لوحة الدوائر المطبوعة المرنة

لوحات الدوائر المرنة: الأنواع، التصاميم، والتطبيقات

يمكن ثني لوحات الدوائر المطبوعة المرنة (Flexible PCBs) لتتناسب مع المساحات الضيقة أو المتغيرة. يتم تصنيعها بطبقة من النحاس موضوعة على فيلم ركيزة مرنة لتقليل حجم الجهاز. وغالبًا ما تُستخدم في الكاميرات والهواتف الذكية والأجهزة الطبية. توفر خصائص الانحناء مرونة في التصميم مع ضمان موثوقية نقل الإشارة.

يمكن للدوائر المطبوعة المرنة تقليل حجم ووزن الأجهزة، مما يجعل المنتجات أرق وأخف، وتحسين راحة ومتانة الأجهزة القابلة للارتداء. كما أنها تقلل من الحاجة إلى الكابلات والمكونات، وتبسط عمليات التجميع وتحسن من كفاءة الإنتاج. تتميز لوحات الدوائر المرنة بمقاومتها للحركة والإجهاد، وتُستخدم على نطاق واسع في المركبات الكهربائية والطائرات المُسيَّرة والمنازل الذكية وغيرها من المجالات، مما يعزز تقدم تكنولوجيا التصنيع.

يغطي المحتوى التالي الأنواع والهياكل الرئيسية بالإضافة إلى مزايا وعيوب اللوحات الدوائر المرنة، ويقارنها باللوحات الدوائر الجامدة.

ما هي اللوحة الدوارة المرنة؟

اللوحة الدوائر المرنة هي لوحة دوائر رقيقة تستخدم فيلمًا مرنًا كركيزة، وتحمل أسلاكًا نحاسية لنقل الطاقة والإشارات. يمكن للركيزة أن تنحني أو تتشكل أو تطوى لتتناسب مع قيود المساحة. لوحة الدوائر المطبوعة المرنة اللوحة تعتبر خيارًا مثاليًا عندما لا تستطيع اللوحة الدوائر الجاسئة (PCB) الوفاء بمتطلبات المساحة أو المتطلبات الديناميكية.

بالمقارنة مع اللوحة الدوارة الجامدة التي تستخدم ركيزة صلبة، يمكن ثني لوحات الدوائر المرنة لتتناسب مع حركة الجهاز أو المساحات المحدودة، وتقليل استخدام الموصلات والكابلات، وتخفيف الوزن وتبسيط عملية التجميع.

تستخدم الدوائر المطبوعة المرنة (Flexible PCB) غالبًا فيلم البولي إيميد أو البوليستر كركيزة. ويتم لصق رقائق النحاس بالركيزة باستخدام مواد لاصقة، ويقوم الغطاء الواقي (Coverlay) بحماية الأسلاك والحفاظ على قابلية الانحناء. وتُستخدم العوازل (Stiffeners) للحصول على دعم محلي للمكونات، ويُستخدم الغطاء الواقي لتحسين العزل والمتانة. ويتم ضبط عدد الطبقات والسماكة وفقًا لمتطلبات التطبيق لتحقيق توازن بين المرونة والمتانة. كما تمتلك هذه الدوائر نطاقًا واسعًا من الاستخدامات، مثل الكاميرات والهواتف المحمولة والأجهزة القابلة للارتداء والمستشعرات ومقاييس التصوير الطبي ونظارات الواقع الافتراضي والطائرات المُسيّرة. وتستخدمها صناعة السيارات في عدادات القياس والمستشعرات، وتستخدمها صناعة الفضاء والطيران لخفتها وقابلية انحنائها، كما يمكن تطبيقها أيضًا في الروبوتات التي تحتوي على أجزاء متحركة.

مُواصفات الدوائر المطبوعة المرنة في شركة LHD TECH

أنواع الدوائر المرنة

توجد الدوائر المرنة بأنواع عديدة وتُستخدم على نطاق واسع في المكونات والأجهزة الإلكترونية. فيما يلي بعض المقدمة المحددة:

لوحة دوائر مرنة أحادية الجانب

تُرتّب الدوائر النحاسية على جانب واحد فقط من الركيزة. ويحمل فيلم البولي إيميد الإشارة، بينما يوفّر فيلم التغطية الحماية وتحديد الانحناء. والبنية رقيقة جداً ومنخفضة التكلفة، وهي مناسبة للدوائر الأساسية. ومن التطبيقات النموذجية لها توصيلات الاستشعار، وأشرطة الإضاءة LED، والاتصالات الإشارية الأساسية. وعادةً ما يتطلب الأمر ثنيها مرة واحدة فقط أو تركها مستقيمة لتقليل حزم الأسلاك والوزن. والتصنيع بسيط وهو مناسب لإنتاج الكميات الصغيرة. أما العيب فهو أن سعة التوصيل محدودة، ويحتاج التوصيل المعقد إلى أسلاك توصيل (Jumpers) أو أسلاك خارجية، ويجب تجنّب تقاطع التوصيلات في حالة التوصيل بطبقة واحدة، كما أن اللوحة المُعزّزة تزيد من السُمك.

لوحة الدوائر المرنة المزدوجة الجانب

تُرتّب الدوائر النحاسية على جانبي الركيزة، ويتم تحقيق الاتصال بين الطبقات من خلال الثقوب الكاملة أو الثقوب المجهرية. تكون كثافة التوصيل أعلى عند نفس الحجم، ويتم حماية الغطاء المزدوج. اجعله خفيفًا ورفيعًا، وتعامل مع إشارات متوسطة التعقيد. تطبيقات نموذجية تشمل ماسحات الباركود، ووصلات الكاميرا، ولوحات الإضاءة الخلفية LED. الميزة هي أن خطوط الطاقة والإشارة منفصلة، والتوصيل أكثر مرونة. العيب هو أن عملية التصنيع (الحفر، والطلاء الكهربائي) معقدة أكثر، وأن التكلفة أعلى من تلك الخاصة باللوحة ذات الوجه الواحد. النقطة الأساسية في التصميم هي تجنب ترتيب الثقوب الكاملة في منطقة الانحناء؛ اتبع قواعد تصميم منطقة الانحناء التي يوفرها المصنّع (مثل عرض وتباعد السلك) لضمان الموثوقية على المدى الطويل.

لوحات الدوائر المرنة متعددة الطبقات

يحتوي على ثلاث طبقات موصلة من النحاس أو أكثر، مفصولة بطبقات عازلة مرنة. يمكن ترتيب الطبقة الداخلية مع طبقة الطاقة وطبقة الأرضي لتقليل الضوضاء. الاتصال عبر ثقوب عمياء أو مدمجة يوفر المساحة. حماية شاملة بواسطة فيلم غطاء. مناسب للدوائر عالية السرعة، ووحدات الترددات الراديوية (RF)، واتصالات الوحدات الصغيرة للكاميرات. الميزة هي أن طبقات الطاقة والأرضي والإشارات متكاملة في هيكل رقيق، مع سلامة إشارات جيدة ومقاومة قوية للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI). العيب هو التكلفة العالية للتصنيع والعملية المعقدة. النقطة الأساسية في التصميم هي أن عدد الطبقات يحدد السماكة والعملية؛ يتم ترتيب الإشارات الرئيسية في الطبقة الداخلية؛ زيادة عدد الطبقات تتطلب زيادة نصف قطر الانحناء الأدنى، ويجب تحقيق توازن بين الموثوقية والمرونة.

لوحة دوائر مرنة ديناميكية وساكنة

تعتمد جميع التصاميم المرنة على مواد قاعدة مرنة. تُستخدم اللوحات المرنة الثابتة في الحالات التي تتطلب تركيبًا واحدًا فقط وثنيًا (مثل الكاميرات والهواتف المحمولة) بسعر منخفض. تُستخدم اللوحات المرنة الديناميكية في الأماكن التي تتطلب ثنيًا متكررًا (مثل المفصلات والشاشات القابلة للطي). ويجب تصميم هذا النوع خصيصًا بحيث يتحمل آلاف دورات الثني: تقليل إجهاد سلك النحاس وتعيين خط ثني محايد. ويعتمد اختيار المواد (الركيزة، فيلم التغطية، سمك النحاس) على متطلبات الثني والميزانية.

لوح دائرة مطبوعة مرنة مع لوحة تقوية

لوحة دوائر مرنة مع لوحة تقوية، تُثبت اللوحة المُقوِّية (المواد: FR4، بوليمر فائق، ورقة معدنية) إلى منطقة محددة على اللوحة المرنة باستخدام لاصق. وظيفتها هي دعم المكونات الأثقل (مثل الموصلات، الرقاقات)، وتعزيز التماسك والصلابة المحلية، ومنع تشقق الوصلات اللحام بسبب الانحناء. أما مواقع التطبيق فهي وسادة الموصل، أسفل المكون، حافة اللوحة، ونقاط الاختبار. أما نقاط التصميم فهي أن منطقة اللوحة المُقوِّية تحتاج إلى أن تُحتفَظ بها لتجنب التأثير على منطقة الانحناء المجاورة، وأن يكون الالتصاق قويًا ومقاومًا للحرارة، وأن يكون غطاء المنطقة الانتقالية ناعمًا، وأن تؤخذ في الاعتبار ضرورة تعديل عمليات التجميع واللحام عند التمديد المحلي.

لوحة الدوائر المطبوعة الصلبة-المطوية

دمج منطقة اللوحة الصلبة والمنطقة المرنة في هيكل واحد. يتم ضغط الطبقة المرنة داخل الجزء الصلب أثناء التصنيع. وميزة ذلك هي أنه لا توجد حاجة لأسلاك إضافية لتوصيل المنطقة الصلبة؛ حيث يتم توفير دعم صلب محلي مع الحفاظ على الاتصالات المرنة، وتقليل الوزن، وحفظ المساحة، وتبسيط عملية التجميع. وتُستخدم بشكل رئيسي في صناعات الطيران والفضاء والغرسات الطبية والمعدات العسكرية. والمتطلبات الخاصة هي تقنيات طبقات ومحاذاة عالية الدقة. ونقاط التصميم الرئيسية هي تحديد التوافق الميكانيكي ومسارات الانحناء في المرحلة المبكرة؛ ويحتاج إلى أدوات CAD لدعم تصميم الهياكل المختلطة.

هيكل الدوائر المطبوعة المرنة

النواة عبارة عن فيلم ركيزة مرنة (مثل البولي إيميد). يتم لصق رقائق النحاس عليه لتشكيل الدائرة. ويضمن الغراء التصاق طبقة النحاس بالركيزة. ويُستخدم غطاء الفيلم كطبقة خارجية لتقديم الحماية من الرطوبة والتآكل ويطيل عمر المادة المرنة.

الحد الأقصى لدرجة الانحناء لـ PCB المرنة

نصف قطر الانحناء هو مقياس لقدرة الانحناء القصوى للوحات المرنة. القاعدة الشائعة هي "نصف قطر الانحناء ≈ سمك اللوحة × 10". على سبيل المثال: لوحة بسمك 0.1 مم يكون الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء هو 1 مم.

يُسمح بنصف قطر أصغر (مثل سمك × 5) لانحناء لمرة واحدة فقط.

في حالة الانحناء المتكرر، يجب اتباع الحد الأدنى لنصف القطر بدقة، وإلا فإنه من السهل أن يؤدي ذلك إلى كسر المواد بسبب التعب المعدني. تؤثر المادة على الأداء. البولي إيميد مقاوم للحرارة ويتحمل الانحناء المتكرر، بينما يتميز البوليستر بتكلفة منخفضة ومناسب للتطبيقات الثابتة. كلما قل سمك رقائق النحاس، زادت المرونة.

دور المُثَبِّت في الدوائر المطبوعة المرنة

الوظيفة الرئيسية هي توفير استواء محلي ودعم ميكانيكي للنقاط (الموصلات، المكونات، نقاط الاختبار). منع تشقق الوصلات اللحامية بسبب إجهاد الانحناء. يُحتاج إلى أديبات مقاومة للحرارة لتثبيت الربط بشكل محكم.
المواد المستخدمة: FR4 (تكلفة منخفضة)، بوليمر البولي إيميد (مطابقة حرارية جيدة)، ورقة ألمنيوم (قوة عالية). تحتاج العوازِل إلى قطع دقيق وعلاج الحواف (مثل لف الشريط/غطاء الفيلم) لمنع التشقق.

اقتراحات تصميم الدوائر المطبوعة المرنة

التخطيط للأسلاك: حدد عرض السلك (يؤثر على الحمل الكهربائي والصلابة) والتباعد (لتجنب القصر الكهربائي عند الانحناء) في أقرب وقت ممكن. يجب أن تكون الأسلاك في منطقة الانحناء على شكل منحنيات سلسة.

معالجة منطقة الانحناء: تجنب الخطوط الإشارية الرئيسية والثقوب المعدنية. يتم توزيع الشبكات الرئيسية في المناطق المستقرة.

وضع المكونات: قم بوضعها أولاً في المناطق غير المنحنية. إذا كانت قريبة من منطقة الانحناء، ففكر في استخدام وصلات مرنة أو مقابس ZIF.

أدوات التصميم: استخدم أدوات CAD التي تدعم التصميم المرِن، مع نمذجة الطبقات، تحليل الإجهاد، ومحاكاة الانحناء، لتسهيل التعاون مع التصميم الميكانيكي.

مزايا الدوائر المطبوعة المرنة

• تتناسب مع الانحناءات والمساحات الضيقة، وتوفير الحجم
  
• يقلل وزن الركيزة من الفيلم الرقيق
  
• يقلل من الكابلات والمكونات المتصلة، ويسهل عملية الربط البيني
  
• يتحمل الانحناء المتكرر (تصميم ديناميكي)، مناسب للأجزاء المتحركة
  
• منتجات نهائية خفيفة الوزن تقلل من تكاليف النقل
  

تكنولوجيا الدوائر المطبوعة المرنة توسّع إمكانيات التصميم من خلال توفير المساحة وتخفيف الوزن وتبسيط التجميع. اختر بين اللوحات أحادية الوجه أو ثنائية الوجه أو متعددة الطبقات أو المركبة صلبة-مرنة حسب احتياجاتك. وضمان موثوقيتها في التطبيقات الديناميكية من خلال اختيار المواد المناسبة وتخطيط الأسلاك وتصميم الانحناء.

توفر شركات تصنيع مثل PCBasic خبرة ودعمًا سريعًا في تصنيع النماذج الأولية والإنتاج الضخم. اختيار النوع الصحيح من اللوحات المرنة يساعد في تطوير أجهزة إلكترونية رفيعة وخفيفة بفعالية وموثوقية للأجزاء المتحركة.