Materiali sottili e materiali flessibili: stiamo parlando della stessa cosa?

Raccontare "storie memorabili" sulle progettazioni di circuiti flessibili è una cosa che può offrire ore infinite di intrattenimento quando metti insieme un gruppetto di esperti di PCB. In realtà, sembra che le storie migliori abbiano tutte causato ore e ore di frustrazione, ma che una volta cessata la frustrazione, è stato possibile trovare un pizzico (o una valanga) di humor sulla situazione e un po' di chiarezza sulla lezione imparata. Oggi, vi parlerò di una storia memorabile che mi hanno raccontato non tanto tempo fa e della lezione imparata sulla selezione dei materiali flessibili.

Perché questo circuito flessibile non sta funzionando adeguatamente?

Partendo da basi inadeguate, l'OEM, una startup medica, stava sviluppando la sua prima applicazione "indossabile". Il prodotto non era uno smartwatch o un'applicazione di tipo fitbit, ma un apparecchio che doveva essere fissato agli abiti del paziente e indossato per monitorare una condizione specifica e trasmettere i dati alla struttura medica. Il team di sviluppo prese la decisione di progettare un circuito flessibile per questa applicazione per sfruttarne le caratteristiche di sottigliezza e leggerezza. Si trattava della prima progettazione di circuiti flessibili per questo gruppo di sviluppo, e nessuno nel team aveva avuto esperienze precedenti con progetti o materiali flessibili. In realtà, il team aveva pochissima esperienza nella progettazione di PCB in generale. 

È da qui che è iniziata la "storia memorabile" o, per meglio dire, la serie di passi falsi. Piuttosto che lavorare con i materiali flessibili basati su poliimmide tradizionali, fu deciso di usare materiali rigidi caratterizzati da un core sottile. La logica dietro questa decisione era che i materiali FR4 avevano un core sottile 0,002"/0,003", erano ampiamente disponibili in commercio, e ciò avrebbe eliminato la preoccupazione del lead-time o dei requisiti di acquisto minimo elevati, erano caratterizzati da un'elevata robustezza e, cosa altrettanto importante, erano i materiali con cui il team aveva più familiarità.

La prima versione della progettazione è stata la costruzione di un materiale FR4 rigido di 0,003" con una maschera di saldatura flessibile. In campo c'erano problemi prestazionali con guasti intermittenti. Vennero quindi apportate delle piccole modifiche continuando a usare gli stessi materiali. Sfortunatamente, con risultati simili. Nella fase di risoluzione dei problemi, venne realizzata un'intersezione del PCB che mostrò la presenza di fratture nei materiali rigidi del core. Immagino che stiate pensando che era ovvio che i materiali rigidi si sarebbero fratturati. Ma la cosa divertente di queste storie è che con il senno di poi è tutto ovvio.

La versione successiva della progettazione fu realizzata usando un coverlay a base di Kapton per ridurre il problema. Sono certa che sappiate già che il circuito non funzionò e che continuò a mostrare fratture nel materiale del core. Vorrei poter dire che quella fu la versione finale con materiali con core rigido, ma in realtà ne fu realizzata un'altra.

Alla fine, il circuito fu riprogettato con materiali con base flessibile e coverlay e finalmente funzionò come doveva. Eureka! Immagino che al team sia servito un po' di tempo per cogliere il lato comico della storia. Per arrivare a quel punto sono stati spesi tanto tempo, denaro e risorse.

Come si sarebbe potuto evitare?

Credo che a questa storia "del flessibile che non fletteva" abbiano contribuito alcuni fattori insoliti.  Innanzitutto, come detto prima, il team non solo non aveva esperienza con la progettazione di circuiti flessibili e con i relativi materiali, non aveva nemmeno molta esperienza con i PCB. Per i design rigidi precedenti, collaboravano con un'officina meccanica che si era offerta di aiutarli sia con i PCB che con altri lavori di cui si stavano occupando. Anche la fonderia non aveva molta esperienza con i PCB. Nell'insieme, la conoscenza sui materiali e sull'uso degli stessi era insufficiente. Se la progettazione con materiali rigidi con core sottile e con una maschera di saldatura flessibile fosse stata rivista da un produttore di PCB, alcuni campanelli d'allarme avrebbero suonato. Se la progettazione con materiali rigidi e coverlay in Kapton fosse stata rivista da un produttore di PCB, TUTTI i campanelli di allarme avrebbero suonato e avrebbero dato il via a una lunga serie di domande e discussioni approfondite.   

C'era inoltre la convinzione che i materiali rigidi fossero più pratici da reperire e avessero un costo inferiore rispetto ai materiali flessibili. Quando fa presa la decisione di passare ai materiali flessibili e la progettazione fu esaminata da un produttore specializzato in materiali flessibili, scoprirono che il prezzo di questo tipo di materiali era leggermente inferiore rispetto al prezzo che stavano pagando all'officina per la progettazione del PCB rigido. I materiali flessibili sono più costosi dei materiali rigidi, ma in questo caso, il produttore aveva acquistato una quantità sufficiente di materiale da poter offrire uno sconto sul volume abbassando il costo dell'opzione flessibile. Lezione imparata.

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Che cosa possiamo apprendere da questa storia memorabile?

Un consiglio che sentiamo ripetutamente dai produttori di materiali rigidi-flessibili e flessibili è quello di collaborare fin dalle prime fasi della progettazione con i propri produttori per confrontarsi sulla creazione e per ricevere consigli e feedback su come rendere flessibile la progettazione. In questo caso, la startup stava sì collaborando con il suo produttore, ma non si era assicurata che il produttore selezionato conoscesse i materiali flessibili e rigidi e sapesse come lavorarli. Il set di materiali è diverso, la lavorazione e la gestione del materiale richiede una conoscenza specialistica e la progettazione con materiali flessibili è più complessa rispetto a quella a cui siamo abituati con i materiali rigidi.

 Qual è il lato umoristico della storia? Come mi è stato detto, la cosa più comica è stata "ovviamente i materiali rigidi si sarebbero rotti, il fatto che siano sottili non significa che siano anche flessibili". Ovviamente, tutto sembra chiarissimo con il senno di poi.

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