دليل تصميم وتصنيع لوحات الدوائر المطبوعة لأجهزة تتبع اللياقة البدنية

يجب أن تجمع لوحة الدوائر المطبوعة لجهاز تتبع اللياقة البدنية بين أجهزة الاستشعار، وتقنية اتصال بلوتوث ، وشاشة عرض أو مؤشر، وتقنية اللمس، ولوحة إدارة البطارية، كل ذلك في غلاف رقيق قابل للارتداء. لا يكمن التحدي الهندسي في أي نظام فرعي بمفرده، بل في جعل جميع هذه الأنظمة تعمل بتناغم مع الحفاظ على جودة أجهزة الاستشعار، وأداء الاتصال اللاسلكي، وعمر البطارية الذي يدوم لعدة أيام. قد تحتاج لوحة الدوائر المطبوعة نفسها إلى دعم تقنية قياس النبض الضوئي (PPG)، ووحدة قياس القصور الذاتي (IMU)، وذاكرة فلاش، والشحن، ومحرك اهتزاز، دون أن تؤثر هذه الأحمال على مسار القياس الحساس.

يُضيف تصنيع الأجهزة القابلة للارتداء قيودًا ميكانيكية وبيئية. فقد تكون اللوحة رقيقة، أو مرنة ، أو صلبة-مرنة ؛ وقد تكون المكونات قريبة جدًا من الغلاف؛ وقد يصل العرق والرطوبة إلى نقاط التداخل غير المحكمة؛ كما يتم شحن المنتج وارتداؤه بشكل متكرر. لذا، يتطلب النموذج الأولي الناجح خطة إنتاج لمحاذاة المستشعرات، ومنع دخول الهوائي، وتقنية التجميع السطحي ذات المسافة الدقيقة، وطلاء أو إحكام غلق نقاط التداخل، والاختبار الوظيفي.

تستطيع شركة هايليب للإلكترونيات تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) ومجموعات لوحات الدوائر المطبوعة المصممة حسب طلب العميل ، وتوفير المكونات، وتجميع الحزم ذات المسافات الدقيقة والمجموعات المرنة عند الطلب، وإجراء البرمجة والاختبارات الوظيفية وفقًا لمتطلبات العميل. تبقى دقة القياسات الحيوية النهائية والخوارزميات والادعاءات الطبية أو المتعلقة بالصحة خارج نطاق تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة التقليدية.

خمس أولويات هندسية تحدد تصميم لوحة الدوائر المطبوعة لجهاز تتبع اللياقة البدنية

يختلف هذا التصميم عن الخاتم الذكي بشكل أساسي لأن جهاز تتبع المعصم عادةً ما يحتوي على مساحة سطحية أكبر وقد يتضمن شاشة عرض. هذه المساحة الإضافية تجعل لوحات الدوائر المطبوعة التقليدية الصلبة أو الرقيقة متعددة الطبقات أكثر عملية، ولكن موصلات الشاشة وواجهات اللمس والأحمال اللمسية تُضيف تحدياتها الخاصة في التوجيه والطاقة. ينبغي اختيار التصميم الأمثل بناءً على كثافة الغلاف والتغليف بدلاً من افتراض أن كل جهاز قابل للارتداء يحتاج إلى لوحات صلبة مرنة أو عالية الكثافة.

ينبغي أن تحدد حزمة التصنيع أيضًا الوظائف التي تُمثل وحدات نمطية وتلك التي تُمثل شريحة. يمكن لوحدة بلوتوث منخفضة الطاقة (BLE) المعتمدة مسبقًا تبسيط تصميم الترددات اللاسلكية على حساب المساحة؛ بينما يمكن لنظام على شريحة (SoC) بتقنية بلوتوث منخفضة الطاقة (BLE) مع هوائي مطبوع على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) توفير المساحة، ولكنه يتطلب تصميمًا مرجعيًا أكثر دقة وتحكمًا أفضل في المطابقة. وينطبق الأمر نفسه على وحدات الاستشعار الضوئية المتكاملة مقابل مصابيح LED والثنائيات الضوئية المنفصلة.

تصميم لوحة الدوائر المطبوعة لمستشعر PPG والتكامل البصري

تُستخدم تقنية قياس الفوتونات الضوئية الانعكاسية (PPG) على نطاق واسع في الأجهزة القابلة للارتداء على المعصم. تُضيء مصابيح LED الأنسجة، ويستقبل كاشف الضوء الإشارة المنعكسة المُعدّلة. قد تتضمن المستشعرات البصرية المدمجة في الأجهزة القابلة للارتداء مشغلات LED، ووحدة معالجة تناظرية، ومحول تناظري رقمي (ADC)، ولكنها لا تزال تعتمد على البصريات الفيزيائية. تحدد لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) موضع المكونات، بينما يحدد الغلاف التلامس مع الجلد، والعزل البصري، ومسار الضوء.

هندسة الصمام الثنائي الباعث للضوء إلى الصمام الثنائي الضوئي

ينبغي أن يتبع التباعد والاتجاه إرشادات مورد المستشعر والتصميم البصري للشركة المصنعة الأصلية. قد يؤدي تحريك المستشعر لتسهيل التوصيل إلى تغيير مسار القياس. لذا، يجب أن يضمن مخطط اللوحة والبيانات الميكانيكية إمكانية تكرار موقع المستشعر بالنسبة للنافذة المواجهة للمعصم.

العزلة البصرية

قد يؤدي تسرب الضوء المباشر من الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) إلى الصمام الثنائي الضوئي إلى تقليل الإشارة المفيدة. غالبًا ما تؤدي الحواجز الميكانيكية والحشيات الداكنة والميزات المصبوبة دورًا أكبر من النحاس المستخدم في لوحة الدوائر المطبوعة. يجب أن يحدد رسم التجميع المناطق المحظورة بصريًا حتى لا تتداخل طبقة اللحام أو المادة اللاصقة أو الطلاء أو المكونات العاكسة المجاورة مع التجويف المحدد.

الطاقة والأرضي

تُحدث نبضات LED تغيرات عابرة في التيار قد تتداخل مع الدائرة التناظرية الأمامية أو مصدر طاقة وحدة التحكم الدقيقة. يجب أن تتبع مسارات الفصل والعودة المحلية تصميم المستشعر المرجعي. قد ينخفض ​​مستوى تيار البطارية الذي يبدو مستقرًا عند متوسط ​​التيار أثناء نبضات LED أو الإرسال اللاسلكي، لذا يجب أن يلتقط اختبار النموذج الأولي شكل الموجة الفعلي النشط.

تجنب تحويل جهاز استشعار الصحة إلى مطالبة طبية غير مدعومة

يُمكن لتصنيع لوحات الدوائر المطبوعة التحقق من اتصال المستشعرات والاستجابة البصرية التي يُحددها العميل. لكن هذا لا يُثبت الدقة السريرية أو الوضع التنظيمي. لذا، يجب أن يُوضح كل من المقال وعرض سعر المصنع هذه الحدود بوضوح، خاصةً عندما يتضمن جهاز التتبع أطوال موجية بصرية مرتبطة بتشبع الأكسجين في الدم (SpO2) أو ميزات معدل ضربات القلب.

بنية طاقة لعمر بطارية يدوم لعدة أيام

يعتمد عمر البطارية على نمط تشغيل مُرجّح زمنيًا. قد يقضي جهاز التتبع معظم وقته في وضع السكون منخفض الطاقة، ويستيقظ دوريًا لأخذ عينات من المستشعرات، وتفعيل مصابيح LED الخاصة بتخطيط التحجم الضوئي، وتحديث الشاشة، وتسجيل البيانات، ونقلها عبر تقنية البلوتوث منخفض الطاقة (BLE). لذا، ينبغي أن يُحسّن التصميم كلاً من استهلاك الطاقة في وضع السكون وطاقة النبضات النشطة.

اختيار منظم الجهد

يمكن لمنظم الجهد الخطي المنخفض (LDO) توفير مسار طاقة بسيط وهادئ عندما يكون جهد البطارية والحمل متقاربًا. بينما يستطيع محول الجهد الخافض أو الخافض-الرافع استخلاص طاقة قابلة للاستخدام بشكل أكبر مع تفريغ البطارية، ولكنه يُدخل ضوضاء التبديل وتيارًا ساكنًا خاصًا به. قد تجمع دوائر إدارة الطاقة المتكاملة (PMICs) القابلة للارتداء بين الشحن ومسارات طاقة متعددة. يعتمد التصميم الأمثل على نطاق جهد البطارية وحساسية المستشعر ودورة التشغيل، وليس على تفضيل عام لمنظم الجهد الخطي المنخفض أو محول التيار المستمر إلى التيار المستمر.

اختبار التيار الإنتاجي

يُعد تيار السكون مؤشرًا هامًا في عملية التصنيع، إذ يمكن أن تؤدي وصلات اللحام غير الصحيحة، أو قيم المكونات الخاطئة، أو التسريب، أو إعدادات البرامج الثابتة إلى ارتفاعه بشكل كبير. يجب أن يحدد جهاز الاختبار حالة البرامج الثابتة ووقت الاستقرار. كما يمكن قياس حدود التيار النشط أثناء تشغيل المستشعر أو تقنية البلوتوث منخفض الطاقة (BLE). تُعد هذه الاختبارات أكثر فائدة من مجرد التحقق من تشغيل اللوحة.

تصميم هوائي البلوتوث منخفض الطاقة، وتحميل المعصم، وحماية الترددات اللاسلكية

يعمل الجهاز القابل للارتداء على المعصم بالقرب من الجسم والشاشة والبطارية والهيكل. تؤثر هذه المواد على الهوائي. إذا كان جهاز التتبع يستخدم هوائيًا مطبوعًا على لوحة الدوائر المطبوعة، فإن منطقة الحماية والأرضية المرجعية المحيطة به تُعدّ جزءًا من تصميم الترددات اللاسلكية. قد يؤدي تغيير طرف التوصيل المرن أو الإطار المعدني أو موضع البطارية إلى تغيير التردد حتى مع بقاء مخطط الراديو كما هو.

اتبع تخطيط الراديو المرجعي

تصميم لوحة الدوائر المطبوعة للترددات الراديوية : يجب أن تبقى شبكة مطابقة نظام BLE SoC وهندسة التغذية قريبة من المرجع المعتمد. قد تؤدي طبقات النحاس والوصلات الرأسية ووسادات الاختبار المضافة حول الهوائي إلى تغيير السعة الطفيلية والمعاوقة. يجب أن يحدد تصميم قابلية التصنيع (DFM) منطقة الترددات الراديوية كمنطقة خاضعة للتحكم التصميمي، بحيث لا تحدث تغييرات قابلية التصنيع في أي مكان آخر إلا بموافقة قسم الهندسة.

تحميل الجسم

ينبغي التحقق من أداء الترددات اللاسلكية على الجهاز القابل للارتداء بعد تجميعه أو على جهاز تثبيت مناسب، لأن حركة المعصم تُغير بيئة الهوائي. يُعد اختبار نطاق لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) مفيدًا لتصحيح الأخطاء، ولكنه لا يُمثل الظروف النهائية. يُمكن لاختبار الإنتاج الكشف عن مكونات الترددات اللاسلكية المفقودة أو الموضوعة في غير مكانها، والتأكد من الاتصال، بينما يندرج ضبط الهوائي الكامل ضمن التحقق الهندسي.

التعايش مع الشاشة وأجهزة الاستشعار

قد تتسبب حواف العرض السريعة ومنظمات التبديل في حدوث تشويش حول الراديو، بينما قد تتداخل نبضات الراديو مع الدوائر البصرية أو التناظرية الحساسة. يمكن تقليل هذا التداخل من خلال التموضع المادي ومستويات المرجعية والجدولة. تختلف طريقة التخفيف الدقيقة باختلاف المنتج؛ وتتمثل مهمة التصنيع في الحفاظ على التموضع المُحرر ومطابقة المكونات.

لوحات الدوائر المطبوعة الرقيقة، واللوحات المرنة، واللوحات المرنة الصلبة، ومتى تُفيد تقنية HDI

يمكن لأجهزة تتبع اللياقة البدنية استخدام لوحة متعددة الطبقات رقيقة وصلبة عندما تتناسب الإلكترونيات مع الهيكل المركزي. قد يربط نظام التوصيل المرن الشاشة، والأزرار الجانبية، ومنافذ الشحن، أو لوحة المستشعر المواجه للمعصم. يمكن للتوصيل المرن الصلب تقليل عدد الموصلات والسماكة حيثما تستفيد البنية الميكانيكية. لا ينبغي افتراض استخدام أي من هذه التقنيات لمجرد أن المنتج قابل للارتداء.

تُصبح تقنية HDI مفيدة عندما تجعل قيود المساحة أو دقة تباعد مكونات BGA استخدامَ التوصيلات التقليدية عبر الثقوب غير عملي. يمكن للثقوب الدقيقة والثقوب المدمجة في الوسادات تحسين كثافة التوصيلات، لكنها تزيد من تعقيد عملية التصنيع. ينبغي على فريق التصميم مقارنة حزمة أكبر قليلاً أو وضع مكونات مختلف قبل اعتماد تقنية HDI لمجرد المظهر.

ينبغي أن يستخدم النموذج الأولي والإنتاج الكمي نفس التصميم المُعتمد في أقرب وقت ممكن. يمكن للوحة تقييم سميكة وصلبة إثبات فعالية البرامج الثابتة، لكنها لا تكشف الكثير عن الهوائي أو المحاذاة البصرية أو مقاومة الانحناء للجهاز القابل للارتداء في الإنتاج. يُعدّ اختبار التحقق من التصميم/الأجهزة التجريبية المُخصصة للإنتاج أمرًا ضروريًا قبل الانتهاء من تصميم الأدوات واختبار الموثوقية.

لوحة الدوائر المطبوعة لتتبع اللياقة البدنية: مستشعرات BGA/QFN/LGA، شاشة عرض، وتقنية اللمس

تستخدم التجميعات القابلة للارتداء عادةً حزم QFN أو BGA لوحدات التحكم الدقيقة/الأنظمة على رقاقة (MCU/SoC)، ومستشعرات القصور الذاتي الصغيرة من نوع LGA، ووحدات بصرية، وموصلات عرض FPC، ومكونات سلبية مصغرة. وتختلف مخاطر تجميعها. تتطلب الحزم ذات النهايات السفلية تحكمًا دقيقًا في حجم المعجون الحراري، بينما تحتاج الموصلات المرنة إلى محاذاة ودعم ميكانيكي. أما المستشعرات البصرية، فتحتاج إلى نوافذ نظيفة وتوجيه دقيق.

الأجهزة الحساسة للرطوبة وإعادة التدفق

يجب أن تتم معالجة المكونات وفقًا لمتطلبات الشركة المصنعة فيما يتعلق بالرطوبة وإعادة التدفق. قد تتعرض اللوحات الرقيقة للتشوه أثناء التسخين، خاصةً عند عدم انتظام توزيع النحاس. يمكن لقضبان تثبيت اللوحة وتجهيزات الدعم تحسين استواء اللوحة لتسهيل الطباعة والتركيب. في حال وجود قسم مرن، قد تحتاج لوحة التجميع إلى تقوية مؤقتة أو أدوات تثبيت.

محرك الاهتزاز

المحرك اللمسي بسيط كهربائيًا ولكنه ذو تأثير ميكانيكي كبير. فهو يسحب نبضة تيار كهربائي، وقد يُحدث تداخلًا مغناطيسيًا أو اهتزازيًا مع أجهزة الاستشعار. لذا، يجب أن تُوجّه اللوحة والعلبة تيار المحرك بعيدًا عن نقاط التلامس الحساسة، وأن توفر حماية للأسلاك أو الموصلات من الإجهاد. يجب أن يُشغّل اختبار الأداء المحرك، لأن أي توصيل خاطئ قد يُفشل جميع اختبارات أجهزة الاستشعار الرقمية.

موصل الشاشة

يُعدّ توجيه كابلات الدوائر المرنة (FPC) من المخاطر الشائعة في الإنتاج. يجب أن تُظهر رسومات التجميع جانب إدخال الكابل، وموضع الدبوس الأول، وموضع المزلاج. ينبغي أن تحافظ إشارات العرض عالية السرعة على مسارها المرجعي عبر مخرج الموصل، ويجب ألا يُضيف قسم تصميم التصنيع (DFM) وصلات اختبار كبيرة إلى المسارات الحساسة للتوقيت.

تفتيش

يمكن لتقنية الفحص البصري الآلي (AOI) الكشف عن اللحام المرئي والقطبية. ويمكن استخدام الأشعة السينية لفحص الوصلات المخفية في BGA/QFN/LGA عند الضرورة. وقد تتطلب نوافذ المستشعرات البصرية فحصًا منفصلاً للتلوث. ينبغي أن تستند خطوات الفحص هذه إلى المخاطر الفعلية للتغليف بدلاً من إدراجها بشكل عشوائي لكل لوحة قابلة للارتداء.

موثوقية الأجهزة القابلة للارتداء: مقاومة العرق والرطوبة والصدمات والشحن اليومي

تتعرض أجهزة تتبع اللياقة البدنية لظروف بيئية أقسى من لوحات الاستشعار المكتبية. فقد يصل العرق والتكثيف إلى المكونات الإلكترونية في حال تلف موانع التسرب. كما تتعرض هذه الأجهزة للسقوط، والانحناء عند المعصم، وتغيرات درجات الحرارة، والشحن المتكرر. صحيح أن تصميم وتجميع لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) يُحسّنان من متانتها، إلا أن الغلاف الخارجي يبقى الحاجز البيئي الأساسي.

طلاء مطابق

قد يحمي الطلاء دوائر مختارة من الرطوبة أو التلوث، ولكن يجب تغطيته بعيدًا عن الموصلات، ونقاط الشحن، والهوائيات، والمستشعرات الضوئية، ونقاط الاختبار حسب الحاجة. يؤثر سمك الطلاء وتركيبه الكيميائي على إعادة العمل وسلوك الترددات اللاسلكية/الضوئية. ينبغي تحديد ذلك في تصميم المنتج، وليس إضافته تلقائيًا لمجرد أن المنتج قابل للارتداء.

دعامة الموصل ووصلة اللحام

يجب دعم نقاط التلامس الخاصة بالشحن، وموصلات USB في بعض التصاميم، وأسلاك المحرك ميكانيكيًا لضمان عدم تحميل قوة المستخدم اليومية بالكامل على وصلات اللحام الدقيقة. كما يجب تجنب الانحناءات الحادة عند حواف الدعامات في وصلات الانحناء المرنة. ويُعد اختبار السقوط والالتواء على مستوى المنتج ضروريًا للتحقق من صحة هذه الهياكل.

التآكل والمخلفات

يمكن أن تُسرّع الرواسب الأيونية من التآكل في وجود الرطوبة. لذا، ينبغي أن تتناسب متطلبات التنظيف مع المخاطر البيئية للمنتج وتوافق أجهزة الاستشعار والموصلات. ولا يعني تصنيف التدفق بأنه "لا يحتاج إلى تنظيف" بالضرورة أن المجموعة مناسبة لكل تطبيق قابل للارتداء في بيئة رطبة؛ بل يجب على الشركة المصنعة الأصلية تحديد عملية التنظيف المقبولة.

محركات تكلفة لوحة الدوائر المطبوعة لأجهزة تتبع اللياقة البدنية وتخطيط مرحلة النموذج الأولي إلى الإنتاج

لا تمثل لوحة الدوائر المطبوعة الأساسية سوى جزء واحد من تكلفة الأجهزة القابلة للارتداء. فقد تهيمن عليها المستشعرات البصرية، ونظام BLE SoC، والشاشة، والبطارية، وبنية الكابل المرن، وتكاليف اختبار الأجهزة. لذا، ينبغي أن يراعي خفض التكلفة إجمالي عملية التجميع والإنتاجية بدلاً من التركيز على تقليل عدد الطبقات إلى أدنى حد ممكن.

ينبغي أن تتحقق النماذج الأولية من محاذاة العدسات، وأداء تقنية البلوتوث منخفض الطاقة على المعصم، وعمر البطارية، وحرارة الشحن، وتيار وضع السكون، وملاءمة الهيكل. أما النماذج التجريبية، فينبغي أن تُحكم عملية تجميع الألواح، والتشكيل المرن، والطلاء/التغطية، والبرمجة، وتجهيزات الاختبار. بعد ذلك، تركز عمليات الإنتاج بكميات كبيرة على استمرارية قائمة المواد، والموافقات البديلة، وإمكانية التتبع، وإنتاجية العملية.

تستحق البدائل المعتمدة مراجعة هندسية، لأن مكونات الأجهزة القابلة للارتداء التي تبدو مكافئة قد تُغير من ارتفاع العبوة، أو استهلاك الطاقة، أو سلوك الترددات اللاسلكية، أو الاستجابة البصرية. إن إدخال بديل مُتحكم به خلال دفعة تجريبية أكثر أمانًا بكثير من الاستبدال التلقائي في حالة نقص الكمية.

غالباً ما يتم تجاهل وقت الاختبار كعامل مؤثر في التكلفة. يمكن لجهاز يقوم ببرمجة البرامج الثابتة، وقياس تيار وضع السكون، واستطلاع أجهزة الاستشعار، وفحص الشحن، والتحقق من تقنية البلوتوث منخفض الطاقة (BLE) في تسلسل آلي واحد أن يبرر تكلفة تطويره بسرعة مقارنةً بالفحص اليدوي لكل وحدة.

كيفية اختيار شركة مصنعة لتجميع لوحات الدوائر المطبوعة لأجهزة تتبع اللياقة البدنية

ينبغي أن يكون شريك التصنيع على دراية بتجميع أجهزة الاستشعار المصغرة، والتعامل مع الوصلات المرنة، والتحكم في تغييرات الطاقة المنخفضة/الترددات اللاسلكية، ولكن لا ينبغي له تحمل مسؤولية خوارزميات القياسات الحيوية أو دقة سلامة المنتج النهائي. تحافظ أفضل علاقة مع المورد على وضوح الحدود: يحدد قسم الهندسة نظام القياس والترددات اللاسلكية؛ بينما يحافظ قسم التصنيع على التصميم المعتمد ويتحقق من التجميع وفقًا لاختبارات محددة.

• تصنيع متعدد الطبقات رقيق، مرن أو صلب-مرن يتناسب مع البنية المحررة.
• إمكانية استخدام تقنية HDI/microvia عندما يتطلب التوجيه الدقيق ذلك فعلاً.
• تجميع موصلات BGA/QFN/LGA وFPC مع فحص مناسب للمخاطر.
• مصادر مُتحكم بها لمكونات المستشعر البصري، ونظام BLE SoC، وPMIC، ومكونات مطابقة الترددات اللاسلكية.
• البرمجة، وقياس تيار النوم، واختبار وظائف المستشعر/تقنية البلوتوث منخفض الطاقة (BLE) المحدد من قبل العميل.
• نقل العمليات من النماذج الأولية إلى الإنتاج المتكرر باستخدام قائمة المواد والتحكم في المراجعة.

حزمة طلب عرض الأسعار

بإمكان شركة هايليب للإلكترونيات مراجعة هذه الحزمة لتصنيع لوحات الدوائر المطبوعة، وتوريد المكونات، وتقديم عرض أسعار لتجميع لوحات الدوائر المطبوعة. والهدف هو الحفاظ على هندسة المستشعر المعتمدة، وبنية الطاقة المنخفضة، وتصميم الترددات اللاسلكية، وعملية التجميع مع زيادة الكميات، دون إضافة تعقيدات تصنيعية لا يحتاجها المنتج.

الأسئلة الشائعة

ينبغي التأكد من متطلبات التصنيع مقابل ملفات التصميم الصادرة، ومواصفات مصنعي المكونات، ومتطلبات التحقق أو المتطلبات التنظيمية المعمول بها للمنتج النهائي.