استخدام البقايا المرنة في التطبيقات العالية السرعة من أجل الاستخدام الأمثل للفضاء

ما هي مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرنة؟

فلوحات الدوائر المطبوعة المرنة (مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور) هي وصلات إلكترونية مصممة من أفلام ديليكترية قابلة للتكرار، وأكثرها شيوعاً متعددة المبيدات أو أكثر من البوليستر، خلافاً لنظرائها الجامدين، التي تعتمد على نواة من الألياف البلاستيكية، فإن المضاربة الفرعية المرنة تسمح للمجلس بأن ينحني ويلوي ويطوي في شكل مركب مركب ثلاثي.

ويتألف البناء الأساسي لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرن من طبقة نحاسية مُتَّصلة (عادة 1 أو 0.5 أووز) مُسندة إلى الهبات المرن باستخدام عملية قذف ذات درجة عالية من الحرارة أو عملية قذف لا تُستفحل، وكثيراً ما يكون هناك غلاف واقٍ واقٍ من مادة متعددة المبيدات، يُستخدم قناع القناع المُباع على اللوحات الصلبة، ويُقدِّمُ تطبيقات الكهربائية لحماية الميكانيكية.

ويمكن أن تكون مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرنة ذات جانب واحد أو مزدوجة الجانب أو متعددة المراحل، وفي تصميمات عالية السرعة، كثيرا ما تتضمن دوائر متعددة الطوابق أجزاء صلبة (مركبة) تكون فيها المكونات مجهزة، بينما تكون المناطق المرنة بمثابة وصلات بين المناطق الصلبة، ويجمع هذا النهج الهجين بين الاستقرار الهيكلي اللازم للوصلات والمكونات الثقيلة والمزايا الميسرة للفضاء.

المزايا في التطبيقات العالية السرعة

التعظيم الفضائي

وتتمثل الفائدة الأكثر إلحاحاً من استخدام مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرنة في تصميمات عالية السرعة في الانخفاض الكبير في الحجم المادي، ويمكن لدائرة مرنة واحدة أن تحل محل مجموعة كاملة من الأسلاك والموصلات المتفرقة، وأن تزيل الجزء الأكبر من الكابلات المتعددة وما يرتبط بها من إغاثة سلالة، وفي تطبيقات مثل وحدات الرادار المدمجة أو الهوائيات المتخلفة بالأشعة، فإن القدرة على ربط مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور بمركبات الأخرى بطريقة فعالة.

كما أن المدخرات الفضائية تأتي من إزالة الموصلات الرئيسية وأسلاكها المناظرة من اللوحة إلى اللوحة، ويمكن أن يُرسل تصميم صارم إشارات مباشرة من منطقة صلبة إلى أخرى من خلال طبقة رقيقة من الرف، ولا يوفر الحجم فحسب، بل أيضا مخاطر تكاليف وموثوقية الوصلات البينية المتعددة، وفي حمولات السواتل، حيث يُخصص كل مقياس من قياسات قياس المكعب، تترجم هذه الميزات مباشرة إلى زيادة في الأداء أو إلى الكتلة المخفضة.

تعزيز نزاهة الإشارة

وتتأثر الإشارات الرقمية ذات السرعة العالية والترددات العالية بحساسية شديدة لتوقف الارتداد، والتتبع، وقطع مسارات العودة، وتوفر مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرنة، في جوهرها، مسارات إشارة أقصر بين الأجهزة، لأنها يمكن توجيهها مباشرة دون المنافذ التي تتطلبها اللوحات الصلبة التي تقيدها عملية الربط، وتخفض الآثار الأقصر من التأخير في نشرها وتقلل من فرصة الانقلابات الخارجية.

كما أن المثبطات المرنة تحت تأثير الديكليات الديكلية المنخفضة وعوامل التفكك (Df) مقارنة بالمعيار FR-4، فعلى سبيل المثال، يوجد لدى البوليميد كيلوغرام يبلغ حوالي 3.5 كيلوغراماً من نوع GHz، بينما تتراوح FR-4 بين 4.2 و4.8.() وتسمح قيم الدانمر المنخفضة باختراقات أوسع نطاقاً لقطعة واحدة من الوحوش، مما يقلل في الوزن المقاوم.

كما أن التدخل المغناطيسي الكهربي ينخفض أيضاً لأن دوائر الإرساليات ذات الرف الدقيق يمكن أن تدمج طائرات أرضية مستمرة تتبع نطاق النحل، خلافاً لمجموعات الأسلاك، حيث توجد في كل أسلاكها مناطق غير خاضعة للمراقبة، فإن دائرة الذكاء ذات طبقة أرضية متكاملة توفر مساراً للعودة الخاضعة للرقابة يوقف الانبعاثات المشعّة، كما أن إضافة طبقة رقيقة من الدرع النحاس على السكّي الخارجي يمكن أن تزيد من إضافة حقول الخارجية الكبيرة دون وجود حقول الخارجية.

تخفيض الوزن

وفي مجال الفضاء الجوي، والدفاع، والأجهزة الطبية المحمولة، كل مادة من المواد الكيميائية - تزيل مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرنة وزن المساكن الموصلية، والعزلة السلكية، والروابط الكابلية، وتضفي هذه الهبات البوليميدية نفسها أخف بكثير من FR-4؛ ويمكن أن يكون تصميم البوليمركات الجامدة الجامدة من 40 إلى 60 في المائة أخف من وظيفة مماثلة تنفذ بها لوحات صلبة مستقلة وترفعها.

التصميم

وقد تهيئ القدرة على تشكيل لوحة الدوائر لتهيئة الظروف الميكانيكية المتاحة إمكانيات تصميم جديدة، فعلى سبيل المثال، قد يتطلب نموذج الكاميرا عالي السرعة وضع جهاز الاستشعار الضوئي على طائرة واحدة بينما تكون الأجهزة الإلكترونية للتجهيز على متن طائرة أوثوغونية، ويمكن أن يستوعب هذا التصميم الجامد المزود بجهاز ثنائي الفينيل متعدد الكلور مع وجود درجة 90 في منطقة الدقيق، مع الحفاظ على سلامة الإشارات في مرحلة الانتقال الإلكتروني.

وهذه المرونة تبسط أيضاً التجمعات - يمكن أن تحل الجمعية الواحدة ذات القاعدة الصلبة محل تجمعات فرعية متعددة، مما يقلل من عدد أوجه الترابط ونقاط الفشل المرتبطة بها، ويمكن أن تكون التجمعات الآلية قادرة على معالجة الأجزاء الصلبة بمعدات موحدة للاختيار والأماكن، بينما يتم ببساطة تدوير أو طلاء الأجزاء المرنة بعد بيع المكونات.

اعتبارات التصميم الخاصة بمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات السرعة العالية

اختيار المواد

واختيار المواد الفرعية أمر حاسم بالنسبة للأداء العالي التردد، ففي حين أن البوليميد الموحد (مثل دوبونت كابتون) يستخدم على نطاق واسع بسبب استقراره الحراري (العمل يتراوح بين 65 درجة مئوية و300 درجة مئوية) وخصائص ميكانيكية جيدة، فإن معامله البوليمرك الكريستالي (نحو 0.002 إلى 0.005 في 10 درجة مئوية) قد يكون مرتفعا جدا بالنسبة لمقاومة الألف متر.

كما أن نوع النحاس النحاس المحتوي على النيتروز له سطح أضعف يمكن أن يتسبب في زيادة خسائر الموصلات عند ترددات عالية بسبب تأثير الجلد، ويعاني النحاس المتدفق من توتر سطحي أكثر سلاسة ومن ارتفاع في المسافة، مما يجعله الخيار أمام تطبيقات النكهة الدينامية وتصميمات عالية التردد.

Impedance Control and Layer Stackup

ومن الضروري الحفاظ على سمات في حدود 5 في المائة من أجل وصلات متسلسلة عالية السرعة مثل PCIe Gen 4/5, USB 3.x, or HDMI. The impedance of a microstrip or stripline on a flex substrate is depends on the dielectric constant, the altitude of the dielectric above the ground, the trace width, and the coppercyness.

أما بالنسبة للتدخلات الخاضعة للرقابة، فيجب أن تشمل الدائرة المرجعية طائرة مرجعية مباشرة تحت أثر الإشارة، وفي حالة وجود مغازلة واحدة يمكن طباعة طائرة أرضية على الجانب المقابل من الشريحة الفرعية، وفي حالة وجود طفرة متعددة، فإن الطبقات الأرضية الداخلية توفر الإشارة، ويجب أن توضع بعناية في مكان يسمح بتفادي حدوث انقطاع مستمر في التأمل، وعندما يُجرى تحول ثابت من قطاع متشدد إلى إحداث تغيير تدريجي.

Layer Configuration and Bend Radius

ويمكن لدوائر الإصطدام المتعددة (ب4 أو 6 أو أكثر) أن تدير مسارات معقدة، ولكن كل طبقة إضافية تقلل من المرونة، فالحد الأدنى من رقعة النحل الثابتة بالنسبة لجهاز واحد x سماكة كاملة، وتصل إلى 6 مقياس للثديين، وتصل إلى 20 أو أكثر، ويجب على المصممين حساب نطاق القاع الذي يتكون من القاع على أساس عدد الطبقات والسمكة الأرضية.

وعند توجيه الإشارات العالية السرعة عبر نبرة، ينبغي أن تكون الآثار ذات توجه عال إلى محور النحل بدلاً من أن تكون متوازية، وإذا كان يجب أن يعبر الأثر الركيزة، ينبغي أن يكون أوسع نطاق ممكن )مع وجود قيود على الإجهاد( لخفض تركيز الإجهاد، وأن تُعادل طبقات التعقب المتحركة، حيث تُقابل آثار على الطبقات المتاخمة، وتوزع السلالات الميكانيكية.

الموصلات والإنهاءات

واختيار الموصلات نقطة ضعف مشتركة في تصميمات الدائرة العالية السرعة، وقد تؤدي أنماط الاتصال ذات النطاق المنخفض من اللوحة إلى المرنة التي لها اتصالات مع جهات الوصل المتحكم فيها (مثل سلسلة هيروس دي.دي.40 أو سلسلة سامتيك FCI) إلى الحد الأدنى من نوعية الإشارات عند الوصل بين الموقعين.

ويجب الحرص عند إنهاء الدائرة المرفوعة لأن الانتقال من المرتبة الفرعية المرنة إلى موصل صلب ينطوي على تغيير مفاجئ في الديليكتري، حيث يمكن إنهاء الدائرة دون أن تُسحب من الخلف عن طريق التصميم أو عن طريق تطابق مع المسافات البرية، مما يؤدي إلى الحد من التأملات، وفي بعض الحالات، يمكن إنهاء الدائرة المزدحمة نفسها بجهاز اتصال متطور يوفر مساراً متواصلاً.

الإدارة الحرارية

وتولد الدوائر ذات السرعة العالية الحرارة، وتخفض عموماً من سرعة التصريف الحراري (نحو 0.12 إلى 0.15 W/m) بالنسبة لبوليميد (0.25 إلى 0.3 W/m) في حين تتيح المحركات المكثفة للتصميمات الحرارية التي تولد من خلال طبقات الربط بالطائرات الأرضية المعدنية النحيلة.

تطبيقات في مجال التكنولوجيا الفضائية والسريعة

النظم الفضائية الساتلية والهوائية

وتحتاج حمولات السواتل إلى ترابطات مدمجة وخفيفة للوزن قادرة على البقاء على قيد الحياة على الإطلاق والتقلبات الحرارية القصوى، وتستخدم مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرنة في لوحات قابلة للانتشار مثل آليات دفع المصفوفة الشمسية ومفكرات الهوائيات التي يجب أن تطوي عليها الدائرة أثناء فترة الاستنشاق ثم تعمل بعد نشرها، على سبيل المثال، تستخدم وحدة تكنولوجيا النطاقات الصغيرة [1]

أجهزة الاتصال ذات التردد العالي

وفي صفائف محطات قاعدية من طراز 5G ووحدات معالجة الموجات الدقيقة، تتيح مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور دمج وحدات متعددة لنقل/استلام، وقد يتطلب هذا النظام على نطاق 64 نقطة من وصلات الترددات؛ ويقلل استخدام تصميم متعدد المقاييس من البلاطيل الصلبة من عدد مجمعات كابل فردية وتجمعات ذات قدرة بسيطة.

معدات التصوير الطبي المصغرة

أجهزة الإرسال المتحركة، أجهزة التصوير المحتوية على الأشعة فوق الصوتية، تعتمد على أجهزة التفريغ المحتوية على أجهزة مضللة لجلب بيانات عالية السرعة من رأس جهاز الاستشعار إلى وحدة المعالجة، ويمكن أن يستوعب قطر صغير من جهاز مغازلة متعدد الطوابق (يقل غالبا عن 2 مم) جهازاً متعدد الطوابق مع أجهزة مدمجة ذات حجم مصغر لبثرات

الأجهزة الآلية المتقدمة

ويمكن أن تكون أجهزة الحفر ذات المواصفات المفصَّلة، خاصة في الأجهزة الآلية التعاونية (الكبوتات) أو الروبوتات الجراحية - إشارة وقود كهربائي عبر محورات متحركة - يمكن أن تكون أجهزة مرنة من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكبلات، تحمل بيانات عن أجهزة التكتل ذات السرعة العالية، إشارات التحكم في السيارات، وقوة في شريط واحد مسطح، مما يتيح سرعة التنبؤ في الوصلات التقليدية.

اعتبارات التصنيع والاعتماد

ويتطلب إنتاج مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات السرعة العالية تسامحاً أكثر تشدداً في النسيج من اللوحات الجامدة التقليدية، ويستخدم التصوير المباشر للزراعة في العادة لتحقيق تسوية دقيقة (تراوح بين 75 ميكروغرام/ساحة)، ويفضل البلاستيك إلى الخرق من البوليميد عن طريق التكوين على الحفر الميكانيكي لتجنب الحرق الذي يمكن أن يخلق تفاوتات في الهيمنة المتعددة.

ويتجاوز اختبار الأداء السريع إجراءات التحقق من الاستمرارية، وتستخدم قياسات العضلات التي تستخدم في الوقت المناسب للتحقق من ملامح الارتحال على طول آثار حرجة، ويكفل اختبار رسم الخرائط بمقياس التشغيل أن تكون الصلة قادرة على الوفاء بمعدل الخطأ الضيق المطلوب.

فالاعتماد على البيئة الدينامية يتطلب اهتماماً دقيقاً لمنطقة النحاس، وينبغي أن تكون آثار النحاس سلسة - وأن تكون السككية خالية من الفقاعات، وأن الاختبارات البيئية، بما في ذلك التدوير الحراري (55 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية لـ 000 1 دورة) والهزات (20-2000 هرتز عند 20 غرام) هي معيار لتجاوزات السيرة غير المستقرة عموماً.

الاتجاهات المستقبلية

وقد يؤدي الطلب على معدلات البيانات الأعلى (مثل 112 غبس من الرتبة ف-4) إلى دفع المظروف إلى مواد مرنة من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، ويمكن أن يؤدي البحث في أكوام سلوكية وقنابل النحاس فوق القاع (أي 12 ميكروغرام أو أقل) إلى زيادة الحد من الخسائر.

وثمة اتجاه آخر يتمثل في إدماج العناصر النشطة مباشرة في النموذج الفرعي المرن باستخدام تكنولوجيا الموت المتجسدة، ومن خلال دمج مادة عالية السرعة أو مضخمة داخل طبقات البرغوث، يمكن تخفيض طول الربط إلى ما يقرب من الصفر، وإزالة الطفيليات، وتحسين نطاق الترددات، ويجري استكشاف هذا النهج من أجل صفائف التصوير المميتة، والجيل التالي من أجهزة الاستشعار المشتركة بين الأجهزة.

خاتمة

ولم تعد مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرنة مجرد حل ملائم للوصلات المبسطة؛ فقد أصبحت تكنولوجيا تمكينية حاسمة للتطبيقات العالية السرعة والمدربة على الفضاء، ولا تتيح سوى توفير مدخرات فضائية عالية، ونزاهة الإشارة، والحد من الوزن، وحرية التصميم، وتتيح للمهندسين بناء نظم أصغر وأسرع وأكثر موثوقية، ويتطلب النجاح في هذه التطبيقات المتطلبة اهتماماً دقيقاً باختيار الأجهزة الراقية، ومراقبة الارتفاع في مستويات الارتقاء.

وبالنسبة للمهندسين الذين يشرعون في تصميم جديد ذي سرعة عالية، فإن إقامة شراكات مع منتج ذي خبرة في مجال الدوائر المرفوعة في وقت مبكر من العملية أمر أساسي، وتوفر موارد مثل معيار IPC-2223 لتصميم الدوائر المرنة ومذكرات تطبيق من موردي المواد (مثل شركة دوبونت بيراليوكس أو روجرز) مبادئ توجيهية مفصلة للنجاح في تحقيق المكافأة الأولى.