תכנון מכאני של מעגל מודפס

מאת: שמעון מואס, Tenagon Systems Ltd.

מעגל מודפס, PCB (PRINTED CIRCUIT BOARD) הוא כרטיס קשיח או גמיש קשיח המהווה פלטפורמה ליישום רכיבים אלקטרוניים לשם יצירת מעגל אלקטרוני.
הכרטיס משמש בסיס לרכיבים כאמור ומאפשר את החיבורים החשמליים בין המכלולים הממוקמים עליו, בעזרת פסי נחושת מודפסים.
מעגל מודפס אשר הרכיבים האלקטרוניים מוקמו על גביו, נקרא גם כרטיס אלקטרוני.
החומר ממנו עשוי הכרטיס הוא בראש ובראשונה חומר מבודד. בחירת החומר תלויה במשתנים כגון: טיב התכנון, אילוצי טמפרטורה ואילוצי עלות.
במוצרי אלקטרוניקה אזרחיים הנמכרים בעלות נמוכה, נהוג להשתמש בחומרי גלם זולים יותר ולכן הכרטיסים פחות עמידים.
המאפיין העיקרי לבחירת החומר הוא גובה הטמפרטורה שניתן להלחים בכרטיס (TG). ככל שה-TG גבוה יותר, הכרטיס יעמוד בחום גבוה יותר ובתנאי סביבה קשים יותר אולם יהיה קשה יותר להשיגו ומחירו יהיה יקר יותר.

שכבות הכרטיס
הכרטיס האלקטרוני עשוי שכבות של חומר מבודד המצופה נחושת בשני צידיו. בין השכבות הללו מצוי חומר מבודד נוסף בשם PRE-PREG (מעין רשת שהספיגוה בדבק מבודד).
המוליכים החשמליים בכל שכבה בכרטיס נוצרים בתהליך פוטו-כימי.
החיבור החשמלי בין שכבות הכרטיס נעשה בעזרת קדחים (VIA) מצופים בנחושת. באופן הנ”ל נוצרת רציפות של מוליך תלת מימדי.

כרטיס גמיש קשיח
כרטיס גמיש קשיח (Semi-Rigid) – אחד הפתרונות המתקדמים ויעילים בענף הטכנולוגי. הכרטיס משתלב בציוד אלקטרוני, בזיווד ובמארזים.
מדובר במעגל מודפס אך לא בצורתו הקשיחה אלא בטכנולוגיה המאפשרת גמישות ואלתור בעיקר בתחום ההנדסה המכאנית.
כרטיס גמיש-קשיח הוא כרטיס אלקטרוני עשוי פוליאמיד (חומר המאפשר עמידות טובה יותר לתנאי סביבה) המהווה לעיתים לוח אם.
אין המדובר בטכנולוגיה חדשה, כרטיס גמיש קשיח נמצא בשימוש מעל לשני עשורים ומשתלב בעיקר בציוד הצבאי בארץ ובעולם.
השימוש בטכנולוגיית גמיש-קשיח צברה תאוצה לאורך השנים והכרטיס המתוכנן בטכנולוגיה זו מספק פתרונות מתקדמים ויתרונות שלא נמצאו בקודמיו הכרטיסים הקשיחים הסטנדרטיים (PCB).
בנוסף, קיימים סוגים נוספים של כרטיסים כגון: גמיש-גמיש, חצי גמיש ועוד.
השימוש בטכנולוגיית גמיש-קשיח נעשתה לרווחת בשימושים צבאיים, זמינה יותר ולעיתים חסכונית בהתחשב ביתר אילוצי התכן המכאני והרכבות המוצרים.
הכרטיס, המהווה לעיתים לוח אם במכשור אלקטרוני וציוד ממוחשב, טומן בחובו מספר רב של יתרונות (שיפורטו להלן) ולכן, על אף מחירו היקר באופן יחסי, הוא נחשב לאלטרנטיבה המועדפת על ידי מהנדסי המכונות ואנשי המקצוע במגזר הצבאי בענף הטכנולוגי.

 

היתרונות המרכזיים בטכנולוגיית גמיש-קשיח
1.קלות ההרכבה – קל יותר להרכיב מערכת או מכלול שתוכנן באמצעות כרטיס גמיש קשיח. ניתן לפרוס את הכרטיס בתוך המוצר בהתאם לתכנון, זאת לאחר שעוצב ויוצר בדיוק לפי דרישת הלקוח ו/או אילוצי מבנה המערכת.
2.קומפקטיות – אחד היתרונות הבולטים של כרטיס גמיש קשיח, הוא מבנהו הגמיש המאפשר מזעור כללי בתכנון המערכת. היתרון של כרטיס גמיש-קשיח על פני הכרטיס הקשיח הרגיל (PCB) הוא בכך שמבנהו והחומרים מהם הוא עשוי מאפשרים לו לצמצם את הנפח ולבטל את הצורך בצמות חוטים עבות בעלות מגעים רבים (קונטקטים), מחברים (קונקטורים) וכיו”ב.
3.חסכון בצמות חוטים – כרטיס גמיש קשיח מונע את הצורך בצמות החוטים המסורתיות ולכן על אף מחירו היקר יותר, משך זמן ההתקנה יהיה קצר יותר והרבה פחות מסורבל; כל שכן נמנעת בעיית הנתקים – בעיה הנגרמת מעצם השימוש בצמות חוטים.
4.תיאום עכבה (Impedance Coordination) בתנאים של תקשורת מהירה בין הכרטיסים, לעיתים קיים צורך בתיאום עכבה. היתרון הוא שניתן לערוך כרטיס גמיש-קשיח באופן שיאפשר תיאום עכבה בפשטות יחסית ליתר האלטרנטיבות.
5.פחות מחברים ופחות ניחות על החיבורים יותר גמיש-קשיח, פחות מחברים. השימוש בכרטיס מפחית משמעותית את מספר המחברים וכתוצאה מכך מפחית משמעותית את הסרבול בתכנון, ברכש, בייצור ובהרכבת המערכת. קיים יתרון עצום בהעדר חיבורים משום שנחסך ההפסד הכרוך בעכבה (Impedance) של המחברים וכך מתאפשר למנוע את הניחות ומתקבלת רציפות המוליכים החשמליים.

החסרונות המרכזיים בטכנולוגיית גמיש קשיח
1. עלות הכרטיס – יקרה ואף עלולה להגיע לכדי פי שלושה מעלות כרטיס קשיח PCB רגיל. מחיר הכרטיס גבוה ככל שמיוצר בכמויות קטנות.
2. זמן אספקה – ארוך, ממוצע של פי שלושה מזמן אספקה של כרטיס קשיח PCB רגיל.
3. היצע היצרנים – מספר היצרנים המסוגל לייצר ע”פ דרישות המתכנן בטכנולוגיית גמיש קשיח, קטן יותר בהתייחס לייצור בטכנולוגיות פחות מתקדמות.
4. מגבלות הידע – הידע הקיים והיצע אנשי המקצוע בתחום תכן כרטיסים גמישים קשיחים מוגבל באופן יחסי לידע ולהיצע אנשי המקצוע בתחום תכנון כרטיסים (PCB) קשיחים.

הכרטיסים האלקטרוניים נחלקים לשלוש קבוצות:
1. כרטיס אלקטרוני מסוג ספק כוח: למעשה הכרטיס עצמו מהווה ספק כוח.
שימושים נפוצים בספקי כוח ניתן למצוא במחשבים (LAPTOP), מדפסות, שימוש נרחב במוצרים צבאיים.

2. כרטיסי לוגיקה שתפקידם לנהל את המערכת קרי לקבל מידע, לעבד אותו ולהעביר אותו הלאה במידת הצורך. לוח האם במחשב PC מורכב ברובו מכרטיס לוגיקה. למעשה בכל המערכות המשובצות אלקטרוניקה ניתן למצוא כרטיס לוגיקה: מחשב, מדפסת, מזגן, מכונות כביסה, טלפון נייד, מסכי מחשב, וכדומה.
3. כרטיסי עיבוד תמונה / אות ווידאו. המאפיין העיקרי של כרטיס מסוג זה הוא מעבר של מידע רב בקצב מהיר. לדוגמא: סנסור המפיק מידע רב כגון גלאי של מצלמה – יש לטפל במידע זה בזהירות רבה על מנת למנוע בעיות בעיבוד התמונה. עיבוד האות חשוב מאוד כיוון שלעיתים האות מתקבל במהופך או תחת קידוד כלשהו ונדרש לערוך עליו מניפולציות מתמטיות כגון: היפוך, סיבוב וכדומה.
שימוש נרחב בכרטיסי עיבוד אות ווידאו נעשה במצלמות דיגיטליות, כרטיס מסך, שילוב סנסורים בטכנולוגיה של הפרדה ומיזוג (פיוז’ן), מכשירי ראיה תרמית (IR)
בנוסף לסוגי הכרטיסים האלקטרוניים שפורטו לעיל, קיימים כרטיסים המהווים ממשקים כמו צמות גמישות.
אף על פי שקיימים הבדלים מובהקים בין סוגי הכרטיסים, ניתן לשלב בניהם למשל: שילוב של כרטיס ספק כוח עם כרטיס לוגיקה ו/או עם כרטיס עיבוד תמונה ווידאו – כל סוגי השילובים אפשריים.
בענף האלקטרוניקה קיימת לרוב הפרדה מקצועית בטיפול בסוגי המעגלים כלומר: מהנדס אלקטרוניקה המתמחה במעגלים שהם ספקי כוח, מהנדס אלקטרוניקה המתמחה בכרטיסי לוגיקה, ומהנדס אלקטרוניקה המתמחה בכרטיסי עיבוד תמונה/אות ווידאו.
בענף המכאניקה, מקובל כי מהנדס מכונות המתמחה בזיווד יטפל בכל סוגי הכרטיסים תוך שימת לב לדרישות השונות ככל שמדובר בכרטיסי ספקי כוח, כרטיסי לוגיקה וכרטיסי עיבוד תמונה.

שלבים בתכנון המכאני בין מהנדס המכונות למהנדס האלקטרוניקה
בשלב הראשון מזוהה הצורך לתכנון ועריכת מעגל מודפס ונבדקת האפשרות לרכישת מוצר מדף.
כאשר מגיעים למסקנה שלא ניתן לרכוש את המערכת כמוצר מדף בשל סיבות של אי עמידה בדרישות טמפרטורה ו/או בדרישות תאימות אלקטרומגנטית (EMI, RFI) או שישנן דרישות מיוחדות מטעם הלקוח המזמין או מטעם מהנדס האלקטרוניקה
ו/או המכאניקה;
בשלב זה מהנדס האלקטרוניקה מקבל דרישות כלשהן מהלקוח ומגבש את דרישותיו הוא מהתכנון.
הוא מבצע תכנון אלקטרוני ראשוני, מתייעץ עם מהנדס מכונות בנושאים כגון טמפרטורה ותנאי סביבה ובהתאם לכך מגבש את הקונספט הראשוני תוך הצבת אילוצים כגון שטח, גובה הרכיבים, הספק וכדומה.
המידע הנ”ל מועבר למהנדס המכונות והוא יתמקד בגודל וסוגי הרכיבים (אילוצי נפח ושטח), אילוצי הספק קרי רכיבים אשר נדרש לפנות מהם את הספק החום ובהתאם לכך ימקם את הרכיבים במיקום אופטימאלי לפי שיקוליו המקצועיים ותוך בחינה האם ניתן לעמוד בפרמטרים אותם הגדיר מהנדס האלקטרוניקה.
בשלב הבא יבקש מהנדס המכונות ממהנדס האלקטרוניקה הערכה בדבר מספר השכבות עשוי הכרטיס. ככל שקיימת דרישה לשכבות מרובות, הרי הכרטיס יהיה עבה יותר ויהווה שיקול נוסף בפני המתכנן המכאני.
כעת יערוך איש המכאניקה בדיקה לגבי הממשקים, ויבחן את הדרישה למספר המגעים במחברים, בהתאם לכך יבחר את המחברים. מהנדס המכונות יפעיל את השיקולים הבאים בבחירת המחברים: אם מדובר בכרטיס ספק כוח יבחר מחברים עם מגעים של כוח (יש לקחת בחשבון שעובר זרם רב במחבר), אם מדובר בכרטיס לוגיקה יבחר מחברים בעלי מגעים רבים ואם מדובר בכרטיסי עיבוד תמונה ווידאו, יבחר מחברים מסוג RF המיועדים להעברת וידאו.
מהתכנון שבוצע עד כה, גוזר מהנדס המכונות סקיצה (קנטור) של הכרטיס הכוללת את הממשקים, מיקומי רכיבים ואילוצים נוספים. הסקיצה הזו תועבר למהנדס האלקטרוניקה על מנת שיתאפשר לו לערוך את הכרטיס.
בשלב זה נעשית עריכה ראשונית של הכרטיס ולאחר מכן עדכון שינויים נוספים במידת הצורך על ידי איש האלקטרוניקה ועורך המעגלים. החומר מועבר פעם נוספת למהנדס המכונות וכך הלאה עד לעריכה סופית, אישור הכרטיס והעברתו לשלב הייצור.

שיקולים בתכן מכאני של כרטיס ספק כוח:

1. שיקולי חום: כרטיסי ספקי כוח הינם מכלולים המאופיינות בהספק (חום) גבוה. על המתכנן המכאני להתמקד בפתרונות לפינוי ההספק.
2. שיקולי שטח ונפח: כרטיסי ספקי כוח מכילים מכלולים גדולים וגבוהים באופן יחסי. תכולה של שנאים רבים, סלילים מרובים וקבלים גדולים התופסים מקום ונפח רב.
3. קיימות לעיתים דרישות מיוחדות של תנאי סביבה ולפיכך נדרש טיפול ברכיבים בנפרד מהכרטיס על מנת שיעמדו בדרישות חום. הבעיה מורגשת בעיקר בקבלים הנדרשים משיקולי האלקטרוניקה. ישנם קבלים אשר מתחת לטמפרטורה מסוימת משנים את התנהגותם והדבר עלול להפחית משמעותית את ביצועי ספק הכוח, לכן המתכנן ידאג לחמם אותם בעזרת שמיכת חימום או נגדי הספק. ייטב אם מהנדס המכונות יבדוק מראש את דפי הנתונים של הרכיב (Datasheet) ו/או יתייעץ עם מהנדס האלקטרוניקה בנוגע ליכולת עמידת הרכיב בדרישות.
4. תאימות אלקטרומגנטית: ספקי כוח הם מכשירים רועשים אלקטרונית ומשפיעים על כל המערכת האלקטרונית. המתכנן המכאני יימנע מלמקם כרטיס “רגיש” ככרטיס עיבוד תמונה בסמוך לכרטיס ספק כוח אלא יבודד אותו או ידאג להרחיקו.
5. לספקי כוח ישנם ממשקים חשמליים כמו מחברים (קונקטורים) אשר בהשוואה לכרטיסים אחרים עובר דרכם זרם רב שיש לדאוג להוליך אותו. מחברים של כרטיס ספק כוח מכילים מעט מגעים בהשוואה לכרטיסים אחרים, אולם הנם מכילים יותר מגעים של כוח (עבים יותר) המאפשרים מעבר זרם רב כאמור. בכרטיסי ספק כוח מצויים פחות מגעים של סיגנלים בהשוואה לכרטיסים אחרים.

שיקולים בתכן מכאני של כרטיסי לוגיקה
כרטיסי לוגיקה מאופיינים בהרבה קווים. הכרטיסים עמוסים ברכיבים אך אינם רוויים בהספק (בשונה מכרטיסי ספק כוח).
בכרטיס לוגיקה מקובל למקם שני מודולים (CPU ו/או FPGA) אשר מייצרים חום. נהוג לפנות את החום מרכיבים אלה מכיוון מארז הרכיב החוצה (ולא דרך רגלי הרכיב ל- PCB) זאת בדומה לרכיב CPU במחשב אשר מפנה את החום ממארז הרכיב בעזרת מחליף חום ומאוורר. מקובל למקם רכיבים אלה קרוב יותר למרכז המעגל; מאידך מיקום הרכיב במרכז המעגל עלול להוות חיסרון מהיבט החוזק.
כמות המגעים והסיגנלים שיוצאים ונכנסים במערכות כאלה היא גדולה ויש לקחת בחשבון מראש את נושא מיקום המחברים בפרט ותכנון הכרטיס בכלל כך שניתן יהיה לחבר את המודולים חשמלית למעגל ולערוך את המעגל כראוי.

שיקולים בתכן מכאני של כרטיסי עיבוד תמונה ווידאו
בכרטיסי עיבוד תמונה ווידאו קיים רכיב עיבוד תמונה שתפקידו לבצע את העיבוד ודרכו עובר מידע רב (שימוש נפוץ: בכרטיס מסך של מחשב). רכיב זה מפיק חום ומהנדס המכונות ידאג לפינוי החום.
במקרים רבים מתקיים מעבר רב של מידע ולכן נערך שימוש בסיבים אופטיים. בכל מקרה יש צורך בתיאום עכבה (Impedance) בשל בעיית הניחות.
כרטיסים אלה רגישים מאוד לרעש אלקטרוני (בעיית תאלמ”ג) ולכן מהנדס המכונות ימקם אותם הרחק מכרטיסי ספק כוח.
נהוג לערוך שימוש במחברי COAX או QUADRAX המיועדים להעברת וידאו ואשר ניתן לחבר אליהם מחברים נגדיים שזורי מתכת (מסוככים).

 

דוגמא לבעיה נפוצה בתחום פינוי חום במעגלים מודפסים
כאשר ישנם רכיבים חמים הממוקמים על גבי הכרטיס (נפוץ בעיקר בכרטיס ספק כוח) קיים צורך לחברם לגוף כלשהו אשר יועבר אליו החום – HEAT SINK.
הפרדוקס: קיימים מקרים בהם יש לפנות את החום ישירות מהרכיב עצמו, ומכיוון שהרכיב מולחם למעגל, קיים קושי לפנות ממנו את החום.
הפתרון: יש למקם פד תרמי בין הרכיב החם לבין הגוף (שאסי) ובאופן הזה מתפנה החום מהרכיב החם לפד התרמי ומשם לשאסי. פינוי החום כאמור נעשה באמצעות הולכה והיתרון שלו מתבטא באלסטיות הפד המהווה פתרון לבעיית הטולרנסים (אי דיוקים בייצור).
בכרטיסי עיבוד תמונה ובכרטיסי לוגיקה הפתרונות דומים למדי, אך השוני הוא במיקום הרכיבים.