ما الذي يجعل تجميع لوحات الدوائر المرنة (PCB) مثاليًا للأجهزة القابلة للارتداء؟

العنوان الوصفي: تجميع لوحات الدوائر المطبوعة للأجهزة القابلة للارتداء — مواد اللوحات المرنة، تقنيات تركيب السطح (SMT)، ومبادئ التصميم الصناعي (DFM) الوصف الميتا: تعرف على أفضل الممارسات لتجميع لوحات الدوائر في الأجهزة القابلة للارتداء: مواد اللوحات المرنة (مثل البولي إيمييد والغطاء الواقي)، ملفات تركيب السطح/اللحام بالانصهار، الطلاء الواقي، ضبط الترددات اللاسلكية، إرشادات مبادئ التصميم الصناعي، ووقاية من الأعطال الشائعة.

1. المقدمة: ثورة اللوحات المرنة واللوحات الهجينة (مرنة وصلبة)

لقد شهد العقد الماضي تحولًا جذريًا في طريقة تصميم الأجهزة الإلكترونية، خاصة في مجال التكنولوجيا القابلة للارتداء و الأجهزة الطبية الأجهزة القابلة للارتداء. يتوقع المستهلكون اليوم ليس فقط ميزات ذكية، بل أجهزة فائقة الصغر، خفيفة كالريشة، ومتينة مثل الساعات الذكية , أجهزة تتبع اللياقة البدنية , أجهزة المساعدة السمعية , رقع الحساسات الحيوية ، والمزيد. وقد دفع هذا الطلب تجميع لوحات الدوائر القابلة للارتداء إلى دائرة الضوء، مما يجبر المصممين والمنتجين على إعادة التفكير في كل شيء بدءًا من المواد ووصولًا إلى استراتيجيات الاتصال.

الدوائر المطبوعة المرنة (FPC) و لوحة الدوائر المطبوعة الصلبة-المطوية أصبحت التقنيات حجر الأساس لهذه الموجة الجديدة. على عكس اللوحات التقليدية، اللوحات الدوائر المطبوعة المرنة يمكن ثنيها والالتواء وتكييفها مع أغلفة المنتجات الصغيرة والغير منتظمة الشكل. اللوحات شبه المرنة (Rigid-flex PCBs) تقدم خطوة أبعد، حيث تدمج مناطق مرنة وصلبة ضمن نفس اللوحة، ما يخلق اتصالات كهربائية سلسة في أصعب زوايا المنتجات. هذه الابتكارات في تجميع FPC لا تقلل الحجم والوزن فحسب، بل تحسن متانة الجهاز، وتعزز الأداء، وتمكّن من إمكانات جديدة مثل تصاميم الشاشات المنحنية أو المستشعرات الطبية التي تناسب الجسم بشكل مريح.

وفقًا لاستبيان صناعي لعام 2025 (IPC، FlexTech)، فإن أكثر من 75% من تصاميم الإلكترونيات القابلة للارتداء والأجهزة الطبية الجديدة تحتوي الآن على شكل من أشكال الدائرة المرنة أو التكامل الصلب-المرن من المتوقع أن يتسارع هذا الاتجاه مع تطور المنتجات لتصبح أكثر ذكاءً ورقة ومتانة. في الواقع، روابط التوصيل عالية الكثافة (HDI) مكوّنات SMT فائقة الصغر مكوّنات SMT 0201 , ووظائف متقدمة مواد الدوائر المطبوعة المرنة من البولي إيميد أصبحت قياسية في تجميع اللوحات المطبوعة للإلكترونيات القابلة للارتداء .

«جوهر الابتكار في الأجهزة القابلة للارتداء هو التصغير. ولكن لا يمكن تحقيق التصغير إلا بفضل التقدم الكبير في تصنيع وتجميع اللوحات المطبوعة المرنة.»  — بول توم، مدير المنتجات فليكس وفليكس-ريجيد، تقنيات Epec الهندسية

إليك ما يجعل هذا العصر الجديد من اللوحات الإلكترونية للإلكترونيات القابلة للارتداء مثيرًا جدًا:

• توفير المساحة والوزن: يمكن أن تكون الأجهزة القابلة للارتداء الحديثة رقيقة مثل العملة المعدنية ومع ذلك توفر اتصالاً كاملاً، وذلك بفضل تركيباتها الرقيقة المرنة ولوحات الدوائر الصغيرة الحجم.
• المتانة والراحة: يمكن لدوائر البولي إيميد المرنة (Polyimide FPCs) تحمل آلاف دورات الثني بشكل موثوق، مما يجعلها مثالية للأشرطة واللصقات والشماعات التي يجب أن تتحرك مع المستخدم.
• القوة والأداء: تساعد التصميمات الفعّالة والتوجيه الدقيق والتركيب المتقدم، بما في ذلك لحام SMT المُحسَّن والطلاء الواقي للوحات الدوائر (conformal coating)، على إدارة فقدان الطاقة والتشويش الكهرومغناطيسي (EMI/RF).
• السرعة نحو الابتكار:  تصميم مناسب للتصنيع (DFM) للوحات الدوائر المرنة وتقنيات النماذج الأولية السريعة (مثل الدوائر المرنة المطبوعة ثلاثية الأبعاد) تسمح للشركات بالتطوير السريع وإيصال أفكار جديدة إلى السوق بسرعة.

الجدول 1: مقارنة تقنيات لوحات الدوائر المطبوعة في الأجهزة القابلة للارتداء

بينما نتعمق في هذا الدليل، سنتعلم ليس فقط الـ"ماذا" بل أيضًا الـ"كيف" وراء الجيل القادم تجميع لوحات الدوائر القابلة للارتداء من اختيار مواد لوحات الدوائر المرنة (flex PCB) وإتقان التجميع السطحي للوحات الدوائر المرنة (SMT for flexible PCBs) إلى التغلب على تحديات التركيب والموثوقية في العالم الواقعي. سواء كنت مهندسًا أو مصممًا أو مدير سلسلة توريد في قطاع IoT , التكنولوجيا الصحية ، أو الإلكترونيات الاستهلاكية فإن هذه الرؤى ستساعدك على تقديم أجهزة أفضل وأكثر ذكاءً.

2. ما هي لوحات الدوائر المطبوعة المرنة والمدمجة (مرنة-صلبة)؟

في مجال تصميم لوحات الدوائر الإلكترونية القابلة للارتداء ، ليست جميع لوحات الدوائر المطبوعة متساوية من حيث الجودة. اللوحات المرنة (FPCs) و اللوحات شبه المرنة (Rigid-flex PCBs) برزت كمعيار ذهبي للأجهزة القابلة للارتداء الحديثة، ووحدات إنترنت الأشياء، والأجهزة الطبية، حيث تكون المتانة والكفاءة في استخدام المساحة وعوامل الشكل الفريدة أمراً بالغ الأهمية. دعونا نستعرض ما يُميز هذه التقنيات المتطورة للوحات الدوائر—وكيف تُسهم في إطلاق العنان للابتكار في منتجات مثل الساعات الذكية وأجهزة تتبع اللياقة وألواح المستشعرات الحيوية.

اللوحات المطبوعة المرنة (FPCs)

أ لوحات الدوائر المطبوعة المرنة تم بناؤها باستخدام ركيزة رقيقة قابلة للثني—عادة ما تكون فيلم البولي إيميد (PI) —والتي يمكن أن تنثني أو تطوى أو تلتف دون أن تنكسر. وعلى عكس اللوحات الصلبة التقليدية المستندة إلى FR-4، تم تصميم اللوحات المرنة خصيصًا لتتناسب مع البيئات الديناميكية والمضغوطة للأجهزة القابلة للارتداء.

التسلسل النموذجي للوحات الدوائر المرنة:

حقائق رئيسية:

• نصف قطر الثني: لتصاميم قوية، يجب أن يكون نصف قطر الانحناء الأدنى على الأقل سمك اللوحة الكلي ×10 .
• عرض التتبع/المسافة: غالبًا ما يكون دقيقًا مثل مسافة 0.05–0.1 مم على اللوحات المتطورة.
• سمك رقائق النحاس: يُوجد عادةً في 12–70 ميكرومتر بنطاق، وتتيح الرقائق الأرقنة ثنيات أكثر ضيقًا.
• غشاء التغطية: يوفر حماية ميكانيكية وعزلًا كهربائيًا في آنٍ واحد.

تجميع FPC يدعم كلًا من الطبقات المفردة والهياكل المعقدة متعددة الطبقات، وتمكّن المصممين من إنشاء غلافات الأجهزة بسُمك يصل إلى 0.2 ميليمول —مثالي لتتبعات اللياقة من الجيل التالي أو الشرائط الذكية.

اللوحات شبه المرنة (Rigid-flex PCBs)

أ لوحة الدوائر المطبوعة الصلبة-المطوية يجمع بين أفضل ما في العالمين: تُبنى أجزاء من لوحة الدوائر على شكل لوحات صلبة وقوية لتثبيت مكونات SMT الحساسة، بينما تُترك مناطق أخرى مرنة لتسهيل الثني أو الطي. وتُدمج هذه المناطق المرنة والصلبة بشكل سلس من خلال عمليات تصنيع دقيقة، مما يقلل تعقيد التجميع والحاجة إلى وصلات ضخمة.

الهيكل النموذجي للوحة دوائر مرنة-صلبة (Rigid-Flex PCB):

• الأقسام الصلبة: مادة FR-4 القياسية (أو ما يعادلها) مع طبقات نحاسية، وتُستخدم لتثبيت المكونات.
• الأقسام المرنة: طبقات FPC القائمة على البولي إيميد التي تربط الأقسام الصلبة، مما يسمح بالحركة الديناميكية والتراص المضغوط.
• التوصيل بين الطبقات: الميكروفياس أو الفياس الكاملة، والتي تُستخدم غالبًا من أجل HDI (اتصال عالي الكثافة) التصميم، ودعم مسارات الإشارة متعددة الطبقات وتوصيل الطاقة.
• مناطق الانتقال: تم تصميمها بعناية لتجنب الإجهاد وانتشار التشققات.

المزايا في الأجهزة القابلة للارتداء:

• أقصى قدر من حرية التصميم: تمكّن من تصاميم الأجهزة التي يتعذر تحقيقها باستخدام اللوحات الدوائر الجامدة فقط.
• عدد أقل من الموصلات/التوصيلات البينية: يقلل من الوزن والسمك الكليين ونقاط الفشل.
• موثوقية فائقة: أساسي للتطبيقات عالية الموثوقية (مثل: الغرسات الطبية، والأجهزة القابلة للارتداء ذات المواصفات العسكرية).
• تحسين التدريع ضد التداخل الكهرومغناطيسي والإشعاعي (EMI وRF): من خلال مستويات أرضية متعددة الطبقات والتحكم الدقيق في المعاوقة.

التطبيقات الواقعية في الأجهزة القابلة للارتداء والأجهزة الطبية

ساعات ذكية:

• استخدم تعدد الطبقات تراكب لوحات الدوائر المرنة لتوجيه الإشارات، ولوحات اللمس، وسائقي الشاشات، ووحدات الاتصال اللاسلكية حول هياكل الساعات المنحنية.
• تستفيد الهوائيات المرنة ووصلات البطارية من تجميع FPC للحفاظ على سلامة الجهاز أثناء ثني المعصم.

أجهزة تتبع اللياقة وأقراص المستشعرات الحيوية:

• لوحات الدوائر المرنة البولي إيميدية مع مكونات SMT ذات الملعب الدقيق تمكن من عوامل شكل يمكن التخلص منها أو شبه يمكن التخلص منها، وعالية النحافة (<0.5 مم).
• تحسّن المستشعرات المدمجة (مثل مقاييس التسارع، ومعدل ضربات القلب، أو أضواء LED لمراقبة تشبع الأكسجين SpO₂) مباشرة على اللوحات FPC جودة الإشارة وراحلة المنتج.

الأجهزة الطبية:

• اللوحات شبه المرنة (Rigid-flex PCBs) تزوّد رقائق المراقبة القابلة للزراعة والجهاز القابلة للارتداء بالطاقة من خلال الجمع بين الموثوقية، والوزن الخفيف، والمقاومة للثني المتكرر—غالبًا ما تتجاوز 10,000 دورة في اختبارات الثني.

دراسة حالة:  استفاد مصنع رائد لأجهزة تتبع اللياقة البدنية من لوحات FPCB متعددة الطبقات بمسارات 0.05 مم ومكونات 0201، لتحقيق سماكة نهائية للتجميع بلغت 0.23 مم. مما سمح بجهاز يقل وزنه عن 5 غرامات ويتميز بمراقبة تخطيط كهربية القلب باستمرار وتتبع الحركة – وهي ميزة غير قابلة للتحقيق باستخدام اللوحات الإلكترونية التقليدية الصلبة.

مرجع سريع للمصطلحات

خلاصة:  دوائر PCB المرنة وشبه المرنة ليست مجرد بديل للوحات الصلبة—بل هي المحركات الحقيقية التي تمد الجيل القادم من الأجهزة القابلة للارتداء والأجهزة الطبية الأصغر حجمًا والأكثر ذكاءً بالطاقة. وفهم المواد والهياكل والمفاهيم الأساسية وراء هذه اللوحات يُشكّل الأساس لكل قرارات التصميم والتجميع الأخرى في تصنيع لوحات الأجهزة القابلة للارتداء.

جاهز للانتقال إلى القسم 3؟ اكتب 'التالي' وسأواصل مع "مزايا الدوائر المطبوعة المرنة للأجهزة القابلة للارتداء والأجهزة الطبية"—شاملًا قوائم وتفسيرات متعمقة ومعرفة صناعية قابلة للتطبيق.

3. مزايا اللوحات المرنة للاستخدام في الأجهزة القابلة للارتداء والأجهزة الطبية

عند تصميم حلول متقدمة اللوحات الإلكترونية للإلكترونيات القابلة للارتداء أو إنشاء أجهزة طبية صغيرة الحجم، لوحات الدوائر المرنة (اللوحات المطبوعة المرنة) هي الأساس لكل من الابتكار والوظيفة. تدفع خصائصها الفريدة عملية التصغير، وتحسّن الموثوقية، وتُمكّن من ميزات تعيد تشكيل ما يمكن تحقيقه في تقنيات المستهلكين والرعاية الصحية.

التصغير وتوفير المساحة: فتح تصاميم جديدة

من أبرز المزايا المتميزة للـ لوحات الدوائر المطبوعة المرنة هو نحافته الاستثنائية وقدرته على التكيّف مع الأسطح. وعلى عكس اللوحات التقليدية الصلبة، يمكن أن تكون اللوحات المطبوعة المرنة بسمك لا يتعدى 0.1–0.2 مم ، مع تراكيب متعددة الطبقات أو طبقة واحدة، مما يمكن المصممين من توجيه الإشارات الحرجة والطاقة داخل مساحات ضيقة أو منحنية أو متعددة الطبقات داخل أصغر الأجهزة القابلة للارتداء.

جدول توضيحي: سماكة اللوحة المطبوعة المرنة حسب التطبيق

حقيقة مهمة: يمكن للوحة الدوائر المرنة أن تحل غالبًا محل عدة لوحات صلبة ووصلاتها البينية، مما يقلل الوزن بنسبة تصل إلى 80%والحجم بنسبة تصل إلى 70%مقارنة باللوحات التقليدية المستخدمة في الأجهزة القابلة للارتداء.

المتانة والموثوقية تحت الانحناء المتكرر

اللوحات المرنة القائمة على البولي إيمييد تم تصميمها لتتحمل آلاف، بل عشرات الآلاف من الانحناءات والالتواءات ودورات الانثناء. وهذا أمر بالغ الأهمية في الأجهزة القابلة للارتداء، التي تتعرض عادةً لحركة المعصم أو الكاحل أو الجسم، ويجب أن تعمل دون أي عطل لسنوات.

• اختبار دورة الانثناء: يختبر المصنعون الرئيسيون تجميعات اللوحات الإلكترونية للجهاز القابل للارتداء وفق معايير تفوق 10,000 دورة مرونة دون فشل هيكلي أو كهربائي.
• مقاومة التشقق الطبقي: الجمع بين ورق نحاسي والالصقات القوية في تكوين لوحة الدوائر المرنة (FPC) تقلل من انفصال الطبقات، حتى تحت الإجهاد المادي.
• تجنب تشقق اللحام: يتم وضع مكونات SMT بشكل استراتيجي، واستخدام مواد حشو سفلية في مناطق الإجهاد، لمنع حالات الفشل الناتجة عن التعب التي تكون شائعة في الألواح الصلبة.

اقتباس:

“بدون متانة لوحة الدوائر المرنة (flex PCB)، فإن معظم الأجهزة الذكية لمراقبة الصحة واللياقة البدنية ستتعطل بعد بضعة أيام أو أسابيع فقط من الاستخدام العملي. أصبحت تجميعات FPC القوية الآن المعيار الأساسي في الصناعة.” — مهندس أول، علامة تجارية عالمية للأجهزة الرياضية

عدد أقل من الوصلات، وموثوقية نظام أعلى

تتطلب تجميعات الألواح التقليدية—خاصة في الأجهزة ذات التصميمات ثلاثية الأبعاد والمطوية—وجود وصلات، وجامبرز، وكابلات ملحومة. وكل وصلة تمثل نقطة محتملة للفشل. تجميع الدوائر المطبوعة المرنة يسمح بدمج عدة مقاطع دوائر في هيكل واحد، مما يقلل من عدد:

• وصلات اللحام
• السلكية السلكية
• الموصلات الميكانيكية

ويؤدي هذا إلى:

• مقاومة أعلى للصدمات/الاهتزازات (مهم للأجهزة القابلة للارتداء الخاصة بنمط الحياة النشط)
• عمليات تجميع أبسط
• مشاكل ضمان أقل ناتجة عن أعطال الموصلات/الكابلات

حقيقة: يمكن لجهاز تتبع اللياقة البدنية النموذجي الذي يستخدم لوحة دوائر مرنة واحدة (FPC) أن يقلل عدد وصلات التوصيل من أكثر من 10 إلى 2 أو 3 فقط، وفي الوقت نفسه يقلل من وقت التجميع بأكثر من 30%.

حرية التصميم: الأشكال المعقدة والتعدد الطباقي

قدرة الانحناء والبقاء في مكانه لدى لوحات الدوائر المرنة الحديثة المصنوعة من مادة البولي إيميد لوحات الدوائر المرنة البولي إيميدية يتيح مستويات جديدة من الحرية في التصميم:

• تمديد الدوائر حول بطاريات أو وحدات عرض منحنية.
• تجميع طبقات إلكترونية متعددة الدوائر المطبوعة ذات الاتصال الكثيف العالي (HDI) .
• إنشاء تجميعات على شكل 'أوريغامي' يمكن طيّها لتناسب الهياكل المستوحاة من الطبيعة أو غير المستطيلة.

قائمة: ميزات التصميم الممكنة باستخدام الألواح الإلكترونية المرنة

• شرائط قابلة للارتداء (أقطاب طبية، مراقبة الجلوكوز المستمرة): رقيقة جدًا، تغطي سطح الجلد بشكل ملائم
• سماعات الواقع المعزز/الافتراضي أو النظارات : تتماشى مع شكل الوجه، وتُحسّن الراحة
• خواتم ذكية/أساور : يُحيط بالأقطار الصغيرة دون التشقق أو الفشل
• إلكترونيات حيوية متكاملة : تنثني أو تتمدد مع الأنسجة البشرية الرخوة

انخفاض التكلفة في الإنتاج الضخم

رغم أن تكلفة القوالب الأولية لـ الدوائر المرنة قد تكون أعلى، فإن هذا يُعوَّض بـ:

• عدد أقل من المكونات (إزالة الوصلات/الكابلات)
• خطوط تجميع SMT أقصر (أقل اعتمادًا على العمل اليدوي)
• تحسين العائد مع تقليل العيوب المتعلقة بالتوصيلات

على عكس الحجوم العالية التي تُرى في الأجهزة القابلة للارتداء الاستهلاكية واللصقات الطبية، فإن إجمالي تكلفة الملكية الاتجاهات أقل من التجميعات الصلبة، خاصة عند أخذ عوامل الضمان أو الأعطال بعد البيع بعين الاعتبار.

4. مزايا لوحات الدوائر المطبوعة المرنة-الصلبة (Rigid-Flex PCBs)

في رحلة تجميع لوحات الدوائر القابلة للارتداء والإلكترونيات المتقدمة للأجهزة المحمولة، اكتشف مجتمع الهندسة قوة الجمع بين العالمين — اللوحات الصلبة والمرونة PCBs — لإنشاء منتجات لا مثيل لها. اللوحات شبه المرنة (Rigid-flex PCBs) لقد حظيت اللوحات المرنة-الصلبة (Rigid-Flex) بدور أساسي في التكنولوجيا الطبية، والمعدات العسكرية، وأجهزة الواقع المعزز/الواقع الافتراضي (AR/VR)، والأجهزة القابلة للارتداء الاستهلاكية عالية الجودة من خلال تقديم مزيج مثالي من المتانة والتنوع والأداء.

ما هي لوحة الدوائر المطبوعة المرنة-الصلبة (Rigid-Flex PCB)؟

أ لوحة الدوائر المطبوعة الصلبة-المطوية هي بنية هجينة تدمج طبقات من لوحات الدوائر المطبوعة الصلبة (مثل FR-4 أو ما يماثلها) مع طبقات من دوائر مرنة (FPCs)، مصنوعة عادة من البولي إيميد. تربط المناطق المرنة بين المناطق الصلبة، مما يتيح الطي ثلاثي الأبعاد، والاستخدام في أغلفة ذات أشكال فريدة، والدمج المباشر في الأجزاء المتحركة مثل الأشرطة المرقمة أو أطواق الرأس.

المزايا الرئيسية لتكنولوجيا لوحات الدوائر المطبوعة الصلبة-مرنة (Rigid-Flex PCB)

1. موثوقية هيكلية متفوقة

اللوحات شبه المرنة (Rigid-flex PCBs) تقلل بشكل كبير من الحاجة إلى الموصلات، والأسلاك الوصلية، والتوصيلات المضغوطة، ووصلات اللحام. وهذا أمر بالغ الأهمية في اللوحات الإلكترونية للإلكترونيات القابلة للارتداء اللوحات المجمعة، التي تتعرض للثني المتكرر، والسقوط، والاهتزاز.

• تقليل نقاط التوصيل البينية : كل موصل يتم استبعاده يقلل من نقطة فشل محتملة، مما يقلل من خطر فشل الجهاز بشكل عام.
• مقاومة محسّنة للصدمات/الاهتزازات : تتحمل الهياكل المتكاملة الإساءة الميكانيكية بشكل أفضل من التجميعات التي تحتوي على موصلات وكابلات توصيل.
• أكثر ملاءمة للأجهزة القابلة للارتداء عالية الموثوقية والحرجة في المهام مثل الأجهزة الطبية القابلة للزراعة أو وحدات الاتصالات العسكرية، حيث لا يمكن قبول وجود نقطة عطل واحدة.

التغليف المدمج والخفيف الوزن

بما أن الأقسام الصلبة والمرونة متكاملة بشكل سلس، اللوحات شبه المرنة (Rigid-flex PCBs) يقلل بشكل كبير من السُمك الكلي للجهاز ووزنه. وهذا أمر ضروري للساعات الذكية، وأجهزة الأذن اللاسلكية، وأجهزة المراقبة الطبية المدمجة.

• الدوائر المتكاملة وكابلات أقل عددًا تتيح تغليفًا ابتكاريًا صغير الحجم يمكنه التكيف مع الأشكال العضوية.
• تقليل الوزن: تضيف المناطق المرنة عادةً فقط 10–15%من الحجم والوزن المشترك مقارنةً باللوحات الصيلة المنفصلة مع تجميعات الكابلات.
• توفير المساحة: غالبًا ما تقلل حلول الجامد-المرن حجم الدائرة بنسبة 30–60%وتسمح ببنية تغليف ثلاثية الأبعاد حقيقية (تجميعات طيّ، أو متداخلة، أو منحنية).

3. تحسين الأداء الكهربائي

الإشارات عالية السرعة و مسارات الترددات الراديوية (RF) تستفيد من خصائص العازل المُتحكَّم بها في المنطقة الصلبة والدرع الأرضي، بينما تُدير المناطق المرنة التوصيلات في المساحات الضيقة.

• الإعاقة الخاضعة للتحكم: ممتاز للدوائر عالية التردد (مثل بلوتوث، Wi-Fi، أجهزة قياس البيانات الطبية عن بعد).
• تحسين درع التداخل الكهرومغناطيسي/الترددات الراديوية: تتيح تركيبة الطبقات والعزل الأرضي تحقيق توافق أفضل مع معايير التوافق الكهرومغناطيسي (EMC).
• سلامة الإشارة: تضمن الثقوب الدقيقة وطرق التوصيل عالية الكثافة (HDI) أن تكون مسارات الإشارة قصيرة ومباشرة ومُحسَّنة لتقليل الضوضاء.

جدول: القدرات الرئيسية التي تمكّنها لوحات الدوائر المطبوعة صلبة-مرنة (Rigid-Flex PCBs)

4. تبسيط تجميع اللوحات المطبوعة (PCB) وتقليل التكلفة (على المدى الطويل)

رغم أن تكلفة اللوحة المطبوعة (PCB) المرنة-الصلبة أعلى من لوحة الدوائر المرنة البسيطة (FPC) أو الألواح الصلبة فقط، إلا أن التوفير على المدى الطويل يكون كبيرًا:

• تجميع مبسط: لوحة متكاملة واحدة تعني عددًا أقل من الأجزاء والخطوات والأخطاء المحتملة.
• تجميع آلي أسرع: تعمل خطوط تركيب السطح (SMT) والمكونات الثقالية (THT) بسلاسة أكبر مع وجود عدد أقل من اللوحات المطبوعة المنفصلة والموصلات التي يجب محاذاة مواقعها.
• فعالة من حيث التكلفة عند الإنتاج بكميات كبيرة: يؤدي تقليل تكاليف إصلاح ما بعد البيع، أو الاسترجاع، أو إعادة العمل في التجميع إلى تحقيق عوائد جيدة للأجهزة ذات العمر الافتراضي الذي يمتد لعدة سنوات.

5. القدرة على تحمل البيئات القاسية

اللوحات شبه المرنة (Rigid-flex PCBs) مثالية للاستخدام في البيئات الطبية أو الخارجية العدائية:

• تحمل درجات الحرارة العالية: تنحني البولي إيميد والأقسام الصلبة عالية Tg لتتحمل حتى 200 درجة مئوية (مدة قصيرة)، وتدعم التعقيم أو النشر في الهواء الطلق.
• المقاومة للتآكل والمواد الكيميائية وضوء الشمس فوق البنفسجي: ضرورية للأجهزة التي تتعرض للعرق أو محاليل التنظيف أو أشعة الشمس.
• حماية من الرطوبة: مُحسَّن مع طبقة عازلة مطابقة للوحات الدوائر المطبوعة والتغليف بالباريلاين/السيليكون في مناطق المرونة.

6. حرية التصميم للتطبيقات المبتكرة

الدوائر الصلبة-المرونة تسمح بهندسة جديدة:

• كاميرات قابلة للارتداء — يمكن لوح الدوائر المطبوعة (PCB) أن يلتف حول البطاريات وأجهزة الاستشعار
• أشرطة رأس لمراقبة النشاط العصبي — يتبع لوح الدوائر المطبوعة (PCB) تضاريس الرأس دون وجود أسلاك مكشوفة
• رقع طبية للرضع — رقيقة وقابلة للطي، ومع ذلك قوية — تسمح بالرصد المستمر دون التسبب في تلف الجلد

لماذا يتميز النوع الصلب-المرن في المستقبل

دمج الصلابة والمرونة في لوحة دوائر مطبوعة واحدة يفتح عالمًا جديدًا من الإمكانيات القابلة للارتداء، ويمنح المصممين سطحًا متينًا لأجهزة التقنيات الطبية الذكية والمتصلة، وأجهزة تتبع اللياقة من الجيل التالي، وأجهزة الواقع المعزز/الواقع الافتراضي القابلة للارتداء ، والمزيد.

5. التحديات التصميمية الرئيسية في تجميع لوحات الدوائر المطبوعة القابلة للارتداء

مزايا الابتكار والتصغير في تجميع لوحات الدوائر القابلة للارتداء هائلة، لكنها تجلب تحديات تصميمية فريدة ومعقدة يجب على المهندسين معالجتها لضمان الموثوقية والمتانة وتجربة المستخدم المثلى. وتنبع هذه التحديات مباشرة من متطلبات تقنيات لوحة الدوائر المطبوعة المرنة و لوحة الدوائر المطبوعة الصلبة-المطوية وكذلك الحجم الأصغر باستمرار والتوقعات الأعلى باستمرار في الإلكترونيات القابلة للارتداء اليوم.

التقليص والوصلات عالية الكثافة (HDI)

التصغير يقع في صلب عملية تصميم الدوائر للإلكترونيات القابلة للارتداء. فالأجهزة مثل الساعات الذكية وشرائط الصحة تتطلب لوحات دوائر مطبوعة بسُمك لا يتجاوز جزءًا من عشرة المليمتر، مع زيادة مستمرة في عدد الوظائف المدمجة في كل مليمتر مربع.

• تقنية HDI: تستخدم ثقوب الاتصال الدقيقة (microvias) (بحجم 0.1 مم أو أقل)، وتتبع متناهية الدقة (≤0.05 مم)، وتركيبات طبقات متراصة لتوفير توجيه عالي الكثافة.
• حجم المكون:  مكوّنات SMT 0201 تُستخدم بشكل شائع في تجميع PCB المرنة للأجهزة القابلة للارتداء، مما يضع ضغطًا هائلاً على دقة وضع المكونات (<0.01 مم) ودقة اللحام.
• قيود المسافات يجب الحفاظ على سلامة الإشارة وتوجيه الطاقة والإدارة الحرارية ضمن مساحة قد تكون بحجم 15×15 مم أو أقل.

الجدول: الدوائر عالية الكثافة والتصغير في تجميع لوحات الدوائر المرنة القابلة للارتداء

المرونة: إجهاد المواد، نصف قطر الانحناء، والقيود المكانية

تتطلب الأجهزة القابلة للارتداء مناطق لوحة تتمدد مع الحركة — ربما آلاف المرات يوميًا. يعني التصميم للمرونة فهم تركيز الإجهاد، وضمان الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء (≥10× السُمك الكلي)، وتحسين ترتيب الطبقات لتحمل التشوه المتكرر دون فقد في الأداء.

• لوحة دوائر مرنة من البوليمايد تُختار الطبقات لمقاومتها للتآكل، ولكن التخطيط أو الترتيب غير الصحيح لا يزال يمكن أن يتسبب في التشقق أو التقشر.
• إرشادات التركيب:  
  • يجب تثبيت المكونات الثقيلة أو العالية في مناطق صلبة أو مناطق منخفضة الإجهاد.
  • يجب توجيه المسارات على طول المحور المحايد للانحناءات وتجنب تجمعات الثقوب أو الزوايا الحادة.
• أفضل الممارسات في التوجيه:  
  • استخدم مسارات منحنية، وليس زوايا حادة.
  • احتفظ بمسافات أوسع بين المسارات متى أمكن ذلك.
  • تجنب استخدام الثقوب في المناطق التي تتعرض للثني المتكرر.

كفاءة استهلاك الطاقة وقيود البطارية

تعمل معظم الأجهزة القابلة للارتداء بالبطارية ويجب أن تعمل لعدة أيام — أو حتى أسابيع — بشحنة واحدة. إن إدارة الطاقة على اللوحات الدوائر المطبوعة المرنة تمثل توازنًا دقيقًا بين المساحة ومقاومة المسارات والتأثيرات الحرارية والكفاءة الشاملة للنظام.

• وحدات تحكم دقيقة منخفضة الاستهلاك للطاقة، ووحدات بلوتوث، ودوائر إدارة الطاقة هي المعيار المعمول به.
• توفير الطاقة:  
  • استخدم مسارات طاقة واسعة ومستويات أرضية صلبة للحصول على أقل مقاومة ممكنة.
  • مكان العزل الدقيق للحد من انخفاضات الجهد ومنع التذبذبات.
  • يجب أن يقلل الترتيب والتوصيل من الفقد الناتج عن المقاومة والتشابك عند الكثافة العالية.

المقاومة للرطوبة والمتانة البيئية

تتعرض الأجهزة القابلة للارتداء للعرق وزيوت الجلد والعوامل الجوية، مما يرفع مستوى المطالب المتعلقة بـ طبقة عازلة مطابقة للوحات الدوائر المطبوعة والتحصين، ونظافة التجميع.

• أنواع الطلاء التكيفي:  
  • Parylene: رقيق، خالٍ من الثقوب الدقيقة؛ ممتاز للتطبيقات الطبية وتطبيقات عالية الموثوقية.
  • أكريليك، سيليكون: أكثر فعالية من حيث التكلفة، ويوفر مقاومة جيدة للرطوبة والمواد الكيميائية.
• الطلاء الانتقائي: يُطبَّق فقط حيثما يلزم لتوفير الوزن والتكلفة ووقت الإنتاج.
• اختبارات القوة والمتانة:  
  • يجب أن تجتاز الأجهزة اختبارات الرطوبة العالية، والتآكل، ورش الماء، والتي تحاكي شهورًا من الاستخدام المتواصل.

استقرار الترددات اللاسلكية/الإشعاع الكهرومغناطيسي

متقدم تجميع اللوحات المطبوعة للإلكترونيات القابلة للارتداء غالبًا ما تحتوي على أجهزة لاسلكية (Bluetooth، NFC، Wi-Fi، Zigbee). ويستدعي ضمان نقل إشارة نظيفة الانتباه إلى تصميم الترددات اللاسلكية والعزل الكهرومغناطيسي في مساحات شديدة الضيق:

• التحكم في المعاوقة:  
  • مسارات 50 Ω، أسوار الثقوب، موازنة النحاس المستمرة.
  • استخدام آلة حاسبة للإعاقة الخاضعة للرقابة للمantenas والمسارات عالية التردد الحرجة.
• عزل الترددات اللاسلكية/الرقمي: ضع وحدات الترددات الراديوية والمنطق الرقمي في مناطق لوح مخصصة، وأضف دروع أرضية محلية، واستخدم فجوات عزل.

مقارنة بين FR-4 الصلب وPolyimide المرنة (FPC)

قائمة مراجعة موجزة للنجاح في تجميع لوحات الدوائر المرنة القابلة للارتداء

• تصميم HDI مع ثقوب دقيقة ومسارات رفيعة
• الحفاظ على نصف قطر الانحناء ≥ 10 أضعاف سمك التراص
• إبقاء المكونات الحساسة أو الكبيرة خارج المناطق المرنة
• توصيل المسارات على طول المحور المحايد وتجنب مناطق تركيز الإجهاد
• التخطيط لحماية الرطوبة/الحماية من الظروف البيئية
• تصميم يراعي الموثوقية ضد الترددات اللاسلكية والتداخل الكهرومغناطيسي/الشحنات الساكنة منذ البداية

إن التغلب بنجاح على هذه التحديات أمر ضروري لتقديم منتجات متينة ومصغرة وموثوقة اللوحات الإلكترونية للإلكترونيات القابلة للارتداء المنتجات. كل اختيار، من التصميم الطبقي والمواد إلى تقنيات تجميع SMT والحماية البيئية، يؤثر على المتانة في الاستخدام الفعلي ورضا المستهلك.

6. المواد وتصميم الترتيب الطبقي للوحات الدوائر المرنة والهجن الصلبة-المرنة

حديث تجميع لوحات الدوائر القابلة للارتداء يعتمد بشكل كبير على علوم المواد وهندسة الترتيب الطبقي الدقيقة. إن اختيار المواد الخاصة باللوحات الدوائر المرنة وأوزان النحاس، واللصقات، والتغليف الواقي، وأكثر من ذلك، يؤثر بشكل مباشر على الأداء والموثوقية وإمكانية التصنيع لكل من اللوحات الدوائر المطبوعة المرنة (FPCs) و اللوحات شبه المرنة (Rigid-flex PCBs) . يضمن اختيار المواد المناسبة وترتيب التكوين الطبقي أن جهازك القابل للارتداء يحقق الأداء المطلوب من حيث الحجم والوزن والمرونة وطول العمر الافتراضي — حتى تحت إجهاد مادي مستمر.

المواد الأساسية للوحات الدوائر المرنة والهجن الصلبة-المرنة

فيلم البولي إيميد (PI)

• المادة الأساسية القياسية الذهبية للوحات الدوائر المرنة والهجن الصلبة-المرنة.
• يوفر مرونة ميكانيكية ممتازة، ومقاومة عالية للحرارة (تصل إلى 250°م)، واستقراراً كيميائياً رائعاً.
• الأطوال الرفيعة، عادةً 12–50 ميكرومتر ، تلبي احتياجات كل من الشرائط القابلة للارتداء فائقة النحافة والأقسام المرنة الأكثر متانة.

ورق نحاسي

• طبقة الإشارة والتيار: تتوفر بشكل شائع في 12–70 ميكرومتر السماكة.
  • 12–18 ميكرومتر: تمكّن من ثنيات فائقة الضيق، وتُستخدم في المناطق المرنة ذات الكثافة العالية.
  • 35–70 ميكرومتر: تدعم تيارات أعلى لدوائر التيار أو الأرضي.
• نحاس مدرفل ومُعالج حرارياً يُفضّل استخدامه في الثني الديناميكي نظراً لمقاومته الفائقة للتآكل. النحاس المترسب كهربائيًا يُستخدم أحيانًا في تطبيقات أقل تطلبًا، وغالبًا ما تكون ثابتة.

الأنظمة اللاصقة

• ربط الطبقات معًا (بولي إيميد والنحاس، غلاف الحماية والنحاس، إلخ).
• اللصاقات الأكريليكية والإيبوكسية شائعة الاستخدام، ولكن بالنسبة للدوائر المرنة عالية الموثوقية أو المستخدمة في المجال الطبي، العمليات الخالية من اللصق (لصق النحاس مباشرة على بولي إيميد) تقلل من خطر الفشل وتحسن القدرة على التحمل الحراري.

غلاف الحماية / فيلم الحماية

• أغشية غلاف حماية مصنوعة من البولي إيميد من 12–25 ميكرومتر تؤدي السماكة دور الطبقات الواقية والعازلة فوق الدائرة، وهي مهمة بشكل خاص في الأجهزة القابلة للارتداء المعرضة للعرق أو الإجهاد الميكانيكي.
• تحمي الدوائر من التآكل والرطوبة ودخول المواد الكيميائية مع الحفاظ على المرونة.

مواد الأقسام الصلبة (مرن-صلب)

• FR-4 (الألياف الزجاجية/الايبوكسي): قياسي للأجزاء الصلبة، ويُوفر استقرارًا للمكونات وقوة وفعالية من حيث التكلفة.
• في الأجهزة القابلة للارتداء الطبية أو العسكرية، تُحسّن أنواع FR-4 المتخصصة عالية درجة الانصهار (Tg) أو الخالية من الهالوجين الأداء والامتثال.

مخطط تراكمي نموذجي: لوحة الدوائر المرنة للجهاز القابل للارتداء مقابل لوحة دوائر مطبوعة مرنة-صلبة

لوحة دوائر مرنة بسيطة للجهاز القابل للارتداء (طبقتان)

لوحة دوائر مطبوعة مرنة-صلبة (للساعة الذكية)

تسلسل ثنائي فليكس لجهاز قابل للارتداء: رؤى التصميم

• توازن النحاس: يقلل من تشوه أو التواء اللوحة بعد النقش عن طريق الحفاظ على أوزان النحاس العلوية والسفلية متقاربة.
• ميكروفياس متقطع: توزيع الإجهاد الميكانيكي، يمدّد عمر مناطق الانثناء المتعددة الاستخدام في الأجهزة القابلة للارتداء.
• تقنيات الربط:  
  • تصفيح مباشر من PI-نحاس بدون استخدام لاصق من أجل الموثوقية في أجهزة الاستشعار الحيوية القابلة للزراعة أو التخلص منها، وتقليل خطر التقشر.
  • لصقات الأكريليك للأجهزة القابلة للارتداء الاستهلاكية الشائعة، مع تحقيق توازن بين التكلفة والمرونة.

خيارات تشطيب السطح للأجهزة القابلة للارتداء

المتانة الحرارية والكيميائية

• دوائر مرنة من البولي إيميد -توقفي درجات حرارة إعادة التسخين القصوى (220–240°م) أثناء التجميع.
• يجب أن تكون الأجهزة القابلة للارتداء مقاومة للعرق (الأملاح) وزيوت الجلد والمنظفات والأشعة فوق البنفسجية، ولهذا السبب يُعد البولي إيميد والباريلين من المواد المفضلة في الصناعة.
• دراسات الشيخوخة تكشف أن الدوائر المطبوعة المرنة المصنعة بشكل صحيح تحافظ على السلامة الكهربائية والميكانيكية لمدة 5+ سنوات من الاستخدام النشط اليومي (أكثر من 10,000 دورة ثني) عند تغليفها بطبقة حماية أو طلاء مناسب.

الاعتبارات الرئيسية والممارسات المثلى

• تحسين الترتيب الطبقي للمرونة: الحفاظ على أقل عدد ممكن من الطبقات وسمك المادة اللاصقة الضرورية لضمان الموثوقية وقدرة الإشارة.
• الحفاظ على نصف قطر الانحناء الأدنى (≥10× السمك): أمر بالغ الأهمية لمنع الكسر أو إرهاق وصلات اللحام أو التشقق في الاستخدام اليومي.
• استخدام فيلم نحاس RA عالي الجودة وفيلم PI: خاصة للمنحنيات الديناميكية (أساور المعصم، أجهزة تتبع اللياقة البدنية).
• حدد فتحات الغطاء الواقي: تعرض الوسادات فقط، مما يقلل من مخاطر دخول العوامل البيئية.

قائمة مراجعة مواد لوحة الدوائر المطبوعة القابلة للارتداء:

• فيلم البولي إيميد (بدون لاصق، عند الإمكان)
• نحاس مدلفن ومُنَفَّس للمناطق المرنة
• FR-4 للأقسام الصلبة (للأجزاء المدمجة المرنة والصلبة فقط)
• لواصق أكريليك أو إيبوكسي (تعتمد على فئة الجهاز)
• طبقة نهائية من نوع ENIG أو OSP
• غطاء واقٍ من باريلين/بولي إيميد للحماية

اختيار وتكوين التركيب الصحيح المواد الخاصة باللوحات الدوائر المرنة والتركيب الطبقي ليس مجرد تفصيل هندسي — بل هو عامل حاسم في راحة منتجك، ومتانته، والامتثال للاشتراطات التنظيمية. إن اختيار المواد والتركيب الطبقي بعناية يُعد أساسيًا لكل PCB للإلكترونيات القابلة للارتداء المشروع.

7. أفضل الممارسات في توزيع المكونات وتوجيه الإشارات

كفاءة وضع المكونات والذكية توجيه الإشارة أساسية لنجاح أي تجميع لوحات الدوائر القابلة للارتداء — خصوصًا عند التعامل مع تصاميم الدوائر المطبوعة المرنة أو الهجينة (مرنة-صلبة). يمكن أن تؤدي الأخطاء في هذه المرحلة إلى تشقق اللحام، أو التداخل الراديوي (RF)، أو فشل ميكانيكي مبكر، أو تخطيط يصعب جدًا تجميعه لدرجة تنخفض معها العوائد والمدى الاعتمادي بشكل كبير. دعونا نستعرض أفضل الممارسات الصناعية، المستندة إلى كل من لوحات الدوائر المطبوعة المرنة النظرية وألاف "الدروس المستفادة" في إلكترونيات الأجهزة القابلة للارتداء.

توزيع المكونات: مبادئ تضمن الموثوقية والمتانة

1. المناطق الهيكلية: ابقِ المكونات الثقيلة خارج المناطق المرنة

• المناطق الصلبة لتحقيق الاستقرار: ضع المكونات الثقيلة أو الطويلة أو الحساسة (مثل وحدات التحكم الدقيقة، وأجهزة الاستشعار، ووحدات البلوتوث/واي فاي، والبطاريات) في المناطق الصلبة من اللوحة. يقلل ذلك من إجهاد وصلات اللحام ويحد من خطر التشقق أثناء الانحناء والاستخدام.
• المناطق المرنة للتوصيل فقط: استخدم المناطق المرنة بشكل أساسي لتوصيل الإشارات والتيار. إذا كنت مضطرًا لوضع مكونات سلبية خفيفة (مثل المقاومات والمكثفات) أو موصلات في المناطق المرنة، فتأكد من ترتيبها على طول المحور المحايد (الخط المركزي الذي يكون فيه الإجهاد على الجزء المنحني ضئيلاً).

2. ضع في اعتبارك محور الانحناء والمحور المحايد

• تثبيت المكونات على مناطق الانحناء: تجنب تركيب أي أجهزة SMT مباشرة على محور الانحناء (الخط الذي يدور حوله انثناء الدائرة). حتى لو كان التثبيت بزاوية صغيرة بعيدًا عن المحور، فقد يضاعف عدد دورات الصمود في اختبارات الانحناء المتكررة.
• جدول: إرشادات تثبيت المكونات

3. الثقوب الانتقالية والوصلات

• ابعد الثقوب الانتقالية عن مناطق الانثناء عالية الإجهاد: يمكن أن تتسبب الثقوب الانتقالية، وخاصة الثقوب الدقيقة، في بدء التشققات عند الانحناء المتكرر. ضعها في مناطق منخفضة الإجهاد وأبدًا على محور الانحناء.
• استخدم وصلات على شكل دمعة: تقلل قطرات الدموع من تركيزات الإجهاد في الأماكن التي تتصل فيها المسارات بالوصلات أو الفتحات، مما يقلل من خطر التشقق عند الانحناء.

توجيه الإشارات: ضمان السلامة، المرونة، وأداء الموجات الراديوية

1. مسارات منحنية وانتقالات ناعمة

• لا زوايا حادة: قم دائمًا بتوجيه المسارات بمنحنيات لطيفة بدلاً من الزوايا 45° أو 90°. تُسبب الزوايا الحادة زيادة في الإجهاد، مما يجعل المسارات عرضة للانكسار بعد الانحناء المتكرر.
• عرض المسار والتباعد:  
  • ≤0.1 مم عرض المسار للأجهزة القابلة للارتداء عالية الكثافة، ولكن بعرض أكبر إذا سمح المساحة (يقلل المقاومة ويحسن الموثوقية).
  • الحفاظ توزيع موحد لاستقرار التداخل الكهرومغناطيسي.

2. نصف قطر انحناء مضبوط

• أفضل ممارسة لنصف قطر الانحناء: مجموعة الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء على الأقل 10 أضعاف السماكة الكلية لجميع مناطق المرونة الديناميكية، مما يقلل من احتمالية تشقق النحاس أو الترقق (مثلاً: لـ FPC بسماكة 0.2 مم، يجب أن يكون نصف قطر الانحناء ≥2 مم).
• إذا كانت هناك حاجة إلى انحناءات أكثر ضيقًا: يمكن استخدام نحاس رقيق وفيلم PI أرق، ولكن يُشترط إجراء اختبارات الدورة للتحقق من صلاحية التصميم في ظروف الاستخدام الفعلية.

3. ترتيب الطبقات في المناطق المرنة والصلبة

• مسارات متداخلة: قم بتوزيع المسارات والثغرات بين الطبقات في الدوائر المرنة متعددة الطبقات، لمنع تراكم الإجهاد في نقطة واحدة.
• فصل الإشارات/الطاقة: وجهّز الإشارات الرقمية والتناظرية وترددات الراديو على طبقات/مناطق منفصلة.
  • جمّع عوائد الطاقة والأرض معًا لتحقيق تداخل كهرومغناطيسي وضجيج أقل.
  • استخدم مسارات أو صفائح تدريع للهوائيات وخطوط الترددات الراديوية.

4. توصيل الاستشعار والتوجيه عالي السرعة

• التوصيل المباشر: ضع أجهزة الاستشعار (أقطاب تخطيط القلب الكهربائي، مقاييس التسارع، الصمامات الضوئية) بالقرب من الدوائر التناظرية الأمامية لتقليل الضوضاء والحفاظ على سلامة الإشارة — خاصةً على المسارات التناظرية عالية المعاوقة.
• هندسة الميكروستريب وخطوط الموج المتزامنة المستوية: تُستخدم للمسارات الراديوية للحفاظ على معاوقة 50 أوم. استخدم حاسبات المعاوقة المنضبطة عند توجيه وحدات بلوتوث أو واي فاي.

5. التدريع، الموجات الراديوية، والتوصيل بالأرض

• تمديد التوصيل الأرضي قرب الهوائيات: تأكد من ترك مسافة لا تقل عن 5–10 مم حول الهوائيات، مع توفير مسارات كافية لإعادة التوصيل بالأرض وحواجز عبر الفيا لتحقيق تدريع أفضل.
• عزل الأقسام الرقمية وعالية التردد (RF): استخدم مستويات أرضية وفتحات في اللوحة لتقليل الاقتران الكهرومغناطيسي (EMI).

الأخطاء الشائعة وكيفية تجنبها

• مطب: تمرير خط ساعة حرج عبر منطقة مرنة تحتوي على منحنيات متعددة.
  • الحل: مرّر المسارات عالية السرعة/عالية التردد (RF) في مسارات مستقيمة مع إعاقة مضبوطة، وبأقرب مسافة ممكنة من المذبذب المثبت على الجزء الصلب.
• مطب: وضع نقاط اختبار/ثقوب توصيل (vias) في مناطق مرنة عالية.
  • الحل: استخدم وصلات حافة أو ضع نقاط الاختبار في مناطق صلبة وسهلة الوصول إليها.

قائمة نصائح سريعة

• ضع جميع الدوائر المتكاملة والأجهزة الثقيلة على الأجزاء الصلبة.
• قم بمحاذاة المكونات السلبية على المحور المحايد، بعيدًا عن مناطق الانحناء.
• استخدم مسارات منحنية ونقاط لحام على شكل دمعة (teardrop pads).
• الحفاظ على عرض أثر واسع والفصل حيثما أمكن.
• توفير درع وفصل بين النطاقات الراديوية (RF) والرقمية والتناظرية.
• تجنب الثقوب الانتقالية ونقاط الاختبار في أي جزء من الدائرة المرنة (FPC) الذي سيتم ثنيه بشكل منتظم.
• تأكيد التخطيط باستخدام أدوات DFM للتنبؤ بمشاكل التصنيع.

مُخطَّطٌ بعناية وضع المكونات و توجيه الإشارة ضرورية لتحقيق متانة وظيفية والامتثال التنظيمي في كل PCB للإلكترونيات القابلة للارتداء عند الشك، قم بالتحقق باستخدام أجهزة اختبار الانحناء وأعمال تجريبية قبل الإنتاج — فستشكرك إحصائيات الضمان الخاصة بك لاحقًا!

8. تقنيات تجميع اللوحات: SMT، واللحام، والتفتيش

الصعود تجميع لوحات الدوائر القابلة للارتداء وقد دفع ظهور الأجهزة المرنة والأجهزة فائقة الرقة الحدود ليس فقط في التصميم، ولكن أيضًا في التصنيع. سواء كنت تقوم ببناء دوائر مطبوعة مرنة أو FPC أو تصاميم PCB هجينة صلبة-مرنة، تقنيات التجميع يجب أن يضمن المُصنِّع الموثوقية، والدقة، وتقليل الإجهاد على المكونات أثناء العملية وبعدها. دعونا نستعرض الاستراتيجيات الحديثة التي تمكّن من إنتاج عالي العائد للأجهزة الحديثة اللوحات الإلكترونية للإلكترونيات القابلة للارتداء حلول.

تجميع SMT للوحات الدوائر المرنة والأجهزة القابلة للارتداء

تقنية التركيب على السطح (SMT) هي الخيار الافتراضي لـ تجميع FPC في الأجهزة القابلة للارتداء، لكن العملية يجب أن تتكيف مع الخصائص الفريدة لـ اللوحات الدوائر المطبوعة المرنة .

التعديلات الرئيسية للوحات الدوائر المرنة والهجن صلبة-مرنة:

• استخدام أحواض أو أقوال داعمة صلبة:  
  • تتطلب اللوحات المطبوعة المرنة، نظرًا لرقتها وقابليتها للثني، دعماً أثناء عمليتي التقاط-والوضع وإعادة التسخين. وتمنع الألواح الداعمة التشوه والانحناء.
• تجهيزات شفط أو عناصر تقوية مؤقتة:  
  • تُركب مؤقتاً على الدائرة المرنة لإنشاء قاعدة مسطحة ومستقرة من أجل تركيب SMT، ثم تُزال بعد الانتهاء من التجميع.
• علامات مرجعية دقيقة وفتحات توجيهية:  
  • ضرورية لتحقيق تسجيل دقيق خلال عملية التركيب الآلي (<0.01 مم تسامح للمكونات 0201).

وضع مكونات SMT:

• 0201 وMicro-BGAs: غالبًا ما تستخدم الأجهزة القابلة للارتداء بعض أصغر المكونات السطحية (SMD) في العالم لتوفير المساحة والوزن.
• معايرة جهاز التقاط-والوضع: تتطلب أجهزة عالية الدقة؛ ويُشترط استخدام التوجيه البصري أو الليزري لضمان التوجه والتحديد الصحيحين.
• السرعة مقابل المرونة: قد تكون سرعة التركيب أبطأ مقارنة باللوحات الصلبة بسبب الحاجة إلى التعامل بعناية وتجنب انحناء اللوحة أثناء التركيب.

تقنيات اللحام وملفات إعادة التسخين للوحات PCB المرنة

إن مزيج طبقات البولي إيميد الرقيقة والنحاس المدلفن والمواد اللاصقة يجعل تجميع FPC حساسة بشكل فريد للحرارة والإجهاد الميكانيكي.

الملف الشخصي الموصى به لإعادة التسخين لوحات الدوائر المرنة البوليمايد

• لصاقة منخفضة الحرارة (مثل Sn42Bi58): تُستخدم لحماية طبقات اللصق ومنع التشقق في التصاميم الحساسة أو عند وجود مكونات حساسة للحرارة.
• إعادة التسخين بالنيتروجين: بيئة النيتروجين الخاملة تمنع الأكسدة أثناء عملية اللحام، وهي أمر بالغ الأهمية للأقراص الدقيقة جدًا وتحسين جودة الوصلات.

العمليات والأدوات المتقدمة

التحشية والتعزيز

• التحشية: تُطبَّق أسفل المكونات الكبيرة أو الحساسة في المناطق المرنة لامتصاص الإجهادات الميكانيكية.
• التعزيز الحدي: المقويات المحلية أو الطبقة الخارجية السميكة توفر مقاومة للثقب أو دعماً لمناطق الموصلات.

أدوية موصلة

• تُستخدم للركائز الحساسة للحرارة أو العضوية حيث قد تتلف اللوحة التقليدية باللحام.
• توفر وصلات أقل ارتفاعاً تحافظ على المرونة.

الفحص والاختبار

يُعد اكتشاف العيوب أكثر صعوبة على اللوحات المرنة، وبالتالي فإن تقنيات الفحص المتقدمة أمرٌ بالغ الأهمية.

فحص بصري آلي (AOI)

• فحص بصري آلي بدقة تكبير عالية: يكتشف جسور اللحام، وظاهرة القبر (tombstoning)، وعدم المحاذاة على المكونات الصغيرة جدًا.
• الفحص بالأشعة السينية: أساسي لـ BGAs، وmicro-BGAs، والوصلات المخفية ذات الملعب الدقيق—أداة لا غنى عنها لتجميع لوحات الدوائر المرنة عالية الكثافة (HDI) المستخدمة في الأجهزة القابلة للارتداء.
• اختبار الفحص الطائر (Flying Probe Testing): يُستخدم لكشف الانقطاعات/الدوائر المغلقة عندما تكون تجهيزات ICT غير عملية للتشغيل عالي التنوع ومنخفض الحجم.

اختبارات الانثناء الديناميكي والاختبارات البيئية

• أجهزة الانحناء الديناميكية: تعرض اللوحات المجمعة لآلاف دورات الانثناء لضمان متانة الوصلات والمسارات.
• اختبارات الرطوبة والضباب المالح: يتحقق من فعالية الطلاء الواقي للوحات الدوائر المطبوعة، ويضمن مقاومتها للعرق أو البيئات الرطبة.

دراسة حالة: تجميع SMT لتتبع اللياقة القابل للارتداء

اعتمد مصنع رئيسي للإكسسوارات القابلة للارتداء الخطوات التالية لتتبع اللياقة البدنية فائق الرقة:

• تم تركيب الدوائر المطبوعة المرنة (FPCs) على حوامل مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ حسب المقاس للحفاظ على الاستواء.
• تم استخدام الفحص البصري الآلي (AOI) وفحص الأشعة السينية بعد كل مرحلة من مراحل التركيب السطحي (SMT).
• تم توظيف درجة حرارة قصوى لإعادة الذوبان مقدارها 225°C وزمن فوق حالة الانصهار مقداره 60 ثانية ، مُحسّن لتجنب احتراق المادة اللاصقة.
• تم إجراء 10,000 دورة ثني لمحاكاة عامين من الثني اليومي؛ ولم يُلاحظ أي تشقق في اللحام بكميات الإنتاج التي تم فيها تطبيق مادة التعبئة السفلية (underfill).

قائمة مراجعة سريعة للتركيب السطحي (SMT) واللحام للوحات الدوائر المرنة/شبه المرنة المستخدمة في الأجهزة القابلة للارتداء

• استخدم دائمًا حاملًا صلبًا أو حاملًا فراغيًا.
• قم بمعايرة جهاز التقاط والوضع خصيصًا لحركة الاهتزاز الخاصة بالمرونة.
• اتبع ملفات تعريف درجات الحرارة الموصى بها من قبل الشركة المصنعة للمنحدر والتسخين الثابت ودرجة الحرارة القصوى.
• اختر لحامًا منخفض الحرارة للتركيبات الحساسة.
• تحقق من جميع الوصلات باستخدام الفحص البصري الآلي (AOI) والتصوير بالأشعة السينية، خاصةً بالنسبة للميكرو-BGAs.
• فكر في استخدام مادة التعبئة السفلية أو العناصر المقسية في مناطق الموصلات العالية الإجهاد.
• قم بمحاكاة اختبارات الانحناء خلال دورة الحياة قبل البدء بالإنتاج الشامل.

9. الحماية من الرطوبة والصدمات والتآكل

في البيئة الصعبة لأجهزة قابلة للارتداء، تكون استراتيجيات الحماية القوية مهمة بقدر أهمية التصميم الذكي والتركيب الدقيق. العرق، والمطر، والرطوبة، وزيوت الجسم، والحركات اليومية تُعرض كل جهاز لضغوط تآكلية ومنحنية وصدمات. بدون حماية مناسبة، حتى الأكثر تقدمًا PCB للإلكترونيات القابلة للارتداء حتى الأجهزة المتقدمة قد تفشل لوحة الدوائر المطبوعة المرنة أو يمكن أن تتعرض تجميعات الألواح المرنة-الصلبة للتدهور في الأداء، أو حدوث دوائر قصيرة، أو حتى فشل كارثي خلال أشهر. دعونا نتعمق في الطرق المُثبتة صناعيًا لحماية تجميع PCB المرنة من أجل أعمار تشغيلية طويلة وموثوقة في الاستخدام العملي.

أهمية حماية الدوائر المطبوعة للإلكترونيات القابلة للارتداء من الرطوبة والتآكل

اللوحات الإلكترونية للإلكترونيات القابلة للارتداء تتعرض التجميعات بشكل منتظم للعرق (الذي يحتوي على أملاح وحمضات وجزيئات عضوية)، والرطوبة المحيطة، وملامسة الجلد. وتشمل أبرز أنماط الفشل ما يلي:

• امتصاص الرطوبة: انخفاض مقاومة العزل، مما يؤدي إلى مسارات تسرب ودوائر كهربائية قصيرة.
• التآكل: تآكل الآثار النحاسية والوصلات اللحامية، خاصةً في وجود عرق غني بالكلوريدات.
• الانفصال الطبقي: تورم طبقات اللصق أو حدوث تحلل مائي لها، مما يؤدي إلى الانفصال والفشل الميكانيكي.
• الإجهاد الميكانيكي: يمكن أن يؤدي الثني المتكرر إلى تشققات دقيقة في الآثار والوصلات اللحامية المكشوفة، مما يتفاقم أكثر بدخول الرطوبة.

الطلاء المطابق للوحات الدوائر الكهربائية: الأنواع والاختيار

الطلاء التكيفي هي أفلام رقيقة واقية تُطبق فوق اللوحات الكهربائية المجمعة. وتتمثل أدوارها الرئيسية في منع دخول الرطوبة والعوامل التآكلية، والعزل ضد القوس الكهربائي أو حدوث قصر، وأحيانًا توفير حاجز ضد الاحتكاك أو الصدمات الميكانيكية.

أنواع الطلاء الشائعة:

الطلاء الانتقائي والتعبئة

• تطبيق انتقائي: تُغطى فقط المناطق المعرضة للعرق أو المخاطر البيئية، مع ترك النقاط الحساسة للحرارة أو نقاط الفحص بدون طلاء لتسهيل التصنيع والتشخيص.
• التحميص/الإغلاق: في بعض الأجهزة المتينة، يتم تحميص مناطق اللوحة أو المكونات الحرجة مباشرة باستخدام مركبات سيلكونية أو إيبوكسية، مما يوفر حواجز ضد الصدمات الميكانيكية والرطوبة.

استراتيجيات التراص المقاوم للرطوبة والتآكل

• حواف محكمة الإغلاق: يجب أن تغطي أفلام التغطية الدائرة بإحكام، مع تقليل المساحة النحاسية المكشوفة عند الحواف. وعند الحاجة، تُستخدم طريقة إغلاق الحواف بالراتنج أو الطلاء المطابق للشكل.
• عدم وجود ثقوب مكشوفة: يجب تغطية جميع الثقوب في المناطق المرنة أو ملؤها لمنع دخول العرق مباشرة.
• اختيار التشطيب السطحي: يُحسّن التشطيب بنظام ENIG وOSP مقاومة التآكل؛ ويجب تجنب استخدام HASL في قطاع الأجهزة القابلة للارتداء بسبب عدم انتظام التطبيق وزيادة عرضته للتآكل السفلي.

تحسينات مقاومة الصدمات والاهتزازات والمتانة الميكانيكية

• العوامل المعززة: تُطبق حول مناطق الموصلات لامتصاص قوة التوصيل، أو حيث تلتقي اللوحة المرنة (FPC) بالبلاستيك الصلب.
• التحشية: يُحقن تحت المكونات الكبيرة ليُغلق الفجوة في المطابقة الميكانيكية، ويقلل من خطر تشقق وصلات اللحام عند الانحناء المتكرر.
• غطاء معزز: يزيد من مقاومة الثقب والاحتكاك محليًا، وهو أمر بالغ الأهمية خاصةً للأجهزة الرقيقة التي تتلامس مع الجلد.

بروتوكولات اختبار القوة الهيكلية

• تخضع لوحات الدوائر المرنة القابلة للارتداء لـ:  
  • اختبار دورة الانثناء: آلاف إلى عشرات الآلاف من عمليات الثني.
  • اختبارات الرطوبة والضباب المالح: التعرض لرطوبة نسبتها ~85%، ودرجة حرارة تزيد عن 40°م لمدة أيام إلى أسابيع.
  • اختبارات السقوط/الصدمات: محاكاة حالات السقوط أو الاصطدامات المفاجئة.

10. إدارة الطاقة وتحسين الأداء اللاسلكي

تُعد الكفاءة في استهلاك الطاقة والأداء اللاسلكي القوي من الركائز الأساسية للنجاح تجميع لوحات الدوائر القابلة للارتداء . إن انخفاض عمر البطارية أو ضعف الاتصال يُعدان من المصادر الشائعة لشكاوى المستهلكين وإخفاق إطلاق المنتجات، مما يجعل إدارة الطاقة وتحسين ترددات الراديو (RF) جزءًا محوريًا من إستراتيجيتك التصميمية. دعونا نستعرض كيف يضمن التصميم المناسب للتخطيط والترتيب والمكونات تحقيق أداء عالي مع كفاءة في استهلاك الطاقة وقدرة على مقاومة التداخل لوحة الدوائر المطبوعة المرنة و لوحة الدوائر المطبوعة الصلبة-المطوية تخطيط الدوائر، ترتيب الطبقات، واختيار المكونات يضمنان كفاءة في استهلاك الطاقة، وأداءً عاليًا، ومقاومة للتداخل اللوحات الإلكترونية للإلكترونيات القابلة للارتداء .

نصائح لإدارة الطاقة في الأجهزة القابلة للارتداء

1. استخدام مسارات طاقة عريضة وطبقات أرضية متينة

• أهمية مقاومة المسارات: قلل من هبوط الجهد والفقد الناتج عن المقاومة باستخدام أعرض مسارات ممكنة للطاقة والأرضي — يُفضّل أن تكون ≥0.2 مم اترك مساحة واسعة قدر الإمكان في تكوين FPC. فالتوصيلات النحيفة أو النحاس الرقيق تستهلك بسرعة كفاءة أنظمة بطاريات الليثيوم منخفضة الجهد.
• الطبقات الصلبة: في التصاميم المرنة متعددة الطبقات والتصاميم المرنة-الصلبة، قم بتوجيه الأرضي والطاقة على شكل طبقات مستمرة. يقلل هذا الأسلوب من القابلية للتداخل الكهرومغناطيسي/التفريغ الكهروستاتيكي (EMC/ESD) ويقلل من خسائر IR، وهو أمر بالغ الأهمية في الأجهزة التي تُفعَّل بشكل متكرر وتتواصل لاسلكياً.

2. العزل وسلامة التغذية الكهربائية

• وضعية العزل الدقيقة: ضع المكثفات بأقرب مكان ممكن من دبابيس التغذية/الأرضي ومثبتات الجهد المنخفض (LDOs)/منظمي باك.
• اتصالات قصيرة وعريضة: استخدم أقصر توصيلات ممكنة بين المكثفات وأقراص الدوائر المتكاملة (IC) للحد من الضوضاء والموجات المتقطعة.

3. مثبتات الجهد المنخفض (LDOs) والمنظمون التبديليون

• مثبتات الجهد المنخفض (LDOs) لتوفير طاقة هادئة جداً: تستخدم الأقسام التناظرية/الترددات الراديوية عادةً منظمات الجهد منخفضة التسرب (LDOs) لتقليل الضوضاء، حتى وإن كان ذلك على حساب الكفاءة.
• منظمو التبديل من أجل الكفاءة: تُفضّل المنصات الرقمية وأجهزة الاستشعار وحدات التبديل لتحقيق كفاءة عالية، ولكنها تتطلب تصميم لوحة دارات أكثر تعقيدًا (ضوضاء تبديل ذات تردد أعلى؛ ويستدعي ذلك تخطيطًا دقيقًا للوحة الدارة المطبوعة PCB والحجب المناسب).

4. سكك الطاقة المجزأة

• نطاقات الطاقة المُدارة بالتبديل: استخدم مفاتيح الحمل أو الترانزستورات (MOSFETs) لقطع التغذية عن الأقسام (مثل أجهزة الاستشعار، البلوتوث، الشاشات) عند الخمول، لمنع استنزاف التيار الصغير في وضع السكون.
• عدادات البطارية: يُبسّط وضع عدادات البطارية عند مدخل FPC الرئيسي قياس مستوى شحن البطارية (SOC) على مستوى النظام، ويسمح بتطبيق بروتوكولات الشحن الذكية.

تحسين الترددات الراديوية (RF) لتجميع لوحات الدوائر المطبوعة في الأجهزة القابلة للارتداء

تعتمد الأجهزة القابلة للارتداء في أدائها على قدرتها على التواصل بشكل موثوق. سواء كان ذلك عبر تقنية البلوتوث للسماعات، أو الواي فاي لأجهزة مراقبة المرضى، أو تقنية الاتصال قريب المدى (NFC) للدفع دون تلامس، فإن تصميم الترددات الراديوية (RF) داخل لوحة الدوائر المطبوعة المرنة يجب على الوحدات التجميعية التصدي لمجموعة كبيرة من مشكلات التكامل.

1. مقاومة كهربائية خاضعة للتحكم وتصميم المسارات

• مطابقة المقاومة الكهربائية: الحفاظ مقاومة كهربائية مميزة قدرها 50 أوم على المسارات عالية التردد (RF)، باستخدام هياكل الميكروستريب أو دليل الموجة المزدوج كما يُقترح من قبل موردي الرقائق.
  • قم بتعديل عرض المسار، والمسافة إلى الأرض، وتسلسل لوحة الدوائر المطبوعة وفقًا لـ حاسبة المعاوقة .
• تشغيلات RF قصيرة ومباشرة: احتفظ بخطوط تغذية الهوائي قصيرة ومباشرة قدر الإمكان لتقليل الفقد الناتج عن الإدخال واشوهات الإشارة.

2. تخصيص مساحة كافية وتحديد مكان الهوائي

• التخصيص هو المفتاح: قدم ما لا يقل عن 5–10 مم حول الهوائيات، خالية من النحاس، والأرضية، والمكونات الكبيرة.
  • للوحات FPC الصغيرة، استخدم هوائيات مطبوعة على المنطقة المرنة — فهي تنثني مع الجهاز وتحتاج إلى ضبط/مطابقة قوي.
• لا يوجد معدن فوق/تحت: تجنب حزم البطاريات، أو الدروع، أو الشاشات مباشرة فوق الهوائيات أو نهايات RF الأمامية؛ لأنها قد تُحدث تشويشًا في الهوائي وتُضعف القدرة المشعة.

3. التدريع، والتوصيل بالأرض، والعزل

• درع الأرضي للترددات الراديوية: أنشئ مناطق أرضية (ground pours) وحواجز عبر الثقوب (via fences) حول حدود الفصل بين الدوائر الراديوية والرقمية.
  • استخدم حواجز عبر الثقوب (صفوف من الثقوب بمسافة 0.5–1.0 مم) لعزل مناطق الترددات الراديوية.
• العزل بين الرقمي/الترددي: ضع ساعة رقمية وخطوط بيانات ومصادر طاقة تبديلية بعيدًا عن الأقسام الحساسة للترددات الراديوية. استخدم فتحات أو شقوق عزل في مستويات الأرضية عند الحاجة.

دراسة حالة: وحدة بلوتوث في جهاز تتبع اللياقة

استخدم فريق تصميم بارز لأجهزة تتبع اللياقة نموذجًا مرنًا متعدد الطبقات من ست طبقات مع مستويي أرضية مخصصين في الأعلى والأسفل. تم وضع هوائي البلوتوث في الطرف الأقصى لمنطقة المرونة في السوار، مع ترك مسافة خالية من النحاس والمكونات بطول 15 مم. واستخدم المصممون آلة حاسبة للإعاقة المتحكم بها لضمان تطابق دقيق لمسار التغذية مع 50 أوم.

11. إرشادات التصميم من أجل سهولة التصنيع (DFM)

تحويل فكرة رائعة تجميع لوحات الدوائر القابلة للارتداء إلى واقع يمكن إنتاجه بكميات كبيرة يعني التصميم ليس فقط للوظيفة— قابلية التصنيع هو عامل حاسم. إهمال تصميم مناسب للتصنيع (DFM) للوحات الدوائر المرنة أو هياكل مرنة-صلبة قد يؤدي إلى رفض الإنتاج، فقدان العائد، زيادة التكاليف، أو حتى تأخير الإطلاق. بالنسبة للأجهزة القابلة للارتداء، ذات الأشكال الصغيرة وغير المنتظمة والمتطلبات الصارمة للاعتمادية، فإن كل تفصيل في منهجك لإعداد التصميم من أجل سهولة التصنيع (DFM) يُحدث فرقًا.

إرشادات DFM الأساسية للوحات الدوائر المرنة والمرنة-الصلبة

احتفظ بنصف قطر الانحناء كبيرًا بما يكفي

• قاعدة نصف القطر ≥ 10× السماكة: بالنسبة لأي منطقة مرنة ديناميكية (منطقة ستنحني أثناء الاستخدام)، يجب أن يكون الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء الداخلي 10 أضعاف السماكة الإجمالية لتراكب اللوحة المرنة .
  • مثال : لا ينبغي أبدًا ثني لوحة FPC بسماكة 0.2 مم بانحناء أصغر من نصف قطر 2 مم أثناء التشغيل العادي.
• الانحناءات الأضيق ممكنة في التطبيقات الثابتة، ولكنها تتطلب دائمًا اختبارًا دوريًا قبل الإنتاج للتأهيل.

تجنب المكونات والثقوب في المناطق المرنة/القابلة للانحناء

• لا توضع مكونات/ثقوب بالقرب من الحواف أو المقاطع القابلة للثني:  
  • ضع جميع الأجزاء الحرجة/الحساسة في المناطق الصلبة أو بعيدًا عن محاور الثني.
  • قاعدة الإبهام: احتفظ بمسافة تخفيف لا تقل عن 1 مم بين المكون/الثقب الأقرب وبداية ثني ديناميكي.
• ثقوب مغطاة أو مملوءة فقط: يمنع تسرب معجون التدفق أو دخول الرطوبة/التآكل لاحقًا.

قم بتضمين علامات الموضع (Fiducials)، والثقوب التوجيهية، وميزات التسجيل

• علامات الموضع (Fiducial Markers): توفر نقاطًا واضحة لمحاذاة تركيب السطح (SMT) — وهي أمر بالغ الأهمية للتركيب الدقيق، خاصةً مع المكونات من نوع 0201.
• الثقوب التوجيهية: تسهّل التثبيت الدقيق على حاملات التجميع، وهي ضرورية لتجميع المرن عالي السرعة الآلي.

الحفاظ على التماثل النحاسي والتراكب

• توزيع نحاس متوازن: يضمن خصائص ميكانيكية متساوية ويقلل من خطر تشوه اللوحة أو الالتواء بعد عملية إعادة الذوبان أو الانحناء.
• التراكب المتماثل: في التصاميم المرنة-الصلبة، قم بتطبيق تراكب متناظر عند الإمكان حتى لا تنثني اللوحة بعد التصنيع أو الطلاء.

استخدم المقويات والتعزيزات المناسبة

• تتطلب المناطق الصلبة تعزيزًا: أضف مقواة (قطع FR-4 أو بولي إيميد) أسفل مناطق الموصلات SMT، وألواح الاختبار، أو المكونات التي قد تتعرض لقوى الإدخال/الإخراج.

نصائح تصميم للتركيب في الدارات المرنة القابلة للارتداء

• تصميم الوسادات: استخدم ألواحًا محددة بدون قناع لحام (NSMD) لتحسين جودة وصلات اللحام.
• تباعد المكونات: احتفظ بمسافة كافية بين أجهزة SMT للسماح بالتفتيش باستخدام AOI/الأشعة السينية، خاصةً لأجهزة micro-BGA.
• المسافة الآمنة من الحافة: على الأقل 0.5 مم من النحاس إلى مخطط اللوحة لتجنب حدوث دوائر قصيرة أو تقشر أو تشطيبات سيئة على الحواف.

جدول إرشادات التوصيل

استخدام أدوات تحليل DFM

توفر أدوات الصناعة من كبرى شركات تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) تبسيطًا لعملية الانتقال من التصميم إلى الإنتاج. استخدم أدوات فحص DFM المجانية أو عبر الإنترنت لتحديد مخاطر القابلية للتصنيع قبل إرسال ملفات الجيربر إلى مورد الألواح المرنة.

• أداة JLCPCB لتحليل DFM: أداة قائمة على الويب، تدعم التصاميم المرنة والجامدة ومتعددة الطبقات (rigid-flex).
• محللات ALLPCB/Epec لتحليل DFM: تشمل مكتبات تراكم التصاميم المرنة، وقواعد IPC الشائعة، ويمكنها محاكاة خطوات عملية التصنيع.
• الفحوصات الداخلية لتحليل DFM: تدعم العديد من أدوات EDA تحليل DFM القائم على القواعد للتصاميم المرنة ومتعددة الطبقات — قم بتفعيلها وتخصيصها في أبكر وقت ممكن أثناء عملية التخطيط.

قائمة مراجعة DFM

• تأكد من أن جميع المنحنيات المطلوبة تلتزم بنصف القطر الأدنى المسموح به.
• عدم وجود مكونات أو نقاط اختبار داخل مناطق الانحناء/المرونة.
• تراكب متوازن وطبقات متماثلة.
• علامات مرجعية وثقوب تجهيز على كل لوحة.
• تم تحديد مواصفات التقويات أسفل الموصلات والمواقع ذات القوى العالية.
• جميع قواعد التصميم (DRs) يتم فحصها من حيث إمكانية التصنيع (DFM) من قبل المورد قبل الإنتاج الضخم.

مثال: تجنب الأخطاء المكلفة

فشلت شركة ناشئة رائدة في مجال الأجهزة القابلة للارتداء في أخذ نصف قطر الانحناء ووضع الثقوب في الاعتبار في جهاز التتبع الرياضي من الجيل الأول، مما أدى إلى معدل رفض للوحات بنسبة 32% نتيجة لتشققات في المسارات وثقوب مفتوحة في الدفعة الأولى من الإنتاج. وبعد إعادة التصميم مع اتباع قواعد إمكانية التصنيع بشكل صحيح، وإضافة مسافة تبلغ 1 مم بين الثقب ومنطقة الانحناء، وزيادة الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء إلى 8 أضعاف السماكة، ارتفع معدل النواتج إلى 98.4٪ في الدفعة التالية، واختفت شكاوى الضمان تمامًا.

12. الأعطال الشائعة في تركيب اللوحات المطبوعة (PCB) وكيفية منعها

بالرغم من التطورات في المواد وطرق التجميع وأتمتة التصميم، فإن الأداء العملي للوحات تجميع لوحات الدوائر القابلة للارتداء غالبًا ما يتحدد من خلال عدد قليل من أوضاع الفشل المتكررة والتي يمكن تجنبها. إن فهم الأسباب الجذرية وتطبيق استراتيجيات وقائية مثلى أمر ضروري لتفادي عمليات الاسترجاع المكلفة أو الإرجاع أو العملاء غير الراضين. ويوضح هذا القسم أكثر آليات الفشل شيوعًا التي تُصادف في لوحة الدوائر المطبوعة المرنة و لوحة الدوائر المطبوعة الصلبة-المطوية التصنيع، ويُحدد حلولًا عملية وقابلة للتنفيذ.

تشققات اللحام والتعب

ما الذي يحدث بشكل خاطئ: مع انحناء لوحات الدوائر المطبوعة المرنة بشكل متكرر — وقد يصل إلى آلاف دورات الانثناء أثناء الاستخدام اليومي للأجهزة القابلة للارتداء — تتراكم الإجهادات عند وصلات لحام SMB، خاصة على محاور الانحناء أو في المناطق ذات التفاوت العالي في الانفعال. وفي النهاية، قد تتكون شقوق صغيرة في اللحام، مما يؤدي إلى توصيلات مقاومة أو انقطاعات كارثية.

السبب:

• وضع المكونات على مناطق الانحناء الديناميكية أو بالقرب منها.
• استخدام سبائك لحام هشة أو عدم استخدام مادة الحشو السفلية عند الحاجة.
• التعرض المفرط للحرارة أثناء التجميع/إعادة العمل (مما يؤدي إلى نمو الحبيبات البنية الدقيقة أو نقاط تركز الإجهاد).
• تصميم سيء للوصلة المرنة/الصلبة، مما يركز الإجهاد على الحافة الواحدة.

كيفية الوقاية:

• ضع المكونات الكبيرة أو الصلبة دائمًا بعيدًا عن محاور الانحناء —ويفضل أن تكون في المناطق الصلبة.
• قم بتطبيق المادة العازلة (underfill) تحت مكونات BGA أو QFN أو المكونات الكبيرة في المناطق المرنة لتوزيع وامتصاص الإجهادات الميكانيكية.
• استخدم سبائك لحام مرنة (على سبيل المثال، تلك التي تحتوي على محتوى فضة أعلى من أجل القابلية للتشكل).
• قم بمحاكاة الانحناء خلال مرحلة النموذج الأولي (اختبار دورة الانحناء لأكثر من 10,000 دورة).
• صمم انتقالات طبقات بلطف (لا توجد خطوات مفاجئة بين المناطق الصلبة/المرونة).

انفكاك الطبقات وفصل المادة اللاصقة

ما الذي يحدث بشكل خاطئ: تنفصل طبقات الدائرة المطبوعة المرنة أو اللوح المدمج الصلب-المرن — إما على طول واجهة النحاس-البولي أميد، أو داخل الطبقة اللاصقة، أو أسفل الغطاء الواقي في البيئات عالية الرطوبة. ويُعد الانفكاك كارثيًا في كثير من الأحيان، مما يؤدي إلى انقطاع الدائرة فورًا.

الأسباب الرئيسية:

• احتواء الرطوبة المحبوسة أثناء التجميع (عدم استخدام التحميص المسبق للوحات المرنة).
• درجات حرارة إعادة الذوبان العالية جدًا التي تؤدي إلى تدهور المواد اللاصقة.
• ضعف التصاق النحاس بالبولي أميد بسبب التلوث أو تسلسل الترتيب غير الصحيح للطبقات.
• إجهاد التجميع على الطبقات ناتج عن تثبيت غير صحيح للدعامات.

كيفية الوقاية:

• قم دائمًا بتحميص لوحات الدوائر المطبوعة المرنة مسبقًا (125°م، من ساعتين إلى أربع ساعات) قبل تجميع المكونات السطحية (SMT) لإزالة الرطوبة الممتصة.
• استخدم لحيمًا منخفض درجة الحرارة وضبط ملفات تعريف إعادة الذوبان لتجنب تحلل المادة اللاصقة.
• حدد بولي إيميذ عالي الجودة وأنظمة لاصقة مُثبتة.
• تصميم صلبون دقيق/تطبيقه —يتم تطبيقه باستخدام أفلام مرنة، وليس كريات لاصقة صلبة.

الجدول: قائمة فحص الوقاية من التشقق الطبقي

التآكل ودخول الرطوبة

ما الذي يحدث بشكل خاطئ: تتآكل المسارات النحاسية المكشوفة أو الثقوب الانتقالية أو الوسادات—خاصةً في الأجهزة المعرضة للعرق—مما يؤدي إلى تكوّن أملاح نحاسية خضراء، وزيادة المقاومة، ودوائر مفتوحة، أو قصر بلورات شجرية.

الأسباب الجذرية:

• الطلاء الواقي غير الكامل أو المُطبَّق بشكل سيء.
• تسرب السوائل عند الثقوب الانتقالية المكشوفة/غير المملوءة في المناطق المرنة.
• الأطراف غير المغلقة أو الطبقة الحامية المنفصلة.
• اختيار خاطئ لنهاية السطح على الوسادات المكشوفة (HASL بدلاً من ENIG/OSP).

كيفية الوقاية:

• اختر طلاء مطابقًا قويًا (بولي باريلين، أكريليك، سيليكون) للإغلاق البيئي.
• تغطية/تعبئة جميع الثقوب الواصلة في مناطق المرونة؛ تجنب الثقوب الواصلة غير الضرورية.
• إغلاق الحواف والتفاف غطاء مستمر للوحات الدوائر المرنة.
• استخدم نهايات سطح من نوع ENIG أو OSP ثبت كفاءتها في مقاومة التآكل في الأجهزة القابلة للارتداء.

انحراف الترددات الراديوية وفشل الاتصال اللاسلكي

ما الذي يحدث بشكل خاطئ: جهاز يعمل في المختبر يفقد نطاقه أو يعاني من أداء متقطع لتقنية بلوتوث/واي فاي "في البيئة الحقيقية". غالبًا ما يؤدي تعديل الجهاز أو طلاؤه إلى تغيير تردد الهوائي أو زيادة فقد الإدخال.

الأسباب الشائعة:

• مساحة هوائي غير كافية أو غير قابلة للتكرار.
• وضع صب أرضي أو درع قريب جدًا من الهوائي/المسار بعد إعادة التصميم أو كحل تصحيحي.
• تراكب خاطئ أو إعاقة غير مضبوطة على خطوط الترددات الراديوية.
• طبقة طلاء سميكة جدًا أو ذات ثابت عازل غير مناسب موضوعة فوق الهوائيات.

كيفية الوقاية:

• الحفاظ على مسافة 5–10 مم حول الهوائي سواء في التخطيط أو التجميع.
• مراقبة دقيقة للإعاقة: استخدم دائمًا حاسبات التراكب واختبر الإعاقة بعد التجميع في الإنتاج.
• ضبط الهوائي في الموقع: يجب إجراء الضبط النهائي بعد وضع جميع الطبقات والتركيب الكامل للغلاف.
• إنشاء اختبار الترددات الراديوية كعنصر في فحص الجودة الخارجة من الإنتاج وليس فقط كقائمة تحقق في مرحلة التصميم.

جدول الوقاية المرجعي السريع

اختبارات الدورة المرنة وعمر التشغيل إلزامية

أي تصميم مخصص للأجهزة القابلة للارتداء أو الاستخدام المرن، يجب أن تخضع عينات ما قبل الإنتاج لاختبارات تسريع دورة مرنة ، سقوط، رطوبة، وضباب ملحي. يجب أن تكون نتائج هذه الاختبارات دافعة للتحسين التكراري في التصميم — قبل وقت طويل من الإنتاج الضخم.

خلاصة: معظم الأعطال في تجميع FPC و تُبنى لوحات الدوائر المطبوعة المرنة-الصلبة على أساس أسس غالبًا ما تُهمَل — مثل التوصيف، وإدارة الرطوبة، والطلاء، وسلامة التصميم الكهربائي. إذا قمت بالتصميم الاستباقي لهذه الجوانب، فستتمكن من تقديم أداء متميز تُبنى لوحات الدوائر المطبوعة المرنة-الصلبة على أساس أسس غالبًا ما تُهمَل — مثل التوصيف، وإدارة الرطوبة، والطلاء، وسلامة التصميم الكهربائي. إذا قمت بالتصميم الاستباقي لهذه الجوانب، فستتمكن من تقديم أداء متميز اللوحات الإلكترونية للإلكترونيات القابلة للارتداء الذي ينجح في العالم الواقعي — وليس فقط في المختبر.

13. الاتجاهات المستقبلية في تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة المرنة والمرنة-الصلبة

عالم تجميع لوحات الدوائر القابلة للارتداء والألكترونيات المرنة تتطور بسرعة هائلة. ومع سعي الأجهزة الاستهلاكية والطبية نحو أشكال أصغر باستمرار، وأكثر ذكاءً ومتانة، فإن الموجة القادمة من الابتكارات في تصميم وتصنيع لوحة الدوائر المطبوعة المرنة و لوحة الدوائر المطبوعة الصلبة-المطوية مصممة لتحويل ليس فقط الأجهزة القابلة للارتداء، بل صناعة الإلكترونيات بأكملها. دعونا نستعرض أهم الاتجاهات الاتجاهات الناشئة التي من المتوقع أن تشكل مستقبل اللوحات الإلكترونية للإلكترونيات القابلة للارتداء التقنية.

1. مواد متقدمة: ما وراء البولي إيميد

• الركيائز النانوية والجرافين: قدّمت الجرافين ومن المتوقع أن يفتح استخدام مواد ثنائيّة الأبعاد أخرى آفاقًا جديدة للدوائر فائقة الرقة، وعالية التوصيلية، ومرنة للغاية. وتُظهر الدراسات الأولية مرونةً متفوّقة، وقدرةً متزايدة على تحمّل التيار، وإمكانية استخدامها في تطبيقات أجهزة استشعار حيوية مدمجة أو شاشات قابلة للتمدد (مثل لصقات جلد إلكترونية أو روبوتات مرنة).
• خليط البولي إيمييد القابل للتمدد: ستمكّن الأنواع الجديدة من البولي إيمييد التي تمتلك خصائص تمدد وارتداد داخلية الألواح الدوائر المطبوعة (PCBs) ليس فقط من الانحناء، بل أيضًا من التمدد والالتواء — مما يجعلها مناسبة للأجهزة الطبية القابلة للارتداء من الجيل التالي التي تتلاءم مع المفاصل المتحركة، أو الملابس الرياضية الذكية.
• الركائز المتوافقة حيويًا والقابلة للتحلل البيولوجي: بالنسبة للغرسات والأدوات ذات الاستخدام الواحد الصديقة للبيئة، تشهد الأبحاث تقدمًا في مواد تتحلل بأمان بعد الاستخدام أو تظل خاملة في الجسم على المدى الطويل.

2. دوائر مطبوعة مرنة مصنوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد والنمذجة السريعة

• اللوحات الدوائر المطبوعة والوصلات المصنوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد: يتيح دمج التصنيع الإضافي والحبر الوظيفي الآن الطباعة المباشرة لسلاسل الدوائر الكاملة، والهوائيات، وحتى الهجين الصلب-المرن في عملية واحدة. وهذا يقلل من وقت النموذج الأولي من أسابيع إلى ساعات، ويفتح المجال أمام الإبداع في تشكيل التخطيطات العضوية أو المدمجة.
• أجهزة التقنية الطبية المخصصة: سيتمكن عيادات المستشفيات البحثية قريبًا من طباعة أجهزة مراقبة مخصصة يرتديها المرضى بسرعة، بحيث تتناسب بدقة مع تشريح الجسم أو الاحتياجات الطبية—مما يقلل التكاليف بشكل كبير ويحسن نتائج المرضى.

3. نمو التكامل عالي الكثافة متعدد الطبقات

• زيادة عدد الطبقات: مع تزايد الطلب على الساعات الذكية والأجهزة الطبية لمزيد من الميزات في نفس المساحة (أو أصغر)، فإن الصناعة تتجه بسرعة نحو 6 طبقات، 8 طبقات، أو حتى 12 طبقة من ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرنة باستخدام نحاس رقيق جدًا (حتى حوالي 9 ميكرومتر) وعوازل دقيقة للغاية.
• تقنيات الخطوات الدقيقة جدًا والثقوب المجهرية: ثقوب مجهرية صغيرة جدًا مثل 0.05 مم ومن المقرر أن تصبح المكونات ذات المسافات الأقل من 0.3 مم أمرًا روتينيًا، مما يتيح تجميع عدد متزايد من المستشعرات والذاكرة ودوائر إدارة الطاقة داخل مساحات بقياسات ميليمترية.
• النظام في الحزمة (SiP) والشريحة على المرن (Chip-on-Flex): سيؤدي التركيب المباشر للرقاقات العارية (الشريحة على المرن)، والوحدات متعددة الرقاقات، والمكونات الساكنة المتكاملة على الركائز المرنة إلى تقليل الحجم وزيادة الوظائف في الأجهزة القابلة للارتداء.

4. التكامل مع الإلكترونيات القابلة للتمدد والملابس الإلكترونية

• التضمين في النسيج: تُدمج الإلكترونيات القابلة للارتداء بشكل متزايد مع الملابس (مثل القمصان الذكية، الجوارب، واللصقات)، حيث يمكن تغليف الدوائر المرنة أو هياكل الجامد-المرن مباشرةً داخل الأقمشة لتقديم تجربة مستخدم سلسة.
• الابتكار في الدوائر القابلة للتمدد: إن شبكات المعادن، والمسارات المتعرجة، وهندسة الركائز تجعل الدوائر القابلة للتمدد حقًا — القادرة على التمدد بنسبة 20–50% — حقيقة واقعة للأجهزة الرياضية والطبية التي يجب أن تنثني وتلتوي وتمتد مع الجسم دون فقدان الوظيفة.

5. الاختبار الآلي، والتفتيش، وتعزيز العائد المدفوع بالذكاء الاصطناعي

• دمج المصنع الذكي: تُعتمد خطوط التصنيع الخاصة بتجميع الألواح المرنة الآن على أنظمة تفتيش قائمة على الذكاء الاصطناعي (AOI، الأشعة السينية، واختبارات المسبار الطائر) لاكتشاف العيوب المجهرية، والتنبؤ بالأعطال، وتحسين معدلات النجاح.
• الاختبار الدوري كمعيار: ستصبح منصات الاختبار الآلي للدورات المرنة والبيئية قياسية قريبًا، لضمان توافق كل دفعة من ألواح إلكترونيات قابلة للارتداء مع متطلبات العمر الوظيفي — ليس كإضافة اختيارية، بل كجزء مدمج في العملية.

6. توسع إنترنت الأشياء والاتصال اللاسلكي

• الاتصال السلس: مع تقنيات 5G وUWB وبروتوكولات إنترنت الأشياء الناشئة، ستدمج ألواح إنترنت الأشياء المزيد من الهوائيات، وتقنيات التبديل الراديوي المتقدمة، بل وحتى مسارات ذاتية الشفاء أو قابلة لضبط التردد لتحسين الأداء في الظروف الديناميكية (مثل العرق، الحركة، والتغيرات البيئية).
• استخلاص الطاقة على اللوحة: تستكشف تصميمات FPC من الجيل التالي بالفعل عناصر مستخرجة للطاقة مثل الطاقة الشمسية، أو الكهرباء الثلاثية، أو استخلاص طاقة الراديو، بهدف تمديد عمر تشغيل الجهاز أو حتى تمكين شرائط ذكية خالية من البطاريات.

وجهة نظر الصناعة واقتباسات

نحن نتجاوز المرونة البسيطة؛ فلوحات الدوائر المطبوعة من الجيل التالي ستكون لينة، قابلة للتمدد، وشبه غير مرئية للمستخدم. الفجوة بين اللوحة والمنتج تختفي تدريجيًا.  — مدير البحث والتطوير، تقنية قابلة للارتداء، أحد كبار مصنعي المعدات الأصلية الخمسة الأوائل في مجال التكنولوجيا

كل قفزة في تقنية القواعد — مثل الجرافين أو البولي إيميد القابل للتمدد — لا تقلل حجم الجهاز فحسب، بل تُولد فئات جديدة بالكامل من المنتجات: وشوم ذكية، وأجهزة استشعار منسوجة، وأقراص مستشعرات حيوية، وما بعدها.  — عالم مواد رئيسي، مبتكر في مجال الأجهزة الطبية

جدول: الميزات الجاهزة للمستقبل القادمة إلى تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة المرنة والهجن

14. الخاتمة: لماذا تُسهم لوحات الدوائر المطبوعة المرنة والمرنة-الصلبة في دفع الجيل القادم

الرحلة عبر تجميع لوحات الدوائر القابلة للارتداء —من المواد الأساسية واستراتيجيات الترتيب الطبقي إلى التجميع الدقيق والحماية والاتجاهات المستقبلية—تكشف عن حقيقة واحدة جوهرية: لوحة الدوائر المطبوعة المرنة و لوحة الدوائر المطبوعة الصلبة-المطوية التقنيات هي الأساس الذي سيُبنى عليه عقد الابتكار القادم في الأجهزة القابلة للارتداء والتطبيقات الطبية.

مفتاح التصغير والوظائف

سواءً كان ذلك لصقة صحية غير بارزة أو ساعة ذكية غنية بالميزات، التصغير يُعرِّف الأجهزة القابلة للارتداء الحديثة. فقط اللوحات الدوائر المطبوعة المرنة الدوائر المرنة ودوائر الرِّجِد-فلكس ذات الصلة خفيفة الوزن كريشة راحتها للمستخدمين النهائيين.

جدول: ملخص — لماذا تتفوق الدوائر المرنة والرِّجِد-فلكس في الأجهزة القابلة للارتداء

الموثوقية وطول عمر المنتج

تخضع الأجهزة القابلة للارتداء لآلاف دورات الثني، والتعرق، والصدمات، والاستخدام اليومي. ولا يمكن تجنب العيوب التي تُفشل التصاميم الأقل جودة إلا من خلال تجميع FPC التخطيط الدقيق، والطلاء المطابق للشكل، ووضع المكونات بذكاء، وقواعد DFM المؤكدة تأكيدًا تامًا.

دفع الأداء وإدارة الطاقة

من عمر البطارية إلى أداء الموجات الراديوية، PCB للإلكترونيات القابلة للارتداء تضع التقنيات الحديثة في تصنيع الدوائر المعقدة معيارًا عاليًا. تعقيدات التحكم في المعاوقة، وقمع الضوضاء، ودمج الدوائر منخفضة الطاقة التي تتيحها أحدث تقنيات التصنيع تضمن أداءً قويًا للأجهزة القابلة للارتداء مع استهلاك ضئيل جدًا للطاقة من بطاريات صغيرة الحجم.

تمكين التطبيقات الثورية

لوحة الدوائر المطبوعة الصلبة-المطوية والدوائر المرنة المتطورة لا تلبي احتياجات اليوم فحسب، بل تفتح الباب أمام الاختراقات المستقبلية:

• أقراص طبية ذكية تراقب باستمرار صحة المريض
• أجهزة لياقة بدنية يمكن أن تختفي داخل الملابس أو الجسم
• وحدات الواقع المعزز/الواقع الافتراضي التي تكون غير بارزة، خفيفة الوزن، و شبه خفيفة الوزن
• أجهزة قابلة للارتداء مدعومة بالإنترنت من الأشياء والذكاء الاصطناعي مع اتصال في الوقت الفعلي، وجمع الطاقة، وذكاء مضمن

كل شيء عن التعاون

وأخيرًا، تسخير القوة الكاملة لـ اللوحات الإلكترونية للإلكترونيات القابلة للارتداء الحلول — خاصةً للتطبيقات الجماهيرية أو الخاضعة للتنظيم — يعني العمل مع شركاء خبراء في تصنيع اللوحات الإلكترونية والمكونات، والتجميع، والاختبار. استخدم أدواتهم الخاصة بإمكانية التصنيع، واعتمد اختبارات واقعية قبل إطلاق المنتج، واعتبر الدروس المستفادة من الميدان وقودًا للتحسين المستمر.