Flexible Leiterplatten herstellen

Das Erzählen von „Kriegsgeschichten“ über flexible Schaltungsdesigns ist etwas, das endlose Stunden der Unterhaltung bieten kann, wenn man einen Haufen „unbedarfter“ PCB-Leute zusammenbekommt. Tatsächlich scheint es, dass die besten dieser Geschichten alle zahllose Stunden der Frustration verursachen, während man mittendrin in ihnen ist, aber wenn diese Frustration nachlässt, scheinen wir in der Situation sowohl etwas (oder viel) Humor als auch Klarheit über die gelernte Lektion finden zu können. Heute erzähle ich eine Kriegsgeschichte, die mir neulich erzählt wurde, und die Lektion, die über die Auswahl flexibler Materialien gelernt wurde.

Warum funktioniert diese flexible Schaltung nicht richtig?

Mit einem kleinen Hintergrund beginnend, der OEM, ein medizinisches Startup-Unternehmen, entwickelte seine erste „tragbare“ Anwendung. Das Produkt war keine Smartwatch oder Fitbit App, sondern eher etwas, das an der Kleidung des Patienten befestigt und getragen wurde, während ein bestimmter Zustand überwacht und die Daten zurück an die medizinische Einrichtung übermittelt wurden. Das Entwicklungsteam traf die Entscheidung, eine flexible Schaltung für diese Anwendung zu entwerfen, um ihre dünnen und leichten Eigenschaften auszunutzen. Dies war das allererste flexible Schaltungsdesign für diese Entwicklungsgruppe, und es gab niemanden im Team, der Erfahrung hatte mit flexiblem Design oder flexiblen Materialien. Tatsächlich hatte das Team im Allgemeinen kaum Erfahrung mit PCB-Design. 

Hier ist, wo die „Kriegsgeschichte“, oder vielleicht genauer ausgedrückt, die Serie von Fehltritten beginnt. Anstatt mit den herkömmlichen flexiblen Materialien auf Polyimidbasis zu arbeiten, wurde die Entscheidung getroffen, stattdessen starre Dünnkern-Materialien zu verwenden. Die Logik ist, dass FR4-Materialien mit einem dünnen Kern von 0,002“/0,003“ erhältlich waren, FR4 im Handel erhältlich ist, wodurch die Sorge um die Vorlaufzeit oder hohe Mindestanforderungen entfällt, das Material robust ist, und ebenso wichtig, dies die Materialien waren, mit denen sie am meisten vertraut waren.

Die erste Version dieses Designs wurde mit starrem FR4-Material von 0,003“ mit flexibler Lötstoppmaske gebaut. Vor Ort gab es Leistungsprobleme mit zeitweiligen Ausfällen. Es wurde eine leichte Überarbeitung vorgenommen, wieder mit denselben Materialien. Leider mit demselben Ergebnis. Mit fortschreitender Problemlösung wurde ein Querschnitt der PCB gemacht, und dieser zeigte Risse in den starren Kernmaterialien. Ich stelle mir vor, Sie lesen dies und denken, „natürlich“ ist das starre Material gerissen. Aber das ist das Lustige an diesen Geschichten, im Nachhinein ist es immer so klar.

Die nächste Version des Designs wurde mit Kapton-basierter Decklage hergestellt, um dieses Problem zu reduzieren. Wie Sie sicher voraussagen, war die Schaltung wieder nicht leistungsfähig und hatte wieder Risse im Kernmaterial. Ich wünsche ich könnte sagen, das war die letzte Version mit starren Kernmaterialien, aber es gab eine weitere Version, die mit dieser Konstruktion gebaut wurde.

Schließlich wurde die Schaltung mit flexiblen Basismaterialien und flexibler Decklage überarbeitet und wie beabsichtigt realisiert. Erfolg! Ich vermute, dass es eine Weile dauerte, bis dieses Team diese Geschichte witzig fand. Viel Zeit, Geld und Ressourcen wurden verbraucht, um an diesen Punkt zu kommen.

Wie hätte dies vermieden werden können?

Ich denke, dass einige unübliche Faktoren vorhanden waren, die zu dieser „Flexibel, das nicht flexibel war-Geschichte“ beitrug.  Erstens, wie ich erwähnte, hatte dieses Team nicht nur keine Erfahrung mit flexiblem Schaltungsdesign, es hatte überhaupt keine große Erfahrung mit PCBs. Bei den vorhergehenden starren Designs arbeiteten sie mit einer Maschinenwerkstatt zusammen, die anbot, mit der PCB, zusammen mit anderer Arbeit, die sie ausführten, zu helfen. Die Gießerei hatte ebenfalls keine große Erfahrung mit PCBs. Insgesamt war nicht viel Know-how über Materialien und Materialeinsatz vorhanden. Wäre das Design mit starren Dünnkern-Materialien und flexibler Lötstoppmaske von einem PCB-Hersteller überprüft worden, wären rote Flaggen gezeigt worden. Wäre das Design mit starren Materialien und Kapton-Decklage von einem PCB-Hersteller überprüft worden, hätten ALLE Alarmglocken geläutet, was zu vielen Fragen und ausführlichen Besprechungen geführt hätte.   

Es wurde außerdem angenommen, dass starre Materialien schneller verfügbar und kostengünstiger wären als flexible Materialien. Nachdem die Entscheidung gefallen war, auf flexible Materialien umzusatteln und das Design von einem auf flexible Materialien spezialisierten Verarbeiter berechnet wurde, lag es etwas unter dem Preis, den sie der Maschinenwerkstatt für das starre PCB-Design bezahlt hatten. Flexible Materialien sind teurer als starre Materialien, aber in diesem Fall kaufte der Flex-Verarbeiter genügend Material, auf das ein Mengenrabatt gegeben wurde, und die Flex-Option war preiswerter. Lektion gelernt.

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Welchen Tipp kann diese Geschichte geben?

Ein Rat, den wir von Verarbeitern von flexiblem Material und von Verarbeitern von starr-flexiblem Material immer wieder hören, ist, mit Ihren Verarbeitern in einem frühen Stadium des Designs zur Erstellung des Lagenaufbaus, zur Überprüfung und zur Beratung darüber, wie Ihr Design „flexibel“ gestaltet werden kann, zusammenzuarbeiten. In diesem Fall arbeiteten sie mit ihrem Verarbeiter zusammen, was Anlass zu der Warnung gibt, sich zu vergewissern, dass der Verarbeiter, den Sie ausgesucht haben, mit flexiblen und starr-flexiblen Materialien vertraut ist und weiß, wie sie verarbeitet werden. Der Materialsatz ist unterschiedlich; die Verarbeitung und Handhabung des Materials erfordert Fachwissen, und das Design für flexible Materialien ist komplexer als das, was wir bei starren Materialien gewohnt sind.

 Also, wo ist der Witz in der Geschichte? Als sie mir erzählt wurde, war der größte Lacher „natürlich würden starre Materialien reißen, nur weil sie dünn sind, bedeutet das nicht, dass sie flexibel sind“. Nun ...... ja, natürlich. Im Nachhinein scheint alles so klar zu sein.

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