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Los circuitos híbridos

Prácticamente al mismo tiempo que tuvo lugar el desarrollo de los circuitos integrados, apareció otra nueva tecnología, orientada también hacia la miniaturización de los circuitos convencionales pero con unas reglas bastantes diferenciadas. Los circuitos integrados monolíticos se caracterizan por tener todos sus componentes asociados e interconectados entre sí de una forma totalmente inseparable, mientras que el producto obtenido de la tecnología mencionada o circuito híbrido, combina la integración de una serie de componentes pasivos (resistencias y condensadores) con otros componentes discretos aunque de pequeño tamaño, que se encuentran microencapsulados.

Los circuitos híbridos

Los circuitos híbridos vienen a cubrir todos aquellos casos en que resulta imposible utilizar un circuito integrado por las características propias de la aplicación, además permite otra serie de posibilidades de integración bajo el diseño del cliente (“custom design”) que no ofrece el circuito integrado convencional. Esta interesante alternativa hace que en la práctica el mayor número de modelos que se fabrican de circuitos híbridos correspondan a diseños orientados hacia aplicaciones específicas de clientes y no de tipos estandarizados.


Origen y evolución

El origen de esta tecnología de integración se remonta a los años cincuenta cuando los fabricantes de condensadores cerámicos quisieron extender las posibilidades de éstos, obteniendo dos o más condensadores a partir de un único dieléctrico. Para ello desarrollaron ampliamente el procedimiento de metalización de los electrodos por sistemas de serigrafía, seguidos de un proceso de quemado de hornos de temperatura controlada y atmósferas de gases, con los que se obtenía un perfecto sistema de deposición de superficies metálicas, generalmente a base de metales nobles, lo que abría las puertas a otra serie de interesantes aplicaciones. En efecto, al procedimiento descripto con el que se obtienen capas metálicas conductoras siguió el de la deposición de capas de resistencias mediante serigrafía de compuestos de carbón, obteniéndose resistencias y combinaciones de condensadores-resistencias con un nivel de integración que permitió reducir bastante el número de conexiones, aunque, como puede deducirse, se limitó únicamente a los componentes pasivos.

circuitos

Más adelante se observó que la composición de carbono utilizada para las resistencias no ofrecía unos buenos resultados en cuanto a precisión y estabilidad y se desarrollaron otros materiales a base de óxidos metálicos para sustituir al anterior, que son los empleados en la actualidad. La última fase de esta evolución consistió en incluir sobre el dieléctrico o sustrato, que contienen las resistencias y condensadores, otra serie de componentes unidos a los anteriores mediante técnicas especiales de soldadura y en la mayoría de las ocasiones cubierto por un encapsulado común, denominando al producto obtenido: circuito híbrido de película gruesa.

Este componente presenta una serie de ventajas frente al circuito convencional o al integrado monolítico tales como: precisión, calidad, elevado rendimiento y sobre todo, que pueden acomodarse a cualquier diseño particular, obteniendo los valores de componentes pasivos que se requieran, sin tener que limitarse a la gama de componentes discretos que existen en el mercado, cuyos valores y tolerancias se encuentran previamente establecidos.

Otra tecnología diferente de la anterior, que también se utiliza actualmente es la de película delgada. En este caso, la deposición de los componentes pasivos sobre el sustrato, se realiza mediante un proceso de vacío, en el que se evapora una fina capa del material conductor o resistivo sobre la superficie de éste. El trazado de las pistas o vías necesarias, se realiza empleando una máscara que protege las zonas que deben quedar sin cubrir o mediante un sistema de eliminación de estas áreas, después de que el sustrato se haya recubierto por completo. Esta tecnología ofrece las mismas posibilidades que la anterior, en lo referente a la capacidad de integración de conductores, resistencias y condensadores y al igual que ella, tampoco permite la de componentes activos.


Híbridos de película gruesa

El proceso completo de obtención de un determinado circuito híbrido de película gruesa, comienza con el diseño del circuito electrónico convencional que se desea integrar. A partir de él, se efectúa un prototipo de híbrido con el que se intentan cubrir las características necesarias. Normalmente, aparecen una serie de diferentes propiedades de los componentes en uno u otro caso, así como las diferencias de tamaño, longitudes de pistas y otras consideraciones dimensionales. En muchas ocasiones es preferible hacer una simulación con componentes convencionales sobre circuito impreso, de ciertas características particulares de la película gruesa. Se pueden simular con pequeños condensadores las capacidades parásitas de los cruces, entre conductores y con pequeñas resistencias, las que ofrecen ciertos conductores demasiados largos y estrechos.

chip

Cuando se trata de circuitos de alta frecuencia, en los que la situación, tamaño y conexionado entre los componentes, es mucho más crítica, se suele pasar directamente a la integración, en la que serán necesarios varios rediseños hasta obtener la disposición más adecuada.

capacitores


Diseño y realización

Ya entrando de lleno en la realización del híbrido, la primera condición que se tiene en cuenta, es el tamaño máximo que debe de tener el mismo, el cual suele venir fijado como una característica más, junto con las de tipo eléctrico. Entonces, sobre las dimensiones establecidas, será necesario introducir todos los componentes discretos que se precisen, teniendo en cuenta además, que pueda disipar la potencia transformada en calor, que se origine durante el funcionamiento. Esto da a lugar la asignación de unas zonas o áreas determinadas, destinadas a la fijación de cada componente. En la fase siguiente, se diseñan todas las pistas conductoras que enlazarán los diversos componentes y éstos con los terminales o patillas exteriores de conexión. Esto da lugar a una primera capa de serigrafía sobre el sustrato cerámico de soporte, obteniéndose como resultado una estructura de conductores, que sirve como base para la siguiente etapa de fabricación.

resistencia

En muchas ocasiones es inevitable la aparición de puntos de cruce entre los conductores, lo que se resuelve aplicando una segunda capa de serigrafía con material dieléctrico sobre estas zonas, para efectuar a continuación otra segunda deposición de material conductor.
Una vez que se dispone del sustrato con todas las vías conductoras ya realizadas, se pasa a efectuar la integración de las resistencias, para lo que se parte de materiales apropiados, cuya resistencia especifica se adapta al valor óhmico que se desee obtener.
El cálculo de las resistencias se efectúa por el procedimiento de resistencia por unidad de superficie. Este método se basa en suponer que la capa resistiva va a tener un espesor uniforme, definido por el propio proceso de deposición, por lo que no es necesario tenerle en cuenta, salvo en las consideraciones iniciales. De esta forma, la fórmula, ya conocida, que define la resistencia:

R=p x I/s

se puede transformar en:

R=p x I/(exh)

en la que la sección s se ha sustituido por el producto del espesor e por la anchura h de la capa resistiva. Para aclarar este concepto, considérese que la corriente eléctrica circula por la capa resistiva superficial a través de la sección transversal a la misma, de forma rectangular y cuya área está definida por el producto de altura o espesor de la capa (e), por la anchura de la misma (h).

Volviendo a la fórmula anterior, puede escribirse de la siguiente manera:

R=(p/r) x( I/h)=Rs x (I/h)

Rs, representa la denominada resistencia superficial o resistencia por unidad de superficie, siendo I la longitud total de la capa resistive y h su anchura.

Los valores de Rs, obtenidos de dividir la resistividad intrínseca p del materia utilizado por el espesor e de una capa, se mide en ohmios por cuadrado (Ω/2) y se refieren en la mayoría de los casos a la resistencia que presenta un cuadrado de 1 milímetro o de 0,1 pulgada de lado de la capa resistiva.

conductores

Este sistema de cálculo, permite definir la longitud y anchura que deben de tener cualquiera de las resistencias del circuito eléctrico, a base de suponer las divididas en cuadrados elementales. Dos o más cuadrados situados de forma que la corriente les atraviese simultáneamente, producirán el efecto de resistencias en paralelo y se sitúan una a continuación del otro, el resultado será semejante al de las resistencias en serie.

Todas las resistencias se depositan empleando el procedimiento serigráfico, obteniéndose, después del quemado en los hornos, unos valores que se encuentran dentro de un 30% del deseado. Es necesario, por lo tanto, un cierto ajuste del valor de las mismas, que permita alcanzar el valor especificado por el diseño con una tolerancia reducida. Esto se consigue sometiendo a las capas resistivas del sustrato a un corte longitudinal o en forma de L, mediante medios abrasivos o Láser, con el que se consigue que la longitud efectiva de la resistencia teórica aumente hasta que el valor en ohmios llegue a ser igual al necesario.

El circuito híbrido se completa con el montaje de todos los componentes discretos, cuyas conexiones con el resto del circuito se efectúan mediante hilos microscópicos, soldados por un procedimiento de termocompresión o directamente por soldadura de estaño, a través de sus terminales. Por último, se le añaden las patillas de conexión y se encapsula mediante recubrimientos plásticos o metálicos, obteniéndose así el producto definitivo.

Una vez conocidas las etapas básicas en la realización de un circuito híbrido de película gruesa, se van a describir seguidamente los diversos materiales que intervienen en la fabricación del mismo y que permiten la consecución del objeto final.


Sustrato

El primero de los elementos a considerar es el sustrato o elemento dieléctrico empleado como base de sustentación al circuito híbrido. Los sustratos generalmente empleados están fabricados con materiales cerámicos, siendo los más utilizados el óxido de berilio, el titanato de bario y el óxido de aluminio.

El óxido de berilio posee una buena conductividad del calor y por lo tanto se destina a aplicaciones en la que se deben disipar elevadas potencias.

El titanato de bario tiene una constante dieléctrica elevada, lo que permite fabricar condensadores de alta capacidad, en cuyo caso se emplea como dieléctrico entre dos capas conductoras.

El óxido de aluminio o alúmina posee unas excelentes propiedades, tanto de disipación de calor como de constante dieléctrica, por lo tanto ha pasado a ser el tipo más popular de los tres materiales citados, empleándose generalmente para la fabricación de circuitos híbridos de aplicaciones generales. La composición del sustrato construido de este material contiene 96% de óxido de aluminio, estando formado el 4% restante por otras sales minerales.

terminales

Las funciones principales que desempeña el sustrato son, en resumen, las siguientes: Proporcionar un soporte mecánico al circuito, protegerle frente a agresiones externas, evacuar al ambiente la potencia generada y proporcionar un buen aislamiento eléctrico entre los diversos componentes.


Tinta serigráficas

Para la disposición de las capas conductoras resistivas y dieléctricas sobre el sustrato base, se utiliza un procedimiento de serigrafía similar a los procesos litográficos convencionales y por esta similitud, las mezclas o compuestos empleados se suelen denominar tintas.

Para obtener tintas conductoras se emplean tres tipos de materiales: metal en forma de polvo, aglomerante bajo la forma de polvo cristalino y una mezcla de líquidos orgánicos que confieren al producto las propiedades necesarias de viscosidad para que pueda ser posible el proceso de serigrafía.

La pasta o tinta conductora debe poseer unas buenas características de conductividad, buena adhesión al sustrato, ya que en muchas ocasiones sirve de soporte y fijación de componentes discretos y buena estabilidad durante el proceso de fabricación y posterior utilización.

Los materiales conductores suelen ser metales preciosos (oro, paladio-plata y platino) en forma de diminutas partículas normalmente menores de 5 micras de diámetro. El tamaño y distribución de estas partículas influyen en gran manera sobre las propiedades físicas y eléctricas de los conductores obtenidos, haciendo depender de ellas tanto la conductividad como la soldabilidad.

Las tintas o pastas resistivas son bastantes similares a los conductoras, y emplean normalmente los mismos aglomerantes y sustancias orgánicas en su composición. Los materiales resistivos utilizados son una mezcla de metales, óxidos metálicos y semiconductores. Normalmente se emplea una densidad de partículas conductoras mucho menor que en las cintas conductoras, obteniéndose un punto en el que estas partículas se encuentran separadas por una película de vidrio. Debido a la interacción entre metal y vidrio se obtiene un efecto ligeramente semiconductor, con unas propiedades resistivas muy adecuadas.

Las tintas o pastas dieléctricas, utilizadas fundamentalmente para obtener capas aislantes entre conductores o como dieléctrico para condensadores integrados están formados por un material básico de vidrio y las sustancias orgánicas necesarias, no siendo preciso el uso de aglomerantes al estar el vidrio formado parte de la composición de la pasta. Uno de los factores más importantes de estas pastas, es su viscosidad, ya que determina la buena o mala adherencia del conductor que se sitúe sobre ellas.


Procesos térmicos

Una vez efectuado el depósito de la tinta sobre el sustrato por un método de impresión serigráfico, en el que se emplea una máscara con la que se obtienen únicamente las zonas adecuadas, es necesario someter al conjunto obtenido a un tratamiento térmico, en el que se eliminan los disolventes contenidos en la pasta, sometiéndoles durante un tiempo comprendido entre cinco y diez minutos a una temperatura de unos 125º C. El resultado es un sustrato completamente seco que puede ser empleado para una nueva deposición serigráfica con otra máscara diferente o bien se lleva a otro proceso térmico de quemado, en el que tiene lugar la obtención definitiva de los conductores, resistencias y dieléctricos.

diodos

Este proceso se suele realizar en un horno continuo en el que los sustratos pasan por varias cámaras independientes con diferentes temperaturas. Básicamente se realiza una fase de extracción en la cual se evaporan los disolventes orgánicos a una temperatura de unos 500º C. Después se produce un sinterizado en el que se funde el polvo de vidrio y se obtiene la unión entre las partículas metálicas y el sustrato, a una temperatura de unos 800º C, y finalmente se pasa a una fase de refrigeración en la que se solidifica el vidrio, volviendo el sustrato a la temperatura ambiente.

encapsulado


Ajuste de las resistencias

Ahora es preciso pasar por un proceso en el que se ajusten las diferentes resistencias para llevarlas al valor previsto. Esto se suele realizar mediante un procedimiento de corte de las mismas para el que existen dos diferentes sistemas, con los que se obtienen resultados bastantes parecidos, siendo necesario en ambos casos disponer de un método de medida del valor que va adquiriendo la resistencia en cada momento para detener el proceso en el instante adecuado.

Circuitos hibridos

El primero de los métodos que se utilizaron y que aún mantienen su validez es el denominado de “chorro de arena”. Consiste en someter la resistencia superficial a un fino haz de aire con pequeñas partículas de arena que incide a lo largo de la línea que ha de cortarse a presión y con una velocidad de avance perfectamente controlada.

El efecto producido es el de una línea muy estrecha en la que se ha eliminado la capa resistiva. Cuando se alcanza el valor previsto se detiene automáticamente el haz abrasivo, finalizando el proceso.

El segundo método de más reciente implantación práctica, consiste en un fino haz de luz coherente con una cierta energía, procedente de un láser, el cual vaporiza el material resistivo a lo largo de una línea estrecha al desplazarse en una dirección previamente controlada. Al igual que en el sistema anterior, el haz se corta electrónicamente cuando se alcanza el valor resistivo deseado. Este sistema posee dos ventajas fundamentales sobre el de “chorro de arena”, una de ellas es la velocidad que puede considerarse como de 50 veces superior, la otra es la ausencia de las pequeñas partículas de arena que rebotan en el sustrato a elevadas velocidades y pueden dañar otras zonas del circuito u otros dispositivos situados en su proximidad, lo que exige algún sistema de protección.


Componentes discretos

El proceso de fabricación continúa con la implantación de los componentes existiendo tipos que por su tamaño y características se adaptan perfectamente sobre el sustrato. Pueden considerarse dentro de la gama de los pasivos los condensadores cerámicos o tántalos en “chip”. Los primeros poseen una forma paralelepipédica en las zonas de conexión situadas en los extremos y realizadas a base de metales nobles o recubiertas con aleaciones a base de estaño. Su soldadura se efectúa impregnándoles previamente una pasta que contiene partículas de estaño en suspensión y sometiéndoles a un proceso de re-fusión en un horno. Los diodos y transistores pueden también encontrarse bajo el formato de “chips” o de componentes totalmente terminados con un encapsulado protector. En el primer caso se emplea directamente el “dado” semiconductor que se adhiere al sustrato a presión sobre una zona metalizada previamente con oro y a una temperatura de unos 400º C. Este proceso denominado de termocompresión produce una buena unión eléctrica y mecánica entre los dos elementos. Después se efectúa por el mismo procedimiento la unión del resto de terminales del diodo o transistor, empleando hilos de conexión de oro o aluminio de un diámetro aproximado de 30 micras (1 micra = 0,001 milímetro). Los componentes activos microencapsulados, entre los que también pueden encontrarse circuitos integrados, se adhieren al sustrato, empleando la pasta de estaño mencionada para condensadores, obteniéndose su soldadura definitiva por re-fusión del estaño de la pasta y evaporación de los disolventes al someterles a una temperatura de 240º C aproximadamente en un horno de infrarrojos.

pelicula gruesa

También existen otros tipos de encapsulados de componentes que requieren diferentes técnicas de implantación, pudiéndose citar el “Beam Lead”, el “Flip-Chip” y el “TAB”.


Terminales y encapsulado

Las últimas operaciones de fabricación corresponden a la fijación y soldadura de los terminales externos de conexión sobre las vías metalizadas destinadas a esta finalidad y el encapsulado que protegerá al circuito híbrido de cualquier posible degradación producida por la humedad, vibraciones, choques, etc. Existen varios procedimientos de encapsulado, destacando los recubrimientos plásticos obtenidos por inmersión en una resina líquida y posterior secado en el horno. Otros recubrimientos pueden ser realizados con cápsulas cerámicas de vidrio y metálicas, siendo estas últimas las de mayor coste, ofreciendo las mejores características de protección y fiabilidad.

5 comentarios - Los circuitos híbridos

@Shinobusensui
para mi ya no son circuitos son vergas la famosa gotita negra ni integrado con numeración traen para que los tires fuck todo.
@LEOCNC
Muy interesante ,hemos amprendido algo sobre Los circuitos híbridos ....dejo puntos saludos