يُطلق على ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرن أيضاً اسم لوحة الدوائر المطبوعة المرنة أو الدائرة المرنة أو لوحة الأسلاك المرنة. وكما يظهر من الاسم، فهي نوع من لوحات الدارات الكهربائية التي تنحني. يمكن أن تطوى وتتدحرج وتمتد وتتحرك في ثلاثة أبعاد. تُصنع لوحات الدارات المطبوعة المرنة على غشاء رقيق مثل البولي إيميد أو البوليستر. وهي تعطي موثوقية عالية ومرونة جيدة جداً.

تعود أصول الدوائر المطبوعة المرنة (FPC) إلى خمسينيات القرن الماضي, عندما طوّر باحثون في الولايات المتحدة تقنيات لطباعة وحفر الموصلات المسطحة على ركائز مرنة كبديل عن الأسلاك التقليدية. استخدم الصانعون البوليستر أو فيلم البولي إيميد كقاعدة. تجعل هذه الأفلام اللوحة قوية وقابلة للانحناء. ومن خلال تضمين الدوائر الكهربائية على صفائح بلاستيكية رقيقة، يمكن تكديس العديد من الأجزاء الصغيرة في مساحات ضيقة. والنتيجة هي دارة يمكن أن تنحني وتطوى وتتناسب مع الأشكال المدمجة. تتميز الدوائر المرنة بخفة وزنها، وتستهلك مساحة صغيرة، وتبرد بشكل جيد، ويسهل تركيبها. كما أنها حلت حدود طرق التوصيل القديمة.

تحتوي الدائرة المرنة على ثلاث مجموعات مواد رئيسية. الأولى هي الفيلم العازل. الثانية هي الموصل. والثالثة هي المادة اللاصقة. تعمل هذه الأجزاء معًا لتلبية الحاجة إلى أجهزة إلكترونية أصغر حجمًا ومتنقلة. تتيح الدوائر المرنة للأجهزة أن تصبح أكثر كثافة وأصغر حجمًا وأكثر موثوقية.

المواد المستخدمة في ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرن

1. غشاء عازل

تشكل الطبقة العازلة الطبقة الأساسية الرئيسية للدائرة. تُستخدم المادة اللاصقة لربط رقائق النحاس بالطبقة العازلة. في التصميمات المرنة متعددة الطبقات، يستخدم الفيلم أيضاً لربط الطبقات الداخلية.

تحمي الطبقة العازلة الدائرة من الغبار والرطوبة. كما أنه يقلل من الضغط عند ثني اللوح. الطبقة الموصلة مصنوعة من رقائق النحاس.

تستخدم بعض الدوائر المرنة أجزاء صلبة مصنوعة من الألومنيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ. تعطي هذه الأجزاء الصلبة ثباتاً في الأبعاد. وتوفر دعماً مادياً للأجزاء والأسلاك. كما أنها تقلل من الضغط. تربط المواد اللاصقة الأجزاء الصلبة بالدائرة المرنة.

ومن المواد الشائعة الأخرى طبقة الترابط التي تغطي جانبي الطبقة العازلة. توفر طبقة الربط هذه العزل وتساعد على ربط الطبقات. ويمكنها أن تزيل الحاجة إلى بعض طبقات الغشاء وتتيح للمصنعين ربط العديد من الطبقات بأجزاء أقل.

هناك العديد من أنواع الأغشية العازلة. وأكثرها استخداماً هي البوليميد والبوليستر. ويستخدم حوالي ثمانين بالمائة من صانعي الدوائر المرنة في الولايات المتحدة رقائق البولي إيميد. ويستخدم حوالي عشرين في المائة من صانعي الدارات المرنة في الولايات المتحدة فيلم البوليستر.

بوليميد ليس من السهل حرقه. يحافظ على شكله، ويقاوم التمزق، ويمكنه تحمل حرارة اللحام. البوليستر، الذي يسمى أيضًا بولي إيثيلين تيريفثالات البولي إيثيلين (PET)، له سمات فيزيائية قريبة من البولي إيميد. لديه ثابت عازل كهربائي أقل ويمتص رطوبة أقل. ولكنه لا يقاوم الحرارة العالية أيضًا. يذوب البوليستر عند درجة حرارة 250 درجة مئوية تقريبًا وتبلغ درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) حوالي 80 درجة مئوية. وهذا يحد من استخدامه في المنتجات التي تحتاج إلى لحام ثقيل على حافة اللوحة. في الاستخدامات ذات درجات الحرارة المنخفضة، يمكن أن يكون البوليستر قاسيًا. ومع ذلك، فإن البوليستر جيد للهواتف والمنتجات الأخرى التي لا تواجه ظروفًا قاسية.

غالبًا ما يتم إقران أفلام البوليميد مع مواد لاصقة من البوليميد أو الأكريليك. وعادةً ما تقترن أغشية البوليستر بمواد لاصقة من البوليستر.

2. موصل

تُعد رقائق النحاس مناسبة تماماً للدوائر المرنة. يمكن صنع رقائق النحاس عن طريق الترسيب الكهربائي (ED) أو عن طريق الدرفلة والتلدين (RA). جانب واحد من نحاس ED لامع. والجانب الآخر له سطح معالجة غير لامع. نحاس ED قابل للانحناء ويمكن أن يأتي بسماكات وعرض متعدد. غالباً ما يحصل الجانب غير اللامع من نحاس ED على معالجة خاصة لجعله يلتصق بشكل أفضل.

النحاس RA مرن وسلس في آن واحد. يمكن أن يكون أقوى. نحاس RA مفيد في التصاميم التي تحتاج إلى ثني متكرر أو مرونة ديناميكية.

3. مادة لاصقة

تقوم المواد اللاصقة بأكثر من ربط الطبقة العازلة بالموصل. ويمكن أن تعمل كطبقات تغطية أو طبقات واقية أو طبقات تراكب. والفرق الرئيسي هو كيفية تطبيق الطبقة. ترتبط طبقة الغطاء بالطبقة العازلة وتشكل بنية مغلفة.

تُستخدم طباعة الشاشة لتغطية وطلاء المواد اللاصقة. لا تستخدم جميع الهياكل المصفحة مواد لاصقة. تصنع الرقائق الخالية من المواد اللاصقة دوائر أرق وأكثر مرونة. كما أنها توفر نقل حرارة أفضل من الرقائق اللاصقة. نظرًا لعدم وجود طبقة لاصقة لحجب الحرارة، تتحرك الحرارة عبر الدائرة بشكل أفضل. يتيح ذلك تشغيل الرقائق المرنة الخالية من المواد اللاصقة في الظروف التي قد تفشل فيها الرقائق اللاصقة.

خطوات اللحام ل FPC (عملية لحام FPC)

فيما يلي خطوات عملية للحام شريحة PQFP يدويًا وأجزاء SMD الشائعة في الدوائر المرنة. استخدم هذه الخطوات كدليل واضح. اتبع قواعد السلامة و ESD أيضًا.

1. قبل اللحام، ضع التدفق على اللبادات قبل اللحام. استخدم مكواة لمعالجة الوسادات. هذا يجنبك سوء التعليب أو أكسدة الوسادة. لا تحتاج الرقائق عادةً إلى عمل مسبق.

2. استخدم الملقط لوضع رقاقة PQFP بعناية على لوحة PCB. افعل ذلك لتجنب ثني أو كسر الأسلاك. قم بمحاذاة الرقاقة مع الوسادات. تأكد من توجيه الرقاقة في الاتجاه الصحيح. سخّن المكواة إلى أعلى من 300 درجة مئوية. ضع القليل من اللحام على طرف المكواة. اضغط على البُرادة المحاذاة باستخدام أداة. أضف كمية صغيرة من اللحام إلى سنّين مائلين. أمسك الشريحة وألحم السنّين القطريين. سيؤدي ذلك إلى تثبيت الشريحة في مكانها. بعد لحام هذين السنين، تحقق من المحاذاة. إذا لزم الأمر، انقل البُرادة أو أزلها وأعد وضعها في مكانها.

3. عند بدء لحام جميع المسامير، أضف اللحام إلى طرف المكواة. ضع التدفق على جميع المسامير لإبقائها رطبة. المس طرف المكواة بطرف كل مسمار حتى ترى اللحام يتدفق في المسمار. أبقِ طرف المكواة موازيًا للسنون أثناء اللحام. يساعد ذلك على منع السنون من سد المسامير بسبب كثرة اللحام.

4. بعد لحام جميع المسامير، استخدم التدفق لتبليل جميع المسامير وتنظيف اللحام. قم بإزالة اللحام الإضافي لإزالة القصور والجسور. وأخيراً، استخدم الملقط لفحص وصلات اللحام السيئة. عند الانتهاء، قم بتنظيف اللوح. استخدم الكحول وفرشاة صلبة، ثم امسح على طول اتجاه السنون حتى تختفي بقايا اللحام.

5. المقاومات والمكثفات الصغيرة والمتوسطة الحجم أسهل. ضع الجزء على وسادة. ثم ضع أحد الطرفين على اللوحة وأمسكه بالملاقط. قم بلحام أحد الطرفين أولاً. تحقق من الموضع. إذا كانت محاذاة، قم بلحام الطرف الآخر.

الاختلافات الرئيسية بين ثنائي الفينيل متعدد الكلور الصلب والدائرة المرنة

مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الصلبة هي ما يعتقده الناس عادةً على أنها لوحات دوائر كهربائية. وهي تستخدم موصلات وأجزاء أخرى على لوحة غير موصلة. وغالباً ما تحتوي اللوحة غير الموصلة على زجاج. يجعل الزجاج اللوح قويًا وصلبًا. توفر لوحات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الصلبة دعماً جيداً للأجزاء ومقاومة جيدة للحرارة.

تحتوي مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرنة أيضًا على آثار موصلة على قاعدة غير موصلة. لكن القاعدة مرنة، مثل البوليميد. وتسمح القاعدة المرنة للدائرة بالانحناء والتعامل مع الاهتزازات والتبريد الجيد والطي في أشكال عديدة. وبسبب هذه الأشكال، أصبحت الدوائر المرنة شائعة الآن في التصميمات الإلكترونية المدمجة والجديدة.

إلى جانب المادة الأساسية والصلابة، تشمل الاختلافات الكبيرة الأخرى ما يلي:

• اختيار الموصل: غالبًا ما يستخدم فليكس نحاس RA أكثر ليونة بدلاً من نحاس ED الصلب. وهذا يساعد إذا كان يجب أن تنحني الدائرة دون تشقق.

• التصنيع: لا يستخدم صانعو الثنائيات المرنة قناع لحام مثل مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الصلبة. فهم يستخدمون طبقة تغطية أو طبقة تغطية لحماية الآثار العارية.

• التكلفة: عادة ما تكلف الدوائر المرنة أكثر من الألواح الصلبة. لكن اللوح المرن يمكن أن يسمح للمهندسين بتقليص حجم المنتج. وهذا يمكن أن يقلل من التكلفة الإجمالية للمنتج لأن المنتج الأصغر قد يكلف أقل في التصنيع أو الشحن.

كيفية الاختيار بين مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الصلبة والمرنة

يمكن أن يعمل كلا النوعين في العديد من المنتجات. بعض الاستخدامات تستفيد أكثر من نوع واحد. على سبيل المثال، تكون مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الصلبة منطقية في المنتجات الكبيرة مثل أجهزة التلفاز وأجهزة الكمبيوتر المكتبية. وغالباً ما تحتاج المنتجات المدمجة مثل الهواتف والأجهزة القابلة للارتداء إلى دوائر مرنة.

عند اختيارك، فكّر في:

• ما الذي يحتاج منتجك إلى القيام به.

• ما تستخدمه الصناعة عادةً للمنتجات المماثلة.

• كيف يمكن أن يؤدي استخدام نوع واحد إلى تغيير التكاليف أو التجميع.

إذا كان جهازك يحتاج إلى طي أو ثني أو توفير مساحة، فاختر الأجزاء المرنة. إذا كنت بحاجة إلى تكلفة منخفضة وقوة تركيب عالية للأجزاء الكبيرة، فاختر الصلب.

مقويات لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرنة

وتسمى المقويات أيضاً ألواح التقوية أو ألواح الدعم أو أضلاع التقوية. وتستخدم في الإلكترونيات للتحكم في المرونة. تعمل المقويات على حل مشكلة أن الألواح المرنة يمكن أن تكون شديدة الانحناء. فهي تجعل مناطق التوصيل أقوى وتساعد في التجميع.

أنواع التقوية الشائعة:

• مقويات من الفولاذ المقاوم للصدأ

• مقويات الألومنيوم

• مقويات بوليستر

• مقويات البولي إيميد

• مقويات الألياف الزجاجية

• مقويات PTFE (التفلون)

• مقويات البولي كربونات

قواعد التعامل مع مقويات البوليميد (PI):

1. تُخبز مقويات PI على درجة حرارة 80 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة قبل الاستخدام.

2. اعمل في غرفة نظيفة عند درجة حرارة 25 درجة مئوية ورطوبة نسبية 65% إن استطعت.

3. استخدم مقويات PI المقطوعة حديثاً قريباً. إذا جلسوا أكثر من يوم واحد، أغلقهم جيداً.

4. قم بتنظيف الواجهة التي تلتقي فيها FPC مع المقوّي قبل الربط.

5. استخدم شروط الربط والضغط الصحيحة عند استخدام مكابس مختلفة.

6. بعد المعالجة، انتظر حتى تبرد الرقصة قبل فتح الجزء وإزالته.

7. لا تبرد مقويات PI بسرعة بعد التصفيح. قم بإزالة الجزء على حامل بطيء التسخين مثل قماش الألياف الزجاجية إذا لزم الأمر. إذا كنت تستخدم مكبس صوانٍ، انتظر حتى يبرد المنتج إلى درجة حرارة الغرفة.

كيفية منع الخدوش والتشققات في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرنة

قد لا يتمركز محور الانحناء المحايد للدائرة المرنة في المكدس. وتساعد المناولة السليمة على وقف الانبعاجات والتشققات.

تشبه مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرنة الأجزاء الميكانيكية وكذلك الأجزاء الكهربائية. يجب أن يجعل تخطيط التتبع الدارة بأكملها قوية. وعلى عكس اللوح الصلب، يمكن للوح المرن أن ينحني ويلتوي ويطوى ليتناسب مع المنتج النهائي. إذا تجاوز الانحناء نقطة معينة، يتم وضع النحاس تحت شد قوي. يمكن أن يؤدي ذلك إلى كسر اللوح المرن أو إحداث خدوش.

توفر اللوحات المرنة للمصممين خيارات لا توفرها اللوحات الصلبة. حتى عندما تكون اللوحات المرنة مناسبة للمهمة، فإن هذا لا يعني أن الآثار النحاسية لن تفشل أبدًا. للنحاس أيضًا حدود للضغط الذي يمكن أن يتحمله.

تحتاج إلى مراقبة العديد من الأشياء، خاصةً عندما يشهد المنتج ثنيًا ديناميكيًا (الانحناء أثناء الاستخدام) أو عندما يجب أن يُطوى في مساحات صغيرة داخل الغلاف. الدقة مهمة لتجنب التشقق.

اعتبارات التصميم لتحسين

الثني والانحناء

فيما يلي أفكار تصميم واضحة لزيادة العمر الافتراضي والموثوقية.

معرفة نقاط الضغط ونصف قطر الانحناء

اعرف حدود الثني والطي والالتواء. بالنسبة للثني من جانب واحد، إذا تجاوز التمدد أو الضغط نصف قطر الانحناء أو نقطة الإجهاد، فسوف يتشقق النحاس. اعمل دائماً داخل هذه الحدود.

المحور المحايد

بالنسبة للاستخدام المرن الديناميكي، فإن التصميمات المرنة أحادية الجانب هي الأفضل. يمنح الجانب الواحد النحاس مساحة للنحاس للجلوس بالقرب من مركز الهيكل. في هذا التصميم، لا يتم ضغط النحاس أو تمدده بقوة أثناء الانحناء الديناميكي.

أرق أفضل

الأكوام الرقيقة تنحني بسهولة أكبر. لديها نصف قطر انحناء داخلي أصغر وضغط أقل على الطبقة الخارجية. بالنسبة للأجزاء التي تنحني كثيرًا، استخدم طبقات نحاس أرق وطبقات عازلة أرق.

تخطيط العارضة I-beam

I-beam يعني تداخل طبقات النحاس أو الطبقات العازلة مباشرة على كلا الجانبين. وهذا يجعل منطقة الطيّ أقوى. ولأن الطبقة الداخلية تنضغط، تشهد الطبقة الخارجية مزيداً من التمدد. لتقليل ذلك، قم بإزاحة الآثار على الجانبين المتقابلين.

الانحناءات أو الطيات الحادة

العديد من الألواح المرنة مصممة للطي. يمكن للوح جيد الصنع أن يتحمل الطية أو الالتواء الأول. لكن الطي المتكرر لمنطقة مجعدة ليس جيداً. سوف ينكسر النحاس بمرور الوقت. لا يوصى بذلك. استخدم حيل التصميم مثل آثار الزوايا المستديرة في منطقة الطي.

نصائح أخرى لتجنب التشقق:

• استخدم مسارات التتبع الملحومة أو المعلبة.

• استخدم النحاس RA النحاس أو النحاس ED النحاس مع التحكم في اتجاه الحبيبات.

• استخدم غشاء من البوليميد المغطي في منطقة الانحناء.

• استخدم أضلاع التقوية في الأسفل وطبقة تغطية في الأعلى.

ملاحظات عملية وتصميم عملية أخرى

• عند تحميل القطع، أبقِ الآثار بعيدة عن الثقوب والحواف الحادة. هذا يقلل من مخاطر الكسر.

• استخدم أشكال الوسادة المستديرة وأضف شرائح على الآثار القريبة من الانحناءات.

• أبعد الشقوق عن مناطق الانحناءات عالية الإجهاد. إذا كان لا بد من وضع الشقوق، استخدم التعزيز.

• استخدم الزوايا المشعّة على الآثار والوسادات. الزوايا القائمة تركز الضغط ويمكن أن تسبب تشققات.

• عندما تقوم بتوجيه الآثار عبر طية، حاول توجيهها بشكل عمودي على محور الطية عندما يكون ذلك ممكناً. فهذا يقلل من إجهاد الشد.

• بالنسبة للحركة المتكررة، حاول استخدام انتقال من المرونة إلى اللوح الذي يحافظ على الانحناء في منطقة حرة بدون أجزاء أو شقوق.

مناولة التجميع والملاحظات البيئية

• قم بتخزين البوليميد والمواد الأخرى في أكياس جافة محكمة الغلق. يمكن أن تضر الرطوبة بالمواد اللاصقة وتتسبب في تشققها.

• حافظ على نظافة مناطق العمل. يضر الغبار والزيوت بالترابط.

• لإعادة اللحام بإعادة التدفق، اتبع حدود درجة الحرارة الزمنية للمادة. يتعامل البولي إيميد مع الحرارة العالية، لكن البوليستر لا يتعامل مع الحرارة العالية.

• عند استخدام المواد اللاصقة، اتبع منحنيات المعالجة وخطوات التبريد. قد يتسبب التبريد بسرعة كبيرة في حدوث إجهاد واعوجاج.

• استخدم الحماية ضد التفريغ الكهرومغناطيسي عند التعامل مع الدوائر المرنة. تحتوي بعض الدوائر على دوائر ICs حساسة.

التطبيقات الشائعة لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرنة

الدوائر المرنة شائعة في العديد من المنتجات:

• الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية

• الكاميرات

• الأجهزة القابلة للارتداء

• الأجهزة الطبية وأجهزة الاستشعار

• مستشعرات السيارات وأجزاء لوحة العدادات

• إلكترونيات الفضاء والإلكترونيات العسكرية

• إضاءة وشاشات العرض LED

• الموصلات وتجميعات الكابلات

وتتمثل مزاياها الرئيسية في صغر حجمها وخفة وزنها والقدرة على ملاءمتها للأشكال الغريبة.

مزايا وحدود الدوائر المرنة

المزايا:

• توفير المساحة وتقليل الوزن.

• السماح بتحريك أو طي الأجزاء.

• احتياجات أقل من الموصلات لأنه يمكن توصيل المرونة بين اللوحات.

• أداء حراري جيد عند تصميمه بشكل صحيح.

• تحسين الموثوقية في العديد من الاستخدامات الديناميكية.

الحدود:

• التكلفة أعلى من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الصلبة البسيطة.

• يتطلب التعامل معها المزيد من العناية.

• لا يمكن لبعض المواد تحمل حرارة اللحام العالية.

• مخاطر الانحناء الديناميكي قصير العمر إذا كان التصميم خاطئاً.

الاختبارات وفحوصات الجودة

لضمان الموثوقية:

• استخدم اختبار الانحناء للتحقق من عمر الانحناء الديناميكي.

• استخدم التدوير الحراري لاختبار مقاومة التغير في درجة الحرارة.

• افحص بالأشعة السينية أو المجهر للكشف عن الشقوق المخفية.

• استخدم اختبارات السحب على المقويات والموصلات الملصقة للتحقق من قوة التثبيت.

• افحص المعاوقة والاستمرارية لخطوط الإشارة.

ملاحظات ختامية ونصائح سريعة

• اختر البولي إيميد للحصول على حرارة أعلى وموثوقية أعلى. اختر البوليستر عندما تكون التكلفة أقل والحرارة أقل.

• بالنسبة للمرونة الديناميكية، استخدم المداخن الرقيقة أحادية الجانب والنحاس RA.

• أضف مقويات عند مناطق التوصيل للمساعدة في التجميع.

• حافظ على أنصاف أقطار الانحناء كبيرة عندما تستطيع. أنصاف الأقطار الأكبر تعطي عمراً أطول.

• إذا لاحظت انبعاجات أو تشققات في وقت مبكر، قم بمراجعة موقع الانحناء والمكدس. غيّر نوع النحاس أو سمكه أو أضف طبقة تغطية.

• تأكد من تطابق خطوات التجميع مع حدود المواد. على سبيل المثال، لا تستخدم عمليات لحام ذات درجة حرارة عالية على المواد المرنة المصنوعة من البوليستر.