إلكترونيات مطبوعة للمستشعرات المرنة | VMANX

فِمانكس، وهي شركة مصنعة للإلكترونيات المطبوعة حاصلة على شهادة آيزو 9001 وأُسست عام ٢٠٠٦، تطوّر إلكترونيات مطبوعة لأجهزة الاستشعار المرنة في دونغقوان بالصين، لتطبيقات التحكم الصناعي والأجهزة الذكية والروبوتات وواجهات الإنسان-الآلة الرقيقة. وتتم هذه العملية عبر إيداع حبر الفضة والحبر الكربوني والحبر العازل مباشرةً على أفلام البولي إيثيلين تيريفثاليت أو البولي إيمايد أو البوليمرات الوظيفية، لأن الدائرة يجب أن تنثني وتتناسب مع مساحة محدودة وغالبًا ما تُحسّ بقوة أو لمسة أو موضع أو اهتزاز على السطح نفسه. وبدمج طباعة النمط والتجفيف المتحكم فيه والتصفيح والقطع بالقالب واختبار الخصائص الكهربائية، يمكن لمكوّن واحد رقيق أن يحلّ محل الأسلاك المنفصلة والمفاتيح وعناصر الاستشعار.

يمكن أن تصبح الدائرة جزءًا من السطح

تبدأ الإلكترونيات التقليدية بلوحة صلبة وتطلب من المنتج توفير مساحة لها. أما الإلكترونيات المطبوعة فتبدأ بسطح المنتج وتسأل أي وظائف كهربائية يمكن دمجها في تلك الهندسة.

يمكن أن يصبح النمط الموصل وصلة توصيل. ويمكن لحبر الكربون أن يكوّن عنصرًا مقاومًا. ويمكن للإلكترود المطبوع أن يجمع إشارة بيولوجية أو كهروضغطية. ويمكن لطبقة عازلة أن تسمح بعبور دائرتين دون حدوث قصر كهربائي. وبعد ذلك، يمكن دمج القباب المعدنية ووحدات الإضاءة الثنائية (LEDs) والموصلات في الأماكن التي تتطلب فيها الواجهة تغذيةً راجعةً ماديةً أو إضاءةً.

والنتيجة ليست مجرد لوحة دوائر أرق فحسب، بل هي بنية مختلفة تمامًا: طبقة الاستشعار والأسلاك وواجهة المستخدم يمكن أن تشترك في حامل مرن واحد بدلًا من تركيبها كأجزاء ميكانيكية منفصلة.

الميزات الرئيسية والفوائد النمذجة التراكمية تستخدم المادة فقط في المواضع التي تتطلب أداء وظيفة معينة.

في دائرة البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) المطبوعة بالفضة، يُوضع معجون موصل فقط في المواضع التي تتطلب وجود خط توصيل أو إلكترود أو نقطة اتصال. وتتبع العملية الرسمية VMX-FPC-AG قص رقائق PET ومعالجتها بالتفريغ الكوروني، ثم الطباعة بالفضة، ثم المعالجة الحرارية، ثم الطباعة العازلة أو بالكربون (اختياري)، ثم تلصيق الدعامة الصلبة عند درجة حرارة منخفضة، ثم القص واختبار الخصائص الكهربائية.

هذه الطريقة الإضافية تجنب سلسلة إزالة النحاس الكاملة المستخدمة في الدوائر المحفورة. ولمسارات الإشارات ذات التيار المنخفض والتصاميم البسيطة ذات الطبقة الواحدة أو المزدوجة، فهذا يعني تسريع عملية إعداد النماذج الأولية وتخفيض تكلفة الإنتاج بكميات متوسطة دون دفع ثمن أداءٍ لا تحتاجه التطبيق.

الأحبار الوظيفية تحوّل فيلمًا واحدًا إلى عدة مكوّنات

الإلكترونيات المطبوعة ذات قيمة لأن كل حبر يؤدي وظيفة كهربائية مختلفة:

• معجون الفضة يشكّل موصلات منخفضة المقاومة وألواح الاتصال.

• حبر كربوني يشكّل مسارات مقاومة ومناطق حساسة للقوة.

• حبر العازل يُعزل الموصلات المتقاطعة ويحمي المناطق المحددة.

• الإلكترودات المطبوعة تربط المدخلات الميكانيكية أو اللمسية أو الكهروضغطية بالدائرة.

يسمح ترتيب هذه المواد على ركيزة واحدة للمهندس بإنشاء مستشعر ضغط أو بوتنتيومتر غشائي أو واجهة لمس أو جهاز استقبال إشارات دون الحاجة إلى إضافة حزمة أسلاك منفصلة لكل وظيفة.

الركائز المرنة تناسب الأماكن التي لا يمكن للوحات الصلبة أن تصل إليها.

تتوفر مادة البولي إيثيلين التيرفثالات (PET) بسماكات ٥٠ و٧٥ و١٠٠ و١٨٨ و٢٥٠ ميكرومتر، بما في ذلك الخيارات الشفافة. أما ركائز البوليميد (PI) فهي متوفرة بسماكات تتراوح بين ١٢,٥ و١٢٥ ميكرومتر عند الحاجة إلى مقاومة أعلى للحرارة أو هندسة أدق أو تركيب عبر تقنية اللحام السطحي (SMT). وتُضاف طبقة نشطة من فيلم البوليفينيلدين فلوريد (PVDF) لتمكين الاستشعار الاهتزازي والصوتي ومستشعرات القوة الديناميكية.

يمكن لهذه الأفلام أن تلتف حول المنحنيات أو تمرّ تحت الطبقات الواقية أو تجتاز المقصورات الضيقة أو تبقى مخفية داخل المنتج النهائي. ويُصمَّم الدائرة الإلكترونية وفقًا للإطار الميكانيكي المتوفر بدلًا من فرض تصميم الغلاف ليتلاءم مع لوحة إلكترونية ثابتة.

الإلكترونيات المطبوعة تدعم أكثر من فيزياء استشعار واحدة.

تخدم نفس منصة التصنيع سلوكيات كهربائية متعددة:

• مستشعر مقاومة يعتمد على التأثير الكهروضغطي (FSR) يحوّل القوة المؤثرة إلى تغيّر في المقاومة.

• اللمس السعوي يكتشف القرب أو التفاعل بالاصبع عبر طبقة تغطية.

• قياس الجهد الغشائي يحول الموضع الخطي أو الدوراني إلى إخراج تناظري.

• غشاء بيزوكهربائي من مادة PVDF يحول القوة الديناميكية أو الاهتزاز أو الطاقة الصوتية إلى شحنة كهربائية.

• التبديل الغشائي يجمع بين الدوائر المطبوعة والقباب اللمسية والطبقات الخارجية وخيارات الإضاءة عند الحاجة.

وهذا يهم فرق الشركات المصنعة الأصلية لأن مورِّدًا واحدًا يمكنه حل عدة واجهات باستخدام مواد وقوالب ومنطق فحص مترابطة، بدلًا من إدخال سلسلة تصنيع منفصلة لكل نمط استشعار.

ثلاث منصات مادية، ثلاث نوافذ هندسية

الإلكترونيات المطبوعة ليست مجموعة موحدة واحدة من المواد. المنصة الصحيحة تعتمد على درجة الحرارة والتيار وعدد دورات الانحناء والمطلوب البصري وأسلوب التجميع.

دوائر مطبوعة فضية على بولي إيثيلين تيريفثاليت — سريعة ورفيعة وربما شفافة

يستخدم نموذج VMX-FPC-AG عجينة فضية مطبوعة بالشاشة على بولي إيثيلين تيريفثاليت. السماكة الجافة القياسية للفضة تتراوح بين ٥ و١٥ ميكرومتر، وأدنى عرض لخط/مسافة هو ١٥٠/١٥٠ ميكرومتر، مع إمكانية تحقيق ١٠٠/١٠٠ ميكرومتر باستخدام عملية متقدمة، وقدرة التيار تصل إلى ٠٫٨ أمبير في ظل ظروف التتبع المحددة. نطاق التشغيل يتراوح بين ٢٠− درجة مئوية و٨٠+ درجة مئوية، مع أكثر من ٥٠٠٠٠ دورة ثني.

مميزته الرئيسية هي المرونة البصرية: النسخة الاختيارية المصنوعة من شبكات النانو الفضية تحقق نسبة انتقال ضوئي لا تقل عن ٨٩٪ عند الطول الموجي ٥٥٠ نانومتر، مع مقاومة سطحية تتراوح بين ٥٠ و١٠٠ أوم/مربع. وهذا يجعل المنصة مناسبة لتطبيقات اللمس الشفاف، وأجهزة الاستشعار ذات استهلاك الطاقة المنخفض، وشرائط الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED)، والنماذج الأولية السريعة. أما المقابل فهو واضح تمامًا: لا يمكن لبولي إيثيلين تيريفثاليت تحمل عمليات اللحام الانصهاري، ويجب تثبيت المكونات باستخدام لاصق موصل يعمل عند درجات حرارة منخفضة.

دوائر مرنة من النحاس على بولييميد — دقة وتحمل تيار عالٍ وتوافق مع تقنية تركيب المكونات على السطح (SMT)

تستخدم لوحة الدوائر المرنة VMX-FPC-CU رقائق نحاسية منقوشة على مادة البوليمايد (PI). وهي تدعم أصغر عرض ومسافة بين الخطوط يبلغان ٧٥/٧٥ مايكرومتر، و٥٠/٥٠ مايكرومتر عند استخدام نحاس بوزن ٠٫٥ أونصة، مع مقاومة كهربائية مضبوطة تبلغ ٥٠ أوم لخط واحد أو ١٠٠ أوم لخطين مختلفين بنسبة تفاوت ±١٠٪، وأكثر من ٢٠٠٠٠٠ دورة ثني مرنة باستخدام النحاس ذي السطح المُعَالَج كيميائيًّا (RA) وفق طريقة الاختبار المحددة. ويمتد نطاق درجة الحرارة التشغيلية من −٤٠°م إلى +١٥٠°م، كما تسمح تركيبتها باستخدام لحام الانصهار.

هذه المنصة هي الخيار الأمثل عندما تحمل الدائرة تيارًا كهربائيًّا أعلى، أو تتطلب تركيب مكوّنات كثيفة، أو يجب أن تتحمّل انحناءات ديناميكية متكررة، أو تحتاج للحفاظ على مقاومة كهربائية مضبوطة. وهي ليست الحل الأقل تكلفة، لكنها توفر هامشًا كهربائيًّا وتجميعيًّا لا يمكن للطريقة القائمة على الطباعة بالفضة تحقيقه.

أقطاب كهربائية مطبوعة من مادة PVDF — الفيلم نفسه يصبح المستشعر

تستخدم منصة VV-PVDF6866 فيلم بوليفينيليدن فلورايد عالي النقاء مطبوع عليه إلكترودات معجون فضي، مع تغليف متعدد الطبقات. وتتوفر طبقة الفيلم الأساسية بسماكات ٢٨ و٤٤ و١١٠ ميكرومتر؛ أما سماكة طبقة الإلكترود فهي من ٥ إلى ١٠ ميكرومتر. وتشمل الأداء المنشور استجابة ترددية من ٠٫١ هرتز إلى ١٠٠ ميغاهيرتز، وخطأ خطي بنسبة ±١٪ من المدى الكامل، ونطاق تشغيل من -٢٠°م إلى +٨٥°م، وفولطية انهيار عازل لا تقل عن ١٨٠٠ فولت تيار مستمر للفيلم ذي السماكة ٤٤ ميكرومتر.

وهنا لا يُستخدم الإلكترود المطبوع فقط لنقل إشارة من مستشعر منفصل، بل هو يجمع الشحنة مباشرةً من الفيلم النشط نفسه. وهذا يسمح بتصنيع مستشعرات رقيقة وقابلة للانحناء للاهتزاز والصوت والقوى الديناميكية، تُستخدم في مراقبة المعدات والنقل وتطوير الأجهزة الطبية والتغذية الراجعة القابلة للارتداء.

المواصفات الفنية

القيم المذكورة هي مواصفات منصة منتجات أعلنتها شركة فيمانكس، وليست حدوداً عامة تنطبق على جميع تصاميم الإلكترونيات المطبوعة. الأداء النهائي يعتمد على الشكل الهندسي ونوع الحبر والركيزة وملف المعالجة الحرارية وأسلوب الدمج.

سلسلة التصنيع التي تحدد درجة التكرار 1. تحضير الطبقة الأساسية

يصل الفيلم كمادة ميكانيكية، وليس كمكون إلكتروني. وتُحدِّد عمليات التنظيف والقص ومعالجة السطح ما إذا كانت الحبر الوظيفي يترطب ويتماسك بشكلٍ متسقٍ أم لا. وتتطلَّب دوائر البولي إيثيلين تيرفثاليت الفضية معالجة كورونا قبل الطباعة؛ فقد يبدو السطح غير المُعالَج جيدًا عند الفحص الأولي، لكنه يفشل لاحقًا تحت التمدد أو الرطوبة.

٢. إيداع الحبر الوظيفي

تحدد طباعة الشاشة أو الطباعة الدقيقة للأنماط الهندسة الموصلة والاستشعارية. وتحكِّم عرض الخطوط وسمك الفيلم الجاف والتسجيل في مقاومة الدائرة واتساقها بين القنوات. فالحبر منخفض التكلفة الذي يُودَع بشكلٍ غير متسقٍ ليس دائرةً منخفضة التكلفة — بل هو مقاومة متغيرة تتنكر على هيئة أسلاك.

٣. التصلُّب المتحكَّم فيه وبناء الطبقات

يحدد طاقة التصلُّب ما إذا كان الفضة المطبوعة تحقِّق التوصيلية والالتصاق المقصودين أم لا. وتضيف الطبقات الاختيارية من الكربون والعازل وظائف الاستشعار أو العزل، لكن كل طبقة جديدة تُدخل تفاعلات بين التسجيل والتراكيب المتعددة للصلابة التي يجب التحقق منها كنظامٍ متكامل.

٤. التصفيح والقص واختبار التوصيل الكهربائي

تُضاف الطبقات الواقية والدعائم والأنظمة اللاصقة والموصلات قبل إجراء عملية القص النهائية بالقالب. ثم يُجرى الاختبار الكهربائي للتحقق من الاستمرارية والعزل واستجابة الحساسات ذات الصلة. وهنا يتحول النمط المطبوع إلى مكوّن خاضع للرقابة بدلًا من فيلم مزخرف.

متى تكون الإلكترونيات المطبوعة خيارًا غير مناسب

تتفوّق الإلكترونيات المطبوعة عندما يكون الشكل الهندسي أو الرقة أو المرونة أو الشفافية أو الاستشعار المدمج أكثر أهميةً من أقصى كثافة موصلية وقدرة تحمل تيار كهربائي. وهي ليست تلقائيًّا أفضل حلٍ لكل دائرة كهربائية.

إذا تطلّب المنتج كثافةً عاليةً في تركيب المكونات السطحية (SMT)، أو عمليات لحام انعكاسي متكررة عند درجات حرارة مرتفعة، أو تحكّمًا دقيقًا في الممانعة الكهربائية، أو تيارًا يفوق الحد الحراري لمنصة الفضة، فإن الدوائر المرنة النحاسية على قاعدة بولييميد (PI copper FPC) تُعدّ الخيار الأقوى. أما إذا تطلّب الأمر قياسَ الوزن الثابت عند تردد منخفض بدقة مختبرية، فقد يكون خلية التحميل (load cell) أكثر ملاءمةً من مستشعر مقاومة الضغط (FSR). وإذا كان المطلوب هو اكتشاف وجود شخصٍ في غرفةٍ ما بدلًا من قياس الضغط على سطحٍ واحدٍ فقط، فقد يكون الرادار خيارًا أنسب من بساط الاستشعار.

الميزة الهندسية لا تكمن في فرض تقنية واحدة على كل المشاريع، بل في اختيار أبسط منصة تقنية تحقّق المتطلّب الفعلي دون زيادة لا لزوم لها في التعقيد.

الأسئلة الشائعة

س: ما هي الإلكترونيات المطبوعة؟ ج: الإلكترونيات المطبوعة تُرسي مواد موصلة أو مقاومة أو عازلة أو نشطة على شكل أنماط على ركيزة مثل البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) أو البولي إيميد (PI) أو البوليفينيلدين فلوريد (PVDF). وتُكوّن هذه الطبقات المطبوعة دوائر كهربائية وإلكترودات ومناطق استشعار مباشرةً على الفيلم.

س: هل الدائرة المطبوعة بالفضة تساوي الدائرة المرنة بالنحاس؟ أ: لا. الفضة المطبوعة على مادة البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) هي عملية تكميلية منخفضة الحرارة، ومناسبة للتصاميم ذات التيار المنخفض والتسليم السريع والشفافية. أما الدوائر المرنة النحاسية (Copper FPC) فتستخدم عملية النقش الانتقائية على مادة البولي إيميد (PI)، وتدعم خطوط توصيل أدق، وتيارًا أعلى، وعملية إعادة الانصهار لتركيب المكونات السطحية (SMT)، وكذلك مقاومة كهربائية مُدارة بدقة.

س: هل يمكن أن تكون الإلكترونيات المطبوعة شفافة؟ ج: نعم. خيار VMANX الشفاف القائم على شبكة النانو الفضية (AgNW) يوفّر مقاومة سطحية تتراوح بين ٥٠ و١٠٠ أوم/مربع، ونسبة انتقال ضوئي تبلغ ٨٩٪ على الأقل عند الطول الموجي ٥٥٠ نانومتر. أما الفضة المطبوعة القياسية فهي مرئية؛ ولتحقيق الشفافية، يتطلّب الأمر استخدام تركيب AgNW المخصص.

س: هل يمكن تركيب المكونات مباشرةً على دوائر الفضة المطبوعة على مادة PET؟ ج: نعم، لكن ليس عبر عملية إعادة الانصهار القياسية العالية الحرارة. بل تُركَّب المكونات على مادة PET باستخدام لاصق موصل منخفض الحرارة. أما التطبيقات التي تتطلّب عملية إعادة الانصهار القياسية لتركيب المكونات السطحية (SMT)، فيجب أن تستخدم منصة النحاس على مادة PI.

س: ما مدى مرونة هذه الدوائر؟ أ: منصة بولي إيثيلين تيريفثاليت الفضية المنشورة تتفوق على ٥٠٠٠٠ دورة ثني تحت اختبار مِت المذكور، بينما تتفوق منصة البوليميد النحاسية مع النحاس المُعاد تدويره على ٢٠٠٠٠٠ دورة. ويعتمد العمر الفعلي على نصف قطر الانحناء وسماكة التجميع واتجاه المسارات ووسائل تخفيف الإجهاد أثناء التجميع.

س: ما أنواع الحبر المستخدمة في المستشعر المطبوع؟ ج: يشكّل حبر الفضة المسارات الموصلة، ويمكن لحبر الكربون تشكيل عناصر مقاومة أو حساسة للقوة، بينما يوفّر حبر العازل العزل والحماية. ويعتمد الترتيب الدقيق للتراكيب على مبدأ الاستشعار والهدف الكهربائي المطلوب.

س: ما الشهادات المطبقة على هذه المنصة الصناعية للإلكترونيات المطبوعة؟ ج: تُصنّع شركة فيمانكس المنصة الصناعية وفق معيار آيزو ٩٠٠١، مع الامتثال لمتطلبات روهس وريتش فيما يتعلّق بالمواد. أما الموافقات الخاصة بكل منتج فهي تعتمد على التطبيق النهائي، وتكون باسم العلامة التجارية التي تطرح المنتج النهائي في السوق.

س: هل يمكن دمج أجهزة استشعار مطبوعة ولوحات دوائر مرنة نحاسية في مشروع واحد؟ أ: نعم. يمكن لهيكلية الهجين استخدام فيلم مطبوع لطبقة استشعار أو لمس على مساحة واسعة، واستخدام لوحة دوائر مرنة من النحاس المُغلف بالبولييميد (PI) لمكونات كثيفة وتوصيل الطاقة والموصلات. ويجب تصميم الواجهة بين هذين العنصرين بحيث تقاوم التآكل وتخفف الإجهاد وتناسب درجة حرارة التجميع المختارة.

دعم هندسي من الشركة المصنعة الأصلية

تدعم شركة فيمانكس برامج الإلكترونيات المطبوعة بدءًا من اختيار المواد والعمليات ومرورًا بتصميم الدوائر وتصنيع النماذج الأولية وإطلاق الإنتاج. صناعي المجموعة تشمل الدوائر المطبوعة المرنة ,مقاومات استشعار القوة ,المقاومات المتغيرة الغشائية ,أنظمة واجهة المستخدم و أجهزة استشعار بيروكهربائية من مادة PVDF . وتتوفر بيانات هندسية مفصلة عن منصة اللوحات الدوائرية المرنة الصناعية ذات السلسلتين ,مستشعر المقاومة الحسية الرقيق الصناعي ,مستشعر فيلم بي في دي إف و مواصفات المفتاح الغشائي .

الخاتمة

الإلكترونيات المطبوعة تزيل الحدود بين الدائرة والسطح. ويمكن نسخ الموصلات والمقاومات والأقطاب الكهربائية والعوازل ووظائف الواجهة مباشرةً على أفلام مرنة، ثم تلصق وتُقصّ وتُختبر كمكون هندسي متكامل. والقيمة التجارية لا تكمن في الرقة وحدها، بل في انخفاض عدد الأجزاء المنفصلة، وانخفاض الحجم الميكانيكي، وفي بنية استشعارٍ تُصمَّم لتتناسب مع المنتج بدلًا من إجبار المنتج على التكيُّف مع لوحة صلبة.