¿Son flexibles todos los materiales finos?

Contar «batallitas» sobre los diseños de circuitos flexibles es algo que puede proporcionar infinitas horas de entretenimiento cuando se reúne un grupo de «frikis» de las PCB. De hecho, parece que las mejores historias han ocasionado incontables horas de frustración, pero en cuanto esa frustración va desapareciendo, es posible encontrar tanto un poco (o mucho) de humor en la situación como claridad en la lección aprendida. Hoy voy a contar una batallita que me contaron hace poco y la lección aprendida sobre la selección de materiales flexibles.

¿Por qué no funciona bien este circuito flexible?

Comenzaré con un poco de contexto, el OEM, una nueva empresa médica, estaba preparando su primera aplicación portátil. El producto no era un reloj inteligente, ni una aplicación de tipo fitbit, sino que era algo que un paciente iba a llevar puesto en su ropa para controlar una enfermedad concreta y transmitir los datos recopilados al centro médico. El equipo de desarrollo tomó la decisión de diseñar un circuito flexible para esta aplicación a fin de sacar el máximo provecho de sus características finas y ligeras. Este iba a ser el primer diseño de circuito flexible para este grupo de desarrollo, y nadie en el equipo tenía experiencia con materiales o diseños flexibles. De hecho el equipo tenía muy poca experiencia con el diseño de PCB en general. 

Aquí es donde comienza la «batallita», o tal vez sea mejor llamarlo la serie de equivocaciones. En lugar de trabajar con los materiales flexibles tradicionales de poliimida, se tomó la decisión de usar materiales rígidos de grosor fino. La lógica de esa decisión era que los materiales FR4 estaban disponibles con grosores finos de 0,002”/ 0,003”, eran fáciles de encontrar en el mercado, lo que eliminaba la preocupación de los plazos de entrega o la exigencia de hacer una compra mínima de gran volumen, son unos materiales resistentes y, lo que es también muy importante, eran los materiales con los que estaban más familiarizados.

La primera versión de este diseño se construyó usando material FR4 rígido de 0,003” con máscara de soldadura flexible. En las pruebas se produjeron problemas de rendimiento con fallos intermitentes. Se realizó un ligero rediseño usando de nuevo estos mismos materiales. Desafortunadamente el resultado fue el mismo. Según avanzaba el proceso de resolución de problemas, se hizo una sección transversal de la PCB que mostró grietas en los materiales rígidos. Me imagino que al leer esto estás pensando que «por supuesto» el material rígido se agrieta. Pero eso es lo divertido de estas historias, a posteriori todo es siempre tan obvio...

La siguiente versión del diseño se creo usando un recubrimiento a base de Kapton para atenuar este problema. Como seguramente ya prevés, el circuito otra vez no funcionaba bien y de nuevo aparecieron grietas en el material. Ojalá pudiera decir que esa fue la versión final con materiales rígidos, pero todavía se hizo una versión más con esta construcción.

Finalmente el circuito se volvió a diseñar con materiales de base flexibles y un recubrimiento, y esta vez sí que funcionó de la manera debida. ¡Todo un éxito! Me imagino que el equipo tardó tiempo en encontrarle la gracia a la historia. Antes de llegar a este punto fue necesario invertir mucho tiempo, dinero y recursos.

¿Cómo se podría haber evitado todo esto?

Creo que hubo varios factores inusuales que contribuyeron a esta «historia de flexibilidad inflexible».  En primer lugar, como ya mencioné, este equipo no solo no tenía experiencia con el diseño y los materiales de los circuitos flexibles, sino que tampoco tenía mucha experiencia con las PCB en general. En diseños rígidos anteriores habían colaborado con un taller que se ofreció a ayudarles con la PCB y otros trabajos que estaban haciendo. La fundición tampoco tenía mucha experiencia con las PCB. En conjunto, no había muchos conocimientos sobre materiales y su uso. Si un fabricante de PCB hubiese revisado el diseño con materiales rígidos de grosor fino y máscara de soldadura flexible, habrían saltado las alarmas. Si un fabricante de PCB hubiese revisado el diseño con materiales rígidos y recubrimiento de Kapton, TODAS las sirenas se habrían disparado, dando lugar a muchas preguntas y un detallado análisis.   

También se asumió que los materiales rígidos estarían más disponibles y tendrían un coste más bajo que los materiales flexibles. En cuanto se tomó la decisión de cambiar a materiales flexibles y un fabricante especializado en flexibles presentó el presupuesto, se dieron cuenta de que era algo más barato que el precio que habían pagado al taller por el diseño de PCB rígidas. Los materiales flexibles son más caros que los rígidos pero, en este caso, el fabricante de flexibles adquirió material suficiente como para recibir un descuento por volumen de compra haciendo así que la opción flexible fuese más barata. Lección aprendida.

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¿Qué consejos pueden extraerse de esta batallita? 

Un consejo que escuchamos repetidamente de los fabricantes de flexibles y rígido flexibles es colaborar con los fabricantes durante las primeras etapas de elaboración, para poder revisar y asesorar sobre cómo «flexibilizar» el diseño. En este caso, estaban colaborando con su fabricante, lo que da pie a la advertencia de asegurarse de que el fabricante seleccionado esté familiarizado con materiales flexibles y rígido flexibles, y su procesado. El conjunto de materiales es distinto; el procesado y la manipulación del material exige conocimientos especializados y el diseño con materiales flexibles es más complejo que el diseño al que estamos acostumbrados con materiales rígidos.

 Entonces, ¿dónde está la gracia de la historia? Cuando comenzaron a contármela, el chiste estaba en que «obviamente los materiales rígidos se agrietan, ser finos no significa que vayan a ser flexibles». En fin... Obvio, claro que sí. A posteriori todo está muy claro.

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