصل المستخدم في منطقة الالتواء. يمكن تقليل السُمك والإجهاد الميكانيكي بتقليل كمية الطلاء على الموصلات واستخدام وسائد للطلاء فقط. يؤدي استخدام الطلاء الثقيل بالنحاس أو الذهب أو النيكل إلى تقليل المرونة عند الانحناء، مما يسمح بحدوث إجهاد ميرليني وتشقق.

اعتبارات وضع المواد

تؤثر طبقات مواد FPC الصلبة بشكل كبير على التكلفة وقابلية التصنيع وأداء PCB، لذا من الضروري استثمار الجهد في اختيار مجموعة المواد المثالية. على سبيل المثال، تُعد متطلبات التحكم في المقاومة والمقاومة وتوصيل التيار عوامل بالغة الأهمية تؤثر على أحمال النحاس واختيار المواد.

ينبغي على مهندس لوحات الدوائر المطبوعة التعاون مع مُصنِّع اللوحات لفحص هذه العوامل، حتى يتوافق التصميم اللاحق مع جميع متطلبات سلامة العلامة. بعد أن يُجري المُصنِّع الحسابات الأولية، يُمكن للمُصنِّع فحصها، وتقديم عرض أدق لخصائص معاوقة اللوحة، ومجموعة المواد اللازمة لتحقيقها.

إذا لم تكن خصائص المقاومة أساسية، فأنت تبحث عن أرخص عروض تصميمات الصلابة المرنة وأكثرها استقرارًا. يوفر تصميم الصلابة المرنة أقل تكلفة للمواد الخام، مع توفير نقطة انطلاق آمنة للمصممين الجدد على هذا النوع من التصميمات.

إذا كنت ترغب في الحصول على تقدير سريع لتكلفة تصميمك المرن الصلب، فجرب أداة تقدير تكلفة التصميم المرن الصلب. ستلبي هذه الأداة احتياجاتك وستقدم لك تكلفة متوقعة لمبالغ الإنتاج منخفضة المستوى. إنها نقطة بداية رائعة للتحقق من مدى ملاءمة تصميمك ماليًا لمتطلبات برنامجك.

تتكون الأجزاء الصلبة من الألواح المرنة الصلبة عادةً من ٢٠ طبقة أو أقل. قد تحتوي أحيانًا على أكثر من ٢٠ طبقة، ولكن من النادر جدًا وجود أكثر من عشرين طبقة. لا يشترط أن يكون لجميع ألواح الألواح الصلبة نفس عدد الطبقات. على سبيل المثال، قد يكون لديك جزء صلب واحد يحتوي على ١٦ طبقة من المواد وجزء آخر يحتوي على ١٢ طبقة. طالما كانت طبقات المواد متشابهة في كليهما، وكانت الأحمال متشابهة في السُمك، فلن تكون هناك مشاكل في التجميع. في بعض الأحيان، قد يستخدم تصميم ما ألواحًا صلبة مختلفة السُمك، ولكن هذه التركيبات أصعب بكثير، ويجب مراعاة خيارات أخرى.

عادةً ما تتكون المناطق المرنة من الصفائح الصلبة المرنة من طبقة واحدة (مفردة)، أو طبقتين (مزدوجة)، أو ثلاث طبقات (ثلاثية)، أو أربع طبقات (رباعية). في بعض الأحيان، يحتاج المُنشئ إلى أكثر من أربع طبقات فوق المناطق المرنة من الصفائح، ولكنها غالبًا ما تكون غير مُترابطة. تتميز المناطق المرنة المُعززة التي تحتوي على أكثر من أربع طبقات بمقاومتها العالية للالتواء والانثناء. عادةً ما تكون أحمال النحاس على الطبقات المرنة من الصفائح الصلبة المرنة أحمالًا بنصف أونصة وأونصة واحدة.

أحيانًا يتطلب العمل الكهربائي أحمالًا بوزن أونصتين. في هذه الحالات، يجب على المصمم التعاون بشكل وثيق مع مُصنِّعه لاختيار مادة التشريب المسبق غير المتدفقة المناسبة، لملء الدوائر السميكة في الألواح الصلبة بشكل كافٍ. لا تُفضل مادة التشريب المسبق غير المتدفقة، بحكم تكوينها، التدفق، وقد تُسبب مكونات الأونصتين بعض الصعوبات. يُستخدم أحيانًا وزن نحاسي بوزن ثلاث أونصات، وقد يُسبب صعوبات كبيرة في التجميع لنفس السبب.

يتطلب تصميم لوحة الدوائر المطبوعة الصلبة والمرنة العمل الجماعي

تُمكّن أدوات تكوين لوحات الدوائر المطبوعة الجديدة فريق التصميم لديك من التعامل مع طبقات متعددة، وتصور الهياكل الكهروميكانيكية ثلاثية الأبعاد، والتحقق من عناصر التحكم في التكوين، ومحاكاة عمل الدوائر المرنة. وحتى مع وجود هذه الأدوات، يعتمد التصميم الفعال للوحة الدوائر المطبوعة الصلبة المرنة على العمل الجماعي بين فريقك والمصنعين.

يجب أن يبدأ العمل الجماعي في المراحل الأكثر دقة من المشروع ويستمر طوال عملية البناء ويعتمد على التواصل المستمر.

تطمئنك شركة Moko Technology بقدراتها القوية وخبرتها، إذا كنت بحاجة إلى FPC صلب، فمرحباً بك في زيارتك https://www.mokotechnology.com/