يمكن الآن إنتاج لوحات دارات كهربائية بدون لحام. ويشمل هذا الإنجاز حلاً لمشكلة النفايات الإلكترونية من خلال سهولة تركيب العناصر الكهربائية السطحية SMD وإعادة استخدامها لاحقاً في صناعة لوحات أخرى.
أصبحت العديد من المكونات الإلكترونية الآن رخيصة الثمن لدرجة أنه يمكن التخلص منها دون الحاجة لإعادة تدوير. ولكن مجرد كون التخلص من الأجزاء السليمة منطقيًا اقتصاديًا لا يعني صحة التخلص منها.
هذا اعتبار يُطرح كثيرًا في تصميم النماذج الأولية، حيث تُنتج إصدارات تجريبية اختبارية من الأجهزة والداوئر الكهربائية بسرعة لاختبار وظائف بعض الأجهزة. ولكن في واقع الأمر فإن إزالة اللحام عن عناصر الدارات الالكترونية الصغيرة من نوع SMD مثل المقاومات السطحية SMD أو المكثفات أو الترانزستورات يستغرق وقتًا طويلاً، لذا فإن الجهد المبذول في إعادة استخدام عناصر الدائرة الكهربائية قد لا يكون مُجديًا.
في الماضي، عندما كانت العناصر الالكترونية كبيرة الحجم تستخدم في صناعة اللوحات الالكترونية، كانت اللوحة تثقب للجهة الأخرى من أجل تركيب أرجل القطعة الالكترونية عليها ومن ثم يوضع اللحام على الطرف الآخر. كان من الممكن إنشاء نموذج أولي باستخدام لوحة تجارب وإعادة استخدام المكونات بسهولة بمجرد رفعها عن اللوحة عند الانتهاء. ولكن ليس هذا هو الحال مع العناصر السطحية SMD، حيث من المرجح أن ينتهي المطاف بالعديد منها كنفايات إلكترونية.
حيث أن التقارير الصادرة من الأمم المتحدة تقدر أن أكثر من 60 مليون طن من النفايات الإلكترونية تُنتج سنويًا، وهذه في حقيقة الأمر مشكلة كبيرة بحق البيئة. تلك النفايات الإلكترونية تحتوي على عدد من المواد الكيميائية السامة، والتي يمكن أتهدد السلامة البيئة لكوكبنا الجميل.
ابتكر بعض الباحثين المبدعين في جامعة ماريلاند، كوليدج بارك (University of Maryland, College Park)، ما يشبه لوحة توصيل اختبارية عصرية.
يُمكّن نظامهم، المسمى SolderlessPCB، من ربط المكونات السطحية بلوحة الدوائر المطبوعة (PCB) دون الحاجة إلى لحام. حيث يتم استخدام لوحة مخصصة توضع عليها العناصر السطحية ثم توضع فوقها الدارة المطبوعة، بحيث تكون أرجل العناصر الكهربائية تمامًا في مكانها على الدارة المطبوعة.
ثم تشد اللوحتين باستخدام البراغي. وبهذا يتم تجربة الدارة الكهربائية ومن ثم إعادة فك البراغي وإزالة العناصر الالكترونية من أجل الاستخدام مرة أخرى في تجارب أخرى.
الصورة التالية توضح الدائرة المطبوعة (على اليمين) ودائرة SolderlessPCB التي تثبت عليها العناصر:
الصورة التالية توضح تثبيت الدائرتين فوق بعضهما ببراغي:
إزالة العناصر الالكترونية من مكانها من أجل إعادة الاستخدام في مشاريع أخرى:
تحتاج هذه الطريقة من أجل تنفيذها صناعة غلاف مخصص مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، يتوافق مع تصميم لوحة الدوائر المطبوعة. يحتوي الغلاف على عدد من التجاويف، كل تجويف مخصص لعنصر الكتروني واحد سيتم توصيله باللوحة المطبوعة لاحقاً.
يمكن أن تختلف المكونات بين عناصر الكترونية بسيطة ثنائية الأرجل مثل المقاومات السطحية SMD أو المكثفات إلى أي نوع من أنواع الدوائر المتكاملة أو المعالجات المدمجة، وحتى المكونات غير القياسية مثل مثبتات البطاريات كما في الدارة التي في التجربة. يُمثل كل نمط من هذه المكونات تحديات كثيرة في تحقيق توصيل كهربائي جيد، وقد تعامل فريق التصميم مع هذه التحديات بطرق متنوعة. على سبيل المثال، تختلف المكونات ثنائية الأرجل بشكل طفيف في ارتفاعاتها. ولحل هذه المشكلة، وُضعت ألسنة مرنة في التجاويف لضمان ضغط كافٍ على العنصر للتغلب على هذه الاختلافات وضمان اتصال كهربائي جيد بلوحة الدوائر المطبوعة.
لتبسيط عملية تصميم أغلفة العناصر الالكترونية المختلفة، أُنشئت مكتبة مكونات لبرنامج Autodesk Fusion 360. وفيها شرحٌ بسيط لخطوات استخدام هذه المكتبة وإنشاء كلٍّ من الغلاف ولوحة الدوائر المطبوعة في مستودع GitHub الخاص بالفريق.
عند طباعة الغلاف، يجب الانتباه إلى أن البلاستيك أو الراتنجات القياسية لن تكون جيدة نظرًا لتمتعها ببعض المرونة. لهذا ينصح الباحثون باستخدام خليط بنسبة 3:2 من راتنج UV صلب وراتنج UV مرن. وهو ما سيفي بالغرض ويجعها أكثر تماسكاً.
أُجريت سلسلة من الاختبارات الكهربائية والميكانيكية لتقييم موثوقية مشروعSolderlessPCB. وتبين أنه يحافظ على توصيلات كهربائية جيدة بعد إسقاطه عدة مرات، وهذا يؤكد على موثوقية النظام في مشاريع النماذج الأولية.
مع ذلك، لا يزال هناك بعض العمل الذي يتعين القيام به لبدء استخدام SolderlessPCB على نطاق أوسع، لذا قد لا يكون من المنطقي استخدامه عند الحاجة إلى بعض النماذج الأولية فقط. ولكن في ظل اختبار العديد من الدارات الالكتروني، يمكن لـ SolderlessPCB توفير الوقت والمال، كما أنه يُجنبنا الوصول إلى كميات كبيرة من النفايات الالكترونية التي نحن بغنى عنها.