تشغل أجهزة الكمبيوتر اللوحية مساحة تصميمية بين الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة - فهي أكبر من الهواتف ولكنها لا تزال تتطلب نحافة فائقة (عادةً سمك إجمالي للجهاز يتراوح بين 5-8 مم)، وتتطلب سعة بطارية كبيرة للاستخدام طوال اليوم، وتدمج واجهات اللمس كمدخل أساسي للمستخدم. تعكس تحديات تصميم PCB هذا الحل الوسط: تقترب كثافة المكونات من مستويات الهواتف الذكية للأجهزة اللوحية المتميزة، بينما تتوسع واجهات العرض وإدارة البطارية نحو تعقيد أجهزة الكمبيوتر المحمولة.
يستعرض هذا الدليل الاعتبارات الخاصة بـ PCB للأجهزة اللوحية: تحقيق تراصات رقيقة مع الحفاظ على سلامة الإشارة، ودمج إدارة البطارية لخلايا الليثيوم الكبيرة، وتنفيذ أنظمة التحكم باللمس مع الحد الأدنى من الضوضاء، وتوجيه واجهات عرض النطاق الترددي العالي، ومتطلبات التصنيع التي تضمن الجودة بكميات الإلكترونيات الاستهلاكية.
في هذا الدليل
- تصميم التراص فائق النحافة لعوامل الشكل للأجهزة اللوحية
- دمج PCB لنظام إدارة البطارية
- توجيه وحدة التحكم باللمس ومناعة الضوضاء
- تصميم واجهة العرض: متطلبات MIPI و eDP
- تحديات التصنيع لـ PCBs للأجهزة اللوحية الرقيقة
- اعتبارات الموثوقية للأجهزة اللوحية الاستهلاكية
تصميم التراص فائق النحافة لعوامل الشكل للأجهزة اللوحية
تستهدف الأجهزة اللوحية المتميزة سمكًا إجماليًا لـ PCB أقل من 0.8 مم مع دعم 6-8 طبقات للحصول على سعة توجيه كافية. يقود قيد السماكة هذا اختيار المواد فائقة النحافة - 50-75 ميكرومتر من المراحل الأولية، و 100-150 ميكرومتر من المواد الأساسية، والاهتمام الدقيق بسماكة طلاء النحاس الذي يساهم في الارتفاع النهائي. نادرًا ما تحقق إنشاءات FR-4 القياسية هذه الأهداف؛ تصبح المواد المتخصصة ذات النواة الرقيقة والمعالجة الدقيقة ضرورية.
يخلق التراص الرقيق تحديات في سلامة الإشارة - يؤدي انخفاض سمك العازل الكهربائي إلى تضييق نوافذ تفاوت المعاوقة، ويزيد النحاس الرقيق من المقاومة وكثافة التيار. يجب على المصممين موازنة المتطلبات الكهربائية مقابل القيود الميكانيكية، مما يضمن أن التجميع الرفيع ينجو من التعامل أثناء التصنيع ويحافظ على التسطيح تحت الإجهاد الحراري.
مناهج تصميم التراص الرقيق
- اختيار المواد: توفر الرقائق الرقيقة ذات Tg العالية و CTE المنخفض استقرارًا في الأبعاد؛ توفر المواد مثل Panasonic Megtron أو Isola FR408HR خيارات نواة رقيقة بخصائص محكومة.
- تحسين عدد الطبقات: تكفي ست طبقات عادةً للأجهزة اللوحية السائدة؛ قد تتطلب الأجهزة المتميزة 8 طبقات لتعقيد المعالج - يضيف كل زوج إضافي من الطبقات حوالي 0.15-0.2 مم.
- مقايضات وزن النحاس: نحاس 1/3 أونصة (12 ميكرومتر) أو 1/2 أونصة (18 ميكرومتر) على طبقات الإشارة؛ قد تحتاج طبقات الطاقة الداخلية إلى 1 أونصة لسعة التيار على الرغم من عقوبة السماكة - قم بمحاكاة توصيل الطاقة للتحقق من الكفاية.
- سمك العازل الكهربائي: استهدف 50-75 ميكرومتر من المراحل الأولية بين طبقات الإشارة والمرجعية؛ يجب أن يأخذ حساب المعاوقة في الاعتبار السمك المضغوط النهائي بعد التصفيح.
- قيود هيكل الفيا: تحد فيا الثقب من الحد الأدنى للسمك (نسب حفر الأبعاد)؛ تمكن microvias (بناء HDI) من استخدام تصميمات أرق من خلال القضاء على قيود الثقب.
- اعتبارات المقوية: قد تتطلب الألواح الرقيقة جدًا مقويات في مناطق محددة لتركيب المكونات أو دعم الموصل - ضع ذلك في ميزانية السماكة الكلية.
يساعد فهم مبادئ تصميم تراص PCB في تحسين ترتيب الطبقات لكل من الأداء الكهربائي وقابلية التصنيع ضمن أهداف السماكة.
دمج PCB لنظام إدارة البطارية
تتضمن الأجهزة اللوحية عادةً بطاريات ليثيوم بوليمر بسعة 20-40 واط في الساعة - أكبر بكثير من الهواتف الذكية، مما يتطلب أنظمة إدارة بطارية (BMS) قوية للسلامة وطول العمر. قد تكون دوائر BMS موجودة على لوحة المنطق الرئيسية أو على لوحة حماية بطارية مخصصة، مع مقايضات بين مستوى التكامل وعزل السلامة وقابلية الصيانة.
تشمل إدارة بطارية الأجهزة اللوحية مراقبة الخلية (الجهد ودرجة الحرارة والتيار)، والتحكم في الشحن (ملفات تعريف التيار المستمر/الجهد المستمر)، ودوائر الحماية (الجهد الزائد، والجهد المنخفض، والتيار الزائد، والدائرة القصيرة)، وقياس الوقود (تقدير حالة الشحن). يجب أن يوفر تنفيذ PCB سعة حمل تيار كافية لمسارات الشحن والتفريغ مع الحفاظ على العزل بين دوائر البطارية عالية التيار والإلكترونيات الحساسة.
متطلبات PCB لإدارة البطارية
- تصميم المسار الحالي: تحمل مسارات الشحن والتفريغ 2-4 أمبير مستمر (قد يتجاوز الشحن السريع 10 أمبير)؛ حساب عرض التتبع بناءً على ارتفاع درجة الحرارة المقبول - استهدف عادةً ارتفاعًا أقل من 10 درجات مئوية عند الحد الأقصى للتيار.
- تنفيذ مقاوم الاستشعار: استشعار التيار عبر مقاومات تحويل منخفضة القيمة (5-20 ملي أوم)؛ يزيل توجيه اتصال Kelvin لمضخم الاستشعار خطأ مقاومة التتبع.
- موضع حماية MOSFET: توضع الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFETs) لفصل البطارية بالقرب من اتصال البطارية؛ اعتبارات حرارية لتبديد الطاقة أثناء أحداث حماية الدائرة القصيرة.
- متطلبات العزل: تحدد معايير السلامة (UL، IEC 62368-1) العزل بين دوائر البطارية وواجهات المستخدم التي يمكن الوصول إليها؛ تؤثر متطلبات التسرب والتخليص على تباعد التخطيط.
- مراقبة درجة الحرارة: يوفر وضع الثرمستور NTC بالقرب من الخلايا إدخالًا لدرجة الحرارة للتحكم في الشحن وإغلاق السلامة؛ يتطلب التوجيه إلى BMS IC مراعاة مناعة الضوضاء.
- دقة مقياس الغاز: تتطلب دوائر قياس الوقود مقاومات استشعار مستقرة وتوجيهًا تناظريًا نظيفًا؛ يحسن صب الأرض التناظرية المنفصل من الدقة.
يدعم تنفيذ PCB المناسب لإدارة البطارية السلامة العامة للجهاز وطول عمر البطارية - وهي مخاوف بالغة الأهمية يتم تناولها في مبادئ تصميم PCB لإلكترونيات الطاقة.
توجيه وحدة التحكم باللمس ومناعة الضوضاء
يعتمد استشعار اللمس السعوي في الأجهزة اللوحية على اكتشاف تغيرات السعة الصغيرة (فيمتوفاراد) الناتجة عن قرب الإصبع - مما يجعل دوائر وحدة التحكم باللمس حساسة للغاية لتوصيل الضوضاء من أنظمة اللوحة الأخرى. يولد تشغيل الشاشة، وتحويل مصدر الطاقة، والإرسال اللاسلكي ضوضاء يمكن أن تتداخل مع أداء اللمس، مما يتسبب في لمس وهمي، أو مدخلات مفقودة، أو استجابة مهتزة.
يتطلب تنفيذ PCB لوحدة التحكم باللمس اهتمامًا دقيقًا بطوبولوجيا التوجيه واستراتيجية التدريع وإدارة الأرض. يمر الاتصال بين IC المتحكم ومستشعر اللمس (عادةً فيلم ITO شفاف على مجموعة العرض) عبر كبلات مرنة؛ تقدم هذه الواجهة قابلية معينة للضوضاء يمكن أن يخففها التأريض المناسب لـ PCB.
إرشادات توجيه وحدة التحكم باللمس
- منطقة أرضية مخصصة: يجب أن يكون لقسم وحدة التحكم باللمس صب أرضي مخصص يتصل بالأرض الرئيسية عند نقطة واحدة؛ يمنع اقتران الضوضاء من خلال التيارات الأرضية.
- عزل الإشارة: يجب ألا تتقاطع خطوط استشعار اللمس أو تعمل بشكل موازٍ لتبديل مصادر الطاقة، أو إشارات توقيت العرض، أو التردد اللاسلكي اللاسلكي - حافظ على حد أدنى للمسافة 2 مم أو تتبع آثار الأرض.
- آثار الدرع: توفر آثار الأرض بين إشارات اللمس ومصادر الضوضاء عزلًا إضافيًا؛ قم بتوصيل الدروع بأرض وحدة التحكم باللمس.
- تصميم موصل Flex: يتطلب اتصال كبل اللمس المرن دبابيس أرضية تحيط بدبابيس الإشارة؛ يجب أن يتم توصيل الموصل مباشرة فوق منطقة الطائرة الأرضية.
- موضع المكون: يجب أن يقع IC لوحدة التحكم باللمس بعيدًا عن محاثات SMPS وحدات RF و ICs لمحرك العرض؛ تقوم الخزفيات القريبة بتصفية قضبان التوريد عند وحدة التحكم.
- تصفية حبة الفريت: تعمل حبات الفريت على قضبان التوريد لوحدة التحكم باللمس على تخفيف الضوضاء عالية التردد؛ حدد نطاق التردد المناسب (عادةً 100 ميجاهرتز - 1 جيجاهرتز).
غالبًا ما يتطلب تحسين أداء اللمس ضبطًا تكراريًا أثناء التطوير - البدء بتنفيذ PCB قوي يجعل هذه العملية أكثر قابلية للتنبؤ بها من محاولة إصلاح مشاكل التخطيط الأساسية.
تصميم واجهة العرض: متطلبات MIPI و eDP
تتصل شاشات الأجهزة اللوحية عادةً عبر MIPI DSI (واجهة تسلسلية للعرض) للوحات من فئة الهاتف المحمول أو eDP (DisplayPort المضمن) للوحات ذات الدقة العالية المشتقة من شاشات الكمبيوتر المحمول. تعمل كلتا الواجهتين بمعدلات متعددة الجيجابت، مما يتطلب توجيه معاوقة محكوم واهتمامًا دقيقًا بأساسيات سلامة الإشارة.
يستخدم MIPI DSI أزواج مسار بيانات 1-4 بالإضافة إلى الساعة، وتعمل بمعدل 1-2.5 جيجابت في الثانية لكل مسار. يستخدم eDP مسارات 1-4 بمعدل 1.62-8.1 جيجابت في الثانية لكل مسار اعتمادًا على تكوين معدل الارتباط. يجب أن يحافظ توجيه PCB بين المعالج وموصل العرض على التحكم في المعاوقة، وتقليل عدم تطابق الطول بين الأزواج التفاضلية، وتوفير مسارات تيار عودة كافية.
توجيه واجهة العرض
- التحكم في المعاوقة: يحدد MIPI DSI معاوقة تفاضلية 85-100 أوم؛ عادةً ما يكون eDP 85 أوم أو 100 أوم اعتمادًا على تنفيذ PHY - تحقق مقابل مواصفات المعالج واللوحة.
- مطابقة الطول: يجب ألا يتجاوز الانحراف داخل الزوج (P/N داخل زوج تفاضلي) 5 مل؛ انحراف بين الأزواج (بين المسارات) عادةً <100 مل لـ MIPI، <500 مل لـ eDP.
- استمرارية الطائرة المرجعية: تتطلب إشارات العرض عالية السرعة طائرة مرجعية غير منقطعة؛ أي انقسام للطائرة أو عبور حقل فيا يخلق انقطاعًا في المعاوقة وخطر EMI.
- انتقال الموصل: يمثل موصل العرض المرن انقطاعًا في المعاوقة؛ قلل من طول التتبع بعد الموصل، أو صمم بصمة الموصل لمطابقة المعاوقة.
- اقتران التيار المتردد: تتطلب بعض تطبيقات eDP مكثفات اقتران التيار المتردد في سلسلة مع مسارات البيانات؛ ضعها مباشرة في جانب المعالج بأقل طول كعب.
- احتواء EMI: يمكن لواجهات العرض أن تشع؛ اجعل الآثار قصيرة، واستخدم فيا خياطة الأرض على طول التوجيه، وفكر في توجيه التتبع المدمج (مدفون بين الطائرات المرجعية).
يستفيد تنفيذ واجهات عرض النطاق الترددي العالي من مبادئ تصميم PCB عالية السرعة وقد يتطلب محاكاة لسيناريوهات التوجيه المعقدة.
تحديات التصنيع لـ PCBs للأجهزة اللوحية الرقيقة
تطرح مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور للأجهزة اللوحية فائقة النحافة (أقل من 0.8 مم) تحديات تصنيع تتجاوز التصنيع متعدد الطبقات القياسي. يتطلب التعامل مع الألواح الرقيقة من خلال عمليات الحفر والطلاء والتصوير والتصفيح تعديلات في المعدات وتعديلات في العملية لمنع الالتواء والحفاظ على التسجيل وتحقيق نتائج متسقة.
يحد البناء الرقيق أيضًا من نسب أبعاد الفيا - لا يمكن للوحة بسماكة 0.6 مم دعم حفر 0.15 مم باستخدام المعالجة التقليدية من خلال الفتحة (تصبح نسبة العرض إلى الارتفاع >4:1 غير موثوقة). يصبح بناء HDI مع فيا عمياء/مدفونة أو microvias محفورة بالليزر ضروريًا لتحقيق ألواح رقيقة بكثافة توجيه كافية.
اعتبارات تصنيع الألواح الرقيقة
- التعامل مع اللوحة: تتطلب الألواح الرقيقة ألواح حاملة أو دعم إطار من خلال المعالجة؛ يمنع الالتواء أثناء الدورات الحرارية للطلاء والتصفيح.
- نسبة عرض الحفر: الحد الأقصى لنسبة العرض إلى الارتفاع الموثوقة للثقب من خلال الفتحة ~6:1؛ تحدد لوحة 0.6 مم الحد الأدنى للثقب من خلال الفتحة إلى ~0.1 مم حفر - غالبًا ما يكون كبيرًا جدًا لمتطلبات الفيا ذات الملعب الدقيق.
- بناء HDI: تمكن هياكل Microvia (فيا عمياء محفورة بالليزر) من تكديس أرق؛ تسمح نسب أبعاد الفيا بالليزر حتى 0.8:1 بفيا 75 ميكرومتر في عازل 100 ميكرومتر.
- التحكم في التصفيح: تتطلب العوازل الرقيقة معلمات تصفيح دقيقة لتحقيق سمك مضغوط ثابت؛ تؤثر الاختلافات بشكل مباشر على المعاوقة.
- التحكم في الالتواء: تكون الألواح الرقيقة عرضة للالتواء من الإجهاد الحراري أثناء التجميع؛ تحافظ بروتوكولات التبريد والتعامل الخاضعة للرقابة على التسطيح.
- تفاوت السماكة النهائية: التفاوت النموذجي ±10٪ من الاسمي؛ لهدف 0.6 مم، توقع 0.54-0.66 مم - تحقق من توافق التجميع عند أقصى درجات التفاوت.
يضمن العمل مع المصنعين ذوي الخبرة في تصنيع HDI PCB أن تصميمات الأجهزة اللوحية الرقيقة قابلة للتصنيع بعوائد مقبولة.
اعتبارات الموثوقية للأجهزة اللوحية الاستهلاكية
تواجه الأجهزة اللوحية الاستهلاكية تحديات موثوقية من التدوير الحراري (يولد شحن البطارية حرارة؛ ودورات النوم والاستيقاظ تسبب رحلات في درجة الحرارة)، والإجهاد الميكانيكي (تنثني الأجهزة الرقيقة أثناء التعامل)، والتعرض البيئي (الرطوبة، ودرجات الحرارة القصوى أثناء الشحن والاستخدام). تؤثر خيارات تصميم PCB بشكل مباشر على الموثوقية الميدانية وتكاليف الضمان.
في حين تواجه الأجهزة اللوحية متطلبات بيئية أقل حدة من التطبيقات الآلية أو الصناعية، فإن الجمع بين البناء الرقيق والأحمال الحرارية العالية من الشحن السريع وتوقعات المستهلك لعمر متعدد السنوات يخلق متطلبات هندسة موثوقية ذات مغزى.
عوامل تصميم الموثوقية
- التدوير الحراري: التصميم لنطاق درجة الحرارة بما في ذلك شحن البطارية (قد يصل PCB إلى 50-60 درجة مئوية محليًا)؛ حدد مواد ذات مطابقة CTE بين النحاس والرقائق وحزم المكونات.
- موثوقية وصلة اللحام: تواجه حزم BGA الكبيرة على الألواح الرقيقة إجهاد وصلة اللحام من ثني اللوحة؛ يحسن التعبئة السفلية على المعالجات والحزم الكبيرة الأخرى من الموثوقية.
- موثوقية الفيا: يجهد التدوير الحراري براميل واتصالات الفيا؛ تضمن الفيا المملوءة على المسارات الحرارية، ونسب العرض إلى الارتفاع المناسبة، وسمك طلاء النحاس الكافي (≥20 ميكرومتر) بقاء الفيا.
- واجهات كبل Flex: يمكن أن يسبب الثني المتكرر في واجهات الموصل فشلًا؛ يتجنب اختيار الموصل المناسب وتخفيف الإجهاد والتوجيه نقاط إجهاد المرونة.
- حساسية الرطوبة: يؤثر امتصاص الرطوبة للرقائق على كل من الموثوقية طويلة الأجل وتوافق التجميع (الفشار أثناء إعادة التدفق)؛ حدد تصنيف MSL المناسب.
- الطلاء المطابق: تتضمن بعض تصميمات الأجهزة اللوحية طلاءً مطابقًا للحماية من الرطوبة والتلوث؛ صمم لتوافق الطلاء (حافظ على الموصلات متاحة أو قابلة للإخفاء).
تتحقق بروتوكولات اختبار الموثوقية الشاملة من أن التصميمات تلبي توقعات طول العمر قبل إنتاج الحجم.
ملخص تقني
يوازن تصميم PCB للأجهزة اللوحية بين متطلبات النحافة الشديدة واحتياجات الأداء الكهربائي - وهو تحسين صعب يتطلب مراعاة متكاملة لبناء التراص، وتوصيل الطاقة، وإدارة الضوضاء لواجهات اللمس، واتصالات العرض ذات النطاق الترددي العالي. يحد عامل الشكل الرقيق من مناهج التصميم التقليدية، وغالبًا ما يتطلب تقنيات بناء HDI المرتبطة عادةً بالهواتف الذكية.
تشمل القرارات الرئيسية في تطوير PCB للأجهزة اللوحية بنية التراص (عدد الطبقات وسمك العازل لتحقيق أهداف السماكة)، وتعقيد HDI (متطلبات microvia للمكونات ذات الملعب الدقيق داخل الإنشاءات الرقيقة)، ومستوى تكامل البطارية (لوحة حماية مخصصة مقابل تكامل اللوحة الرئيسية)، واستراتيجية عزل وحدة التحكم باللمس (إدارة الأرض ونهج التدريع).
يجب أن يؤكد اختيار شريك التصنيع على قدرة التعامل مع اللوحة الرقيقة وخبرة HDI - لا ينجح جميع المصنّعين في إنتاج إنشاءات فائقة النحافة بجودة متسقة. تضمن المشاركة المبكرة توافق قرارات التصميم مع قدرات التصنيع المثبتة.