Czy wszystkie cienkie materiały są odpowiednie dla elastycznego obwodu drukowanego?

Opowiadanie „historii batalii” o projektowaniu elastycznych obwodów to coś, co może zapewnić wiele godzin rozrywki dla grona „maniaków” na punkcie płytek PCB. W rzeczywistości wygląda na to, że najlepsze z tych opowieści były przyczyną niezliczonych godzin frustracji, ale wydaje się, że gdy frustracja mija, udaje nam się znaleźć w danej sytuacji zarówno trochę (albo mnóstwo) humoru, jak i jasności w kwestii wyciągniętych wniosków. Dziś przedstawię historię batalii, którą niedawno usłyszałam i opowiem o nauczce w zakresie doboru elastycznego materiału.

Czemu ten obwód elastyczny nie działa prawidłowo?

Zacznijmy od zarysowania tła: producent OEM, firma start-up z branży medycznej, opracowywał swoje pierwsze urządzenie „do noszenia”. Nie był to smartwatch ani fitness tracker, ale raczej coś, co miało być przypięte do odzieży pacjenta w celu monitorowania określonego stanu i przesyłania danych do placówki medycznej. Zespół ds. rozwoju zadecydował o zaprojektowaniu elastycznego obwodu dla tego urządzenia, żeby wykorzystać jego niewielką grubość oraz małą masę. Miał to być zupełnie pierwszy projekt elastycznego obwodu dla tej grupy i w zespole nie było nikogo, kto miałby doświadczenie z projektami czy materiałami elastycznymi. W rzeczywistości zespół w ogóle miał znikome doświadczenie w projektowaniu płytek PCB. 

Tu zaczyna się „historia batalii”, choć może lepszym określeniem byłoby „seria błędów”. Zamiast pracować z tradycyjnymi materiałami elastycznymi na bazie poliamidu, zadecydowano o użyciu sztywnych materiałów z cienkim rdzeniem. Argumentacja była taka, że dostępne w handlu materiały FR4 mają rdzenie o grubości 0,002”/0,003”, co eliminuje obawy dotyczące czasu realizacji lub minimalnej wielkości zakupu, materiał jest wytrzymały i — co było równie istotne — z tymi materiałami mieli najwięcej do czynienia.

Pierwszą wersję projektu przygotowano na sztywnym materiale FR4 0,003” z elastyczną maską lutowniczą. W terenie pojawiły się problemy z działaniem urządzeń ze względu na przerywane występowanie usterek. Przygotowano niewielką korektę projektu i znowu zastosowano te same materiały. Niestety, rezultaty były podobne. W ramach diagnozowania problemu sprawdzono przekrój płytki PCB i okazało się, że sztywne materiały rdzenia są popękane. Wyobrażam sobie, że myślicie teraz, iż to „oczywiste”, że sztywny materiał pękał. Ale to właśnie zabawny aspekt tych historii, że po fakcie wszystko jest oczywiste.

Kolejną wersję projektu przygotowano z zastosowaniem powłoki na bazie kaptonu, żeby złagodzić ten problem. Jak z pewnością przewidujecie, obwód ponownie nie działał i materiał rdzenia znowu pękał. Chciałabym móc powiedzieć, że to była ostatnia wersja ze sztywnym materiałem rdzenia, ale powstała jeszcze jedna wersja tej konstrukcji.

Ostatecznie obwód został przeprojektowany, zastosowano elastyczne materiały płytki oraz powłoki i urządzenie działało prawidłowo. Sukces! Wyobrażam sobie, że trochę potrwało, zanim zespół uznał tę historię za komiczną. Dotarcie do tego punktu pochłonęło mnóstwo czasu, pieniędzy i zasobów.

Jak można było temu zapobiec?

Moim zdaniem wystąpiły pewne nietypowe czynniki, które przyczyniły się do tej historii o „giętkim materiale, który się nie uginał”.  Po pierwsze, jak już wspomniałam, zespół nie tylko nie miał doświadczenia z projektowaniem obwodów elastycznych i materiałami elastycznymi, ale w ogóle nie mieli oni zbyt dużego doświadczenia z płytkami PCB. Przy poprzednich projektach sztywnych obwodów współpracowali z warsztatem, który zaoferował pomoc w zakresie płytek PCB obok inny realizowanych tam prac. Odlewnia również nie miała wielkiego doświadczenia z płytkami PCB. Ich łączna wiedza o materiałach i zastosowaniach materiałów nie była zbyt duża. Gdyby projekt ze sztywnymi materiałami z cienkim rdzeniem i elastyczną maską lutowniczą został zweryfikowany przez producenta płytek PCB, zapaliłyby się czerwone lampki ostrzegawcze. Gdyby projekt ze sztywnymi materiałami i powłoką z kaptonu został zweryfikowany przez producenta płytek PCB, rozległyby się WSZYSTKIE dzwony i gwizdki alarmowe, budząc wiele pytań i zachęcając do dogłębnej dyskusji.   

Przyjęto również założenie, że sztywne materiały będą łatwiej dostępne i okażą się tańsze niż materiały elastyczne. Gdy już zapadła decyzja o zmianie materiałów na elastyczne, a projekt został wyceniony przez producenta specjalizującego się w obwodach elastycznych, okazało się, że cena będzie nieco niższa niż ta, którą płacili warsztatowi za projekt sztywnej płytki PCB. Materiały elastyczne są droższe niż sztywne, ale w tym przypadku producent zakupił tyle materiału, że uzyskał rabat za ilość, przez co opcja elastyczna okazała się mniej kosztowna. Nauczka otrzymana.

Poczytaj również artykuł Tary Dunn o najlepszych wskazówkach dla projektantów obwodów elastycznych z perspektywy produkcji

Jakie rady można uzyskać, zapoznając się z tą historią?

Jedną z porad, którą często powtarzają producenci płytek elastycznych i sztywno-elastycznych jest to, żeby pracować ze swoimi producentami od wczesnych etapów projektu w celu utworzenia stosu, weryfikacji oraz uzyskania porad dotyczących „uelastyczniania” projektu. W tym przypadku zespół współpracował z producentem, zatem trzeba bezzwłocznie zastrzec, że wybrany producent musi być obeznany z materiałami elastycznymi i sztywno-elastycznymi oraz z metodami ich obróbki. Zestaw materiałów jest inny; przygotowanie i obróbka takiego materiału wymaga specjalistycznej wiedzy, a projektowanie płytek elastycznych jest bardziej złożone niż to, do którego przywykliśmy w przypadku sztywnych materiałów.

 Jakie jest zatem źródło humoru w tej historii? Jak mi powiedziano, największy chichot wzbudziło stwierdzenie, że „to oczywiste, że sztywne materiały pękają, a samo to, że są cienkie, nie oznacza, że są elastyczne”. Cóż... rzeczywiście. Po fakcie wszystko wydaje się takie oczywiste.

Dowiedz się więcej o wyzwaniach związanych z projektowaniem obwodów elastycznych i sztywno-elastycznych lub porozmawiaj z ekspertem Altium.