الإلكترونيات المرنة

• إمكانية استبدال العديد من اللوحات الصلبة أو الموصلات
• تُعد الدوائر أحادية الجانب مثالية للتطبيقات الديناميكية أو عالية المرونة
• لوحات الدوائر المطبوعة المرنة المكدسة بتكوينات مختلفة

• زيادة في التكلفة مقارنة بلوحات الدوائر المطبوعة الصلبة
• زيادة خطر التلف أثناء المناولة أو الاستخدام
• عملية تجميع أكثر صعوبة
• قد يكون الإصلاح وإعادة العمل صعباً أو مستحيلاً
• يؤدي الاستخدام السيئ للألواح بشكل عام إلى زيادة التكلفة

يُعد استخدام الدوائر المرنة في أجهزة الإدخال مثل لوحات مفاتيح الكمبيوتر أحد التطبيقات الشائعة؛ حيث تستخدم معظم لوحات المفاتيح الدوائر المرنة لمصفوفة التبديل .

البطاريات المرنة هي بطاريات، سواء كانت أولية أو ثانوية، مصممة لتكون مرنة وقابلة للتشكيل، على عكس البطاريات الصلبة التقليدية.

في مجال السيارات، تُستخدم الدوائر المرنة في لوحات العدادات، وأدوات التحكم الموجودة أسفل غطاء المحرك، والدوائر التي يتم إخفاؤها داخل بطانة سقف المقصورة، وكذلك في أنظمة ABS .

في ملحقات الكمبيوتر، تُستخدم الدوائر المرنة على رأس الطباعة المتحرك للطابعات ولتوصيل الإشارات بالذراع المتحرك الذي يحمل رؤوس القراءة/الكتابة لمحركات الأقراص.

طُوّرت خلايا شمسية مرنة ذات أغشية رقيقة لتزويد الأقمار الصناعية بالطاقة . تتميز هذه الخلايا بخفة وزنها، وإمكانية لفّها لإطلاقها، وسهولة نشرها، مما يجعلها مناسبة تمامًا لهذا التطبيق. كما يمكن دمجها في حقائب الظهر أو الملابس الخارجية، ^{[ 2 ]} بالإضافة إلى العديد من التطبيقات الاستهلاكية الأخرى.

ساهمت الأسواق المتنامية المرتبطة بالإلكترونيات المرنة و/أو المحمولة، مثل أنظمة إنترنت الأشياء ذاتية التشغيل ، في تطوير الخلايا الكهروضوئية الرقيقة القابلة للانحناء ، بهدف تعزيز استقلالية الطاقة لهذه الأجهزة غير المتصلة بالشبكة. ^{[ 3 ]} وقد ثبت أن هذا النوع من تقنيات الخلايا الكهروضوئية قادر بالفعل على تحقيق كفاءة عالية في تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء، بمستوى الخلايا الشمسية الصلبة القائمة على الرقائق، لا سيما عند دمجه مع هياكل فعالة لحصر الضوء. تسمح هذه المخططات الضوئية بامتصاص واسع النطاق في مواد امتصاص الخلايا الكهروضوئية الرقيقة، على الرغم من انخفاض سمكها المطلوب لمرونتها الميكانيكية. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

في ديسمبر 2021، أعلن مهندسون من جامعة كيو في طوكيو وجامعة ستانفورد عن ابتكار دوائر أشباه موصلات مرنة تشبه الجلد. وفي المستقبل، قد تُستخدم هذه الإلكترونيات القابلة للارتداء لإرسال البيانات الصحية إلى الأطباء لاسلكيًا. ^{[ 6 ]}

تُستخدم الإلكترونيات المطبوعة حاليًا أو قيد الدراسة، بما في ذلك أجهزة الاستشعار اللاسلكية في التغليف، واللصقات الجلدية المتصلة بالإنترنت، والمباني التي تكشف التسريبات لتمكين الصيانة الوقائية . لا تزال معظم هذه التطبيقات في مراحل النماذج الأولية والتطوير. ^{[ 7 ]} ويتزايد الاهتمام بشكل خاص بالأنظمة الإلكترونية الذكية المرنة، بما في ذلك أجهزة الخلايا الكهروضوئية وأجهزة الاستشعار والمعالجة، مدفوعًا بالرغبة في توسيع نطاق أحدث التطورات في التقنيات (البصرية) الإلكترونية ودمجها في مجموعة واسعة من المنتجات الاستهلاكية منخفضة التكلفة (حتى تلك التي تُستخدم لمرة واحدة) في الحياة اليومية، وكأدوات لربط العالمين الرقمي والمادي. ^{[ 8 ]}

عرضت شركة ThinFilm النرويجية ذاكرة عضوية مطبوعة بتقنية اللفائف في عام 2009. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

شركة أخرى، هي شركة روتيمبريس الإسبانية، نجحت في طرح تطبيقات في أسواق مختلفة، مثل سخانات الأثاث الذكي أو لمنع تكثف البخار، ومفاتيح سعوية للوحات مفاتيح الأجهزة المنزلية والآلات الصناعية. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

تتكون الدوائر المرنة أحادية الجانب من طبقة موصلة مصنوعة إما من معدن أو بوليمر موصل (مملوء بالمعدن) على غشاء عازل مرن . ولا يمكن الوصول إلى نقاط توصيل المكونات إلا من جانب واحد. ويمكن تشكيل ثقوب في الغشاء الأساسي للسماح بمرور أطراف المكونات للتوصيل، وعادةً ما يتم ذلك عن طريق اللحام . ويمكن تصنيع الدوائر المرنة أحادية الجانب مع أو بدون طبقات واقية، إلا أن استخدام طبقة واقية على الدوائر هو الأكثر شيوعًا. وقد مكّن تطوير الأجهزة المثبتة على السطح على أغشية موصلة مرسبة بالرش من إنتاج أغشية LED شفافة، والتي تُستخدم في زجاج LED وكذلك في مركبات إضاءة السيارات المرنة.

تُعرف الدوائر المرنة ذات الوصول المزدوج، أو الدوائر المرنة ذات الغلاف الخلفي المكشوف، بأنها دوائر مرنة ذات طبقة موصل واحدة، ولكنها تسمح بالوصول إلى أجزاء محددة من نمط الموصل من كلا الجانبين. ورغم مزايا هذا النوع من الدوائر، إلا أن متطلبات المعالجة المتخصصة للوصول إلى هذه الأجزاء تحدّ من استخدامها.

تتضمن عملية تصنيع الدوائر المرنة المنحوتة طريقة حفر متعددة الخطوات خاصة بالدوائر المرنة، ينتج عنها دائرة مرنة ذات موصلات نحاسية نهائية ، حيث يختلف سمك الموصل في أماكن مختلفة على طولها (أي أن الموصلات رقيقة في المناطق المرنة وسميكة عند نقاط التوصيل).

تتكون الدوائر المرنة ثنائية الجوانب من طبقتين موصلتين. يمكن تصنيعها بفتحات مطلية أو بدونها ، مع أن النوع ذو الفتحات المطلية هو الأكثر شيوعًا. عند تصنيعها بدون فتحات مطلية، يتم الوصول إلى نقاط التوصيل من جانب واحد فقط، وتُصنف الدائرة على أنها "النوع الخامس (5)" وفقًا للمواصفات العسكرية. بفضل الفتحة المطلية، تتوفر نقاط التوصيل على جانبي الدائرة، مما يسمح بوضع المكونات على أي من الجانبين. اعتمادًا على متطلبات التصميم، يمكن تصنيع الدوائر المرنة ثنائية الجوانب بطبقات حماية على جانب واحد أو كلا الجانبين أو بدون أي منهما، ولكنها تُصنع عادةً بطبقة حماية على كلا الجانبين. إحدى المزايا الرئيسية هي سهولة توصيلات التقاطع. تُبنى العديد من الدوائر أحادية الجانب على ركيزة ثنائية الجوانب نظرًا لتوصيلات التقاطع. مثال على ذلك الدائرة التي تربط لوحة الماوس باللوحة الأم. تقع جميع التوصيلات في هذه الدائرة على جانب واحد فقط من الركيزة، باستثناء توصيل تقاطع صغير يستخدم الجانب الآخر.

تُعرف الدوائر المرنة التي تحتوي على ثلاث طبقات أو أكثر من الموصلات باسم الدوائر المرنة متعددة الطبقات. عادةً ما تُربط الطبقات ببعضها البعض بواسطة ثقوب مطلية، مع أن هذا ليس شرطًا أساسيًا، إذ يُمكن توفير فتحات للوصول إلى مكونات الدائرة السفلية. قد تكون الطبقات متصلة أو غير متصلة في جميع أنحاء البنية، باستثناء المناطق التي تشغلها الثقوب. يُعدّ التوصيل غير المتصل شائعًا في الحالات التي تتطلب أقصى قدر من المرونة، ويتحقق ذلك بترك المناطق التي يحدث فيها الانحناء أو الثني غير ملحومة.

الدوائر الصلبة المرنة هي نوع هجين يجمع بين ركائز صلبة ومرنة مغلفة في بنية واحدة. وهي تختلف عن الدوائر المرنة المقواة، التي تُعرف بالدوائر المرنة المُدعمة بدعامة لتحمل وزن المكونات. قد تحتوي الدائرة المرنة المقواة أو المُدعمة على طبقة موصلة واحدة أو أكثر. ويشير هذان المصطلحان إلى منتجات مختلفة تمامًا.

تتصل الطبقات عادةً عبر ثقوب مطلية. غالبًا ما يختار مصممو المنتجات العسكرية الدوائر المرنة الصلبة، وتزداد شعبيتها في المنتجات التجارية. اعتمدت شركة كومباك هذا النهج في لوحات أجهزة الكمبيوتر المحمولة في التسعينيات. ورغم أن لوحة الدوائر المطبوعة المرنة الصلبة الرئيسية لم تكن تنثني أثناء الاستخدام، إلا أن تصاميم كومباك اللاحقة استخدمت دوائر مرنة صلبة لكابل الشاشة المفصلي، واجتازت عشرات الآلاف من الانثناءات أثناء الاختبار. وبحلول عام ٢٠١٣، أصبح استخدام الدوائر المرنة الصلبة شائعًا في أجهزة الكمبيوتر المحمولة الاستهلاكية.

تتكون الألواح المرنة الصلبة عادةً من هياكل متعددة الطبقات؛ ومع ذلك، يتم استخدام هياكل مكونة من طبقتين معدنيتين في بعض الأحيان. ^{[ 17 ]}

تُطبع عناصر الدوائر الإلكترونية المرنة بتقنية الأغشية البوليمرية السميكة (PTF) على غشاء بوليمري. وهي عادةً ما تتكون من طبقة موصلة واحدة، ولكن يمكن طباعة طبقتين معدنيتين أو أكثر بالتتابع، يفصل بينهما طبقات عازلة مطبوعة. ورغم انخفاض موصليتها الكهربائية، وبالتالي اقتصار استخدامها على تطبيقات معينة، فقد وجدت دوائر PTF مكانًا لها في تطبيقات الطاقة المنخفضة عند الفولتية الأعلى قليلاً. وتُعد لوحات المفاتيح من التطبيقات الشائعة في هذا المجال.

المادة الأساسية هي غشاء البوليمر المرن الذي يشكل قاعدة الرقائق. في الظروف العادية، توفر المادة الأساسية للدائرة المرنة معظم الخصائص الفيزيائية والكهربائية الرئيسية للدائرة. أما في حالة تركيبات الدوائر غير اللاصقة، فتُوفر المادة الأساسية جميع الخصائص المميزة.

على الرغم من إمكانية توفير نطاق واسع من السماكات، إلا أن معظم الأغشية المرنة تُصنع ضمن نطاق ضيق من السماكات الرقيقة نسبيًا، يتراوح بين 12  و125  ميكرومتر (نصف ميل إلى 5 ميل)، مع إمكانية تصنيع مواد أرق وأسمك. وبطبيعة الحال، تكون المواد الرقيقة أكثر مرونة، وبالنسبة لمعظم المواد، تتناسب زيادة الصلابة طرديًا مع مكعب السماكة. فعلى سبيل المثال، إذا تضاعفت السماكة، تصبح المادة أكثر صلابة بثماني مرات، ولن تنحني إلا بمقدار ثُمن الانحناء تحت نفس الحمل.

تُستخدم مواد مختلفة كأغشية أساسية، منها: البوليستر (PET، بولي إيثيلين تيريفثالات)، والبولي إيميد (PI)، وبولي إيثيلين نافثالات (PEN)، والبولي إيثر إيميد (PEI)، بالإضافة إلى أنواع مختلفة من الفلوروبوليمرات (FEP) والبوليمرات المشتركة. وتُعدّ أغشية البولي إيميد الأكثر شيوعًا نظرًا لمزيجها من الخصائص الكهربائية والميكانيكية والكيميائية والحرارية المميزة. كما يُستخدم البوليستر (PET) بكثرة لانخفاض تكلفته. إلا أن البوليستر أقل قوة (يحتاج إلى أغشية أكثر سمكًا) وأقل مقاومة للحرارة. في المقابل، فهو أقل حساسية للرطوبة ويمكن تصنيعه شفافًا تمامًا. ^{[ 18 ]}

تُستخدم المواد اللاصقة كوسيلة ربط لتكوين الرقائق. وفيما يتعلق بمقاومة الحرارة، تُعدّ المادة اللاصقة عادةً العنصر المحدد لأداء الرقائق، خاصةً عندما يكون البولي إيميد هو المادة الأساسية. ونظرًا للصعوبات السابقة المرتبطة بمواد البولي إيميد اللاصقة، تستخدم العديد من الدوائر المرنة المصنوعة من البولي إيميد حاليًا أنظمة لاصقة من عائلات بوليمرية مختلفة. ومع ذلك، تُحرز بعض المواد اللاصقة الحرارية الحديثة المصنوعة من البولي إيميد تقدمًا ملحوظًا.

كما هو الحال مع الأغشية الأساسية، تأتي المواد اللاصقة بسماكات مختلفة. ويعتمد اختيار السماكة عادةً على التطبيق. على سبيل المثال، تُستخدم سماكات مختلفة من المادة اللاصقة بشكل شائع في صناعة طبقات التغطية لتلبية متطلبات التعبئة لسماكات رقائق النحاس المختلفة التي قد تُصادف.

تُستخدم الرقائق المعدنية عادةً كعنصر موصل في الرقائق المرنة. وهي المادة التي تُحفر منها مسارات الدائرة الكهربائية. تتوفر مجموعة واسعة من الرقائق المعدنية بسماكات مختلفة، مما يتيح اختيار النوع المناسب لإنشاء دائرة مرنة، إلا أن رقائق النحاس تُستخدم في الغالبية العظمى من تطبيقات الدوائر المرنة. يُعدّ النحاس خيارًا ممتازًا نظرًا لتوازنه المثالي بين التكلفة والأداء الفيزيائي والكهربائي. في الواقع، توجد أنواع عديدة من رقائق النحاس. يُحدد معيار IPC ثمانية أنواع مختلفة من رقائق النحاس للدوائر المطبوعة، مقسمة إلى فئتين رئيسيتين: المُرَسَّبة كهربائيًا والمطروقة، ولكل منهما أربعة أنواع فرعية. ونتيجةً لذلك، يتوفر عدد من أنواع رقائق النحاس المختلفة لتطبيقات الدوائر المرنة، لتلبية الأغراض المتنوعة للمنتجات النهائية المختلفة. في معظم رقائق النحاس، تُطبَّق معالجة سطحية رقيقة على أحد جانبي الرقاقة لتحسين التصاقها بالطبقة الأساسية. رقائق النحاس نوعان أساسيان: المطروقة (المدرفلة) والمُرَسَّبة كهربائيًا، وتختلف خصائصهما اختلافًا كبيرًا. تُعد الرقائق الملفوفة والمُعالجة حرارياً الخيار الأكثر شيوعاً، ومع ذلك فإن الأغشية الرقيقة المطلية بالكهرباء أصبحت تحظى بشعبية متزايدة.

في بعض الحالات غير القياسية، قد يُطلب من مُصنِّع الدوائر الإلكترونية ابتكار رقائق معدنية خاصة باستخدام رقائق معدنية بديلة محددة، مثل سبيكة نحاسية خاصة أو رقائق معدنية أخرى. ويتم ذلك عن طريق لصق الرقائق المعدنية على طبقة أساسية، مع أو بدون مادة لاصقة، وذلك حسب طبيعة وخصائص الطبقة الأساسية.