PCBs Llevadas al Extremo: Cuando un Miligramo Importa

Adaptación de impedancias, disipación de calor, blindaje frente a interferencias, tamaño y forma suelen ser, entre otros muchos, requisitos de diseño que quitan el sueño a todo ingeniero de PCBs que se precie. Sin embargo, raramente se tiene en cuenta el peso del conjunto como factor limitante.

Veamos un ejemplo real en el que el peso fue, de hecho, la principal característica de diseño. Expondré asimismo algunos consejos para aligerar una PCB.

Caso real

En el Instituto de Neuroinformática (grupo de trabajo conjunto de la Universidad de Zúrich y del Instituto Politécnico Federal) dedican parte de su labor de investigación al estudio del proceso de aprendizaje del canto de los pájaros e intentan extrapolar estos resultados a otros procesos de aprendizaje más generales (como por ejemplo, cómo un bebé aprende a hablar). No entraré a analizar cómo lo hacen, pero sí diré que necesitan de la electrónica para recolectar datos. Es ahí donde les echamos una mano.

Para el lector curioso que quiera saber más, recomiendo encarecidamente visitar la página web del Instituto de Neuroinformática (en lengua inglesa) donde se explican los métodos empleados. Es, simple y llanamente, interesantísimo.

Requisitos de diseño

La especie de ave en la que se pretendía realizar el estudio es el diamante cebra o diamante mandarín (zebra finch en lengua inglesa, nombre científico Taeniopygia guttata). Más información acerca del mismo, aquí.

Diamante cebra (Fuente)

Varios de estos pájaros se encuentran en un recinto cerrado de unos pocos metros cuadrados donde se pueden mover libremente.

Pretendemos crear un dispositivo electrónico que se pueda colocar a la espalda de cada uno de los ejemplares y que envíe las vibraciones del canto del mismo a un receptor en el exterior del recinto. Así podremos discernir qué canto corresponde a qué individuo.

La electrónica en sí no es complicada. Necesitamos un micrófono / acelerómetro que registre las vibraciones y un procesador / transmisor de Bluetooth Low Energy que las transmita a través de una antena, todo alimentado por una pila. Hasta aquí bastante estándar.

El problema viene tras consultar con el biólogo del grupo: es fundamental que la electrónica no afecte al comportamiento del pájaro (y que le permita volar) para lo cual, no puede superar el peso de 1.5 gramos. Es el límite a partir del cual el pájaro notaría un peso a su espalda, condicionando su forma de actuar.

Montaje

Una pequeña lámina de plástico situada a la espalda del pájaro a modo de mochila servirá de soporte para el aparato electrónico, que irá “pegado” a la misma. El acelerómetro deberá estar en contacto directo con el cuerpo del pájaro, por lo cual, su posición tiene que ser fija.

Además, el dispositivo tendrá limitación de tamaño en el plano X-Y, de tal manera que no moleste al pájaro cuando bata las alas. En el plano Z tendremos algo de margen de maniobra.

Cómo reducir el peso al máximo

Cuando nos pusimos manos a la obra, trabajamos bajo las siguientes premisas:

• El material de construcción de la PCB deberá ser flexible y del menor grosor posible. El hecho de ser flexible nos da dos ventajas vitales frente a una solución rígida: por un lado es más ligera y por el otro nos permite explotar la dimensión Z mediante dobleces.
• Usaremos espesores de cobre lo más pequeños posible. 1 centímetro cúbico de cobre pesa aproximadamente 9 gramos. Muy por encima de los 1.42 gramos por centímetro cúbico de la poliamida. Se aprecia claramente que el cobre es uno de los elementos que más peso aportan a la PCB.
• Usaremos el mínimo número de capas posible. En el caso concreto de nuestro diseño, no pudimos constreñirlo a 2, así que lo escalamos a 3 (necesitábamos un plano de tierra entre ambas capas de señal). El hecho de usar un número impar de capas no es muy ortodoxo, puesto que la cuarta capa habría sido “gratis”, pero el requisito del peso así nos lo exigió.
• El plano de tierra en la capa intermedia deberá ser tan ligero como sea posible, siempre sin afectar a la calidad de la señal. Nos decantamos por usar un hatched polygon.

Altium nos permite crear y configurar hatched polygons de manera muy sencilla

• Respecto a los componentes, elegiremos el encapsulado más pequeño posible para cada uno de ellos. Es común que el fabricante ofrezca el mismo chip en varios empaquetados diversos, para distintos niveles de integración. Nos quedaremos con el menor (el más ligero).
• Reducir al máximo el consumo del dispositivo. Un menor consumo implica una pila más pequeña y ligera.

Respecto a este último punto, nos encontramos con la limitación de que la batería (de botón) debe ser de un tipo en concreto para satisfacer las necesidades de consumo del aparato. El peso de la pila por si sola era ya de algo menos de 1 gramo. El uso de un porta baterías era inviable por la cantidad de peso que añadía, así que ideamos una solución consistente en crear un hueco (cutout) parcialmente metalizado en la PCB donde la pila irá insertada y encolada.

Evidentemente, esto supone que el riesgo de rotura de la tarjeta durante el reemplazo de baterías es alta si no se realiza con cuidado por un técnico especialista. 

Así pues, el conjunto PCB y componentes (excluyendo la pila) no debía superar los 0.5 gramos. Un auténtico desafío.

Conclusiones

Ciñéndonos a las directrices del punto anterior, y tras varias versiones y rediseños, conseguimos alcanzar un peso aproximado final de 1.25 gramos (bastante inferior a los 1.5 gramos que teníamos fijados como límite).

Secuencia de rediseños

Aspecto del diseño final donde se observan los pliegues en el eje Z

Aspecto de la tarjeta ya ensamblada

En este artículo he presentado una serie de directrices (tomando como ejemplo un caso concreto y real de diseño) que son válidas como norma general para cualquier otro proyecto en que el peso sea un factor limitante.