La electrónica flexible , también conocida como circuitos flexibles , es una tecnología para ensamblar circuitos electrónicos mediante el montaje de dispositivos electrónicos sobre sustratos plásticos flexibles , como poliimida , PEEK o película de poliéster conductor transparente [1] . Además, los circuitos flexibles pueden ser circuitos plateados serigrafiados sobre poliéster . Los conjuntos electrónicos flexibles se pueden fabricar utilizando componentes idénticos a los utilizados para placas de circuito impreso rígidas , lo que permite que la placa adopte la forma deseada o se flexione durante su uso.
Los circuitos impresos flexibles (FPC) se fabrican con tecnología fotolitográfica. Una forma alternativa de fabricar circuitos de láminas flexibles o cables planos flexibles (FFC) es laminar tiras de cobre muy finas (0,07 mm) entre dos capas de PET . Estas capas de PET, normalmente de 0,05 mm de espesor, están recubiertas con un adhesivo termoendurecible y se activará durante el proceso de laminación. Los FPC y FFC tienen varias ventajas en muchas aplicaciones:
Los circuitos flexibles se utilizan a menudo como conectores en diversas aplicaciones donde la flexibilidad, el ahorro de espacio o las limitaciones de producción limitan la capacidad de servicio de las placas de circuitos rígidos o del cableado manual.
La mayoría de los circuitos flexibles son estructuras de cableado pasivo que se utilizan para interconectar componentes electrónicos como circuitos integrados, resistencias, condensadores y similares; sin embargo, algunos se utilizan únicamente para realizar interconexiones entre otros conjuntos electrónicos, ya sea directamente o mediante conectores. Los dispositivos electrónicos de consumo utilizan circuitos flexibles en cámaras, dispositivos de entretenimiento personal, calculadoras o monitores de ejercicio. Los circuitos flexibles se encuentran en dispositivos industriales y médicos donde se requieren muchas interconexiones en un paquete compacto. Los teléfonos móviles son otro ejemplo muy extendido de circuitos flexibles.
Una aplicación común de los circuitos flexibles es en dispositivos de entrada como teclados de computadora; la mayoría de los teclados utilizan circuitos flexibles para la matriz de interruptores .
En la fabricación de LCD , se utiliza vidrio como sustrato. Si en su lugar se utiliza como sustrato una lámina delgada de plástico flexible o una lámina metálica, todo el sistema puede ser flexible, ya que la película depositada sobre el sustrato suele ser muy delgada, del orden de unos pocos micrómetros.
Normalmente se utilizan diodos emisores de luz orgánicos (OLED) en lugar de luz de fondo para pantallas flexibles, lo que crea una pantalla de diodos emisores de luz orgánicos flexible .
Las baterías flexibles son baterías, tanto primarias como secundarias, que están diseñadas para ser conformes y flexibles, a diferencia de las rígidas tradicionales.
En el campo de la automoción, los circuitos flexibles se utilizan en paneles de instrumentos, controles debajo del capó, circuitos que se ocultan dentro del techo interior de la cabina y en sistemas ABS.
En los periféricos de computadora, se utilizan circuitos flexibles en el cabezal de impresión móvil de las impresoras y para conectar señales al brazo móvil que transporta los cabezales de lectura/escritura de las unidades de disco.
Se han desarrollado células solares flexibles de película delgada para alimentar satélites . Estas celdas son livianas, se pueden enrollar para su lanzamiento y se implementan fácilmente, lo que las convierte en una buena opción para la aplicación. También se pueden coser en mochilas o prendas exteriores, [2] entre muchos otros tipos de aplicaciones orientadas al consumidor.
Los crecientes mercados relacionados con la electrónica flexible y/o portátil, como los sistemas IoT autoalimentados , han impulsado el desarrollo de la energía fotovoltaica (PV) de película delgada flexible con el fin de mejorar la autonomía energética de dichos dispositivos fuera de la red. [3] Se ha demostrado que esta clase de tecnologías fotovoltaicas ya es capaz de alcanzar altas eficiencias de conversión de energía solar en electricidad, al nivel de células solares rígidas basadas en obleas, particularmente cuando se integran con estructuras efectivas que atrapan la luz. Dichos esquemas fotónicos permiten una alta absorción de banda ancha en los delgados materiales absorbentes fotovoltaicos, a pesar de su espesor reducido requerido para la flexibilidad mecánica. [4] [5]
En diciembre de 2021, ingenieros de la Universidad Keio de Tokio y la Universidad de Stanford anunciaron la creación de circuitos semiconductores estirables y similares a una piel. En el futuro, estos dispositivos electrónicos portátiles podrán utilizarse para enviar datos de salud a los médicos de forma inalámbrica. [6]
Las patentes concedidas a principios del siglo XX muestran interés en conductores eléctricos planos intercalados entre capas de material aislante . Los circuitos eléctricos resultantes servirían en las primeras aplicaciones de conmutación de telefonía . Una de las primeras descripciones de lo que podría llamarse un circuito flexible fue descubierta por el Dr. Ken Gilleo y revelada en una patente inglesa de 1903 de Albert Hansen que describía una construcción que consistía en conductores metálicos planos sobre papel recubierto de parafina . Los libros de laboratorio de Thomas Edison de la época indican que estaba pensando en recubrir la goma de celulosa aplicada al papel de lino con polvo de grafito para crear lo que claramente habrían sido circuitos flexibles, aunque ninguna evidencia indica que se redujera a la práctica. [ cita necesaria ] [ cita necesaria ]
La publicación de 1947 "Técnicas de circuitos impresos" de Brunetti y Curtis [7] ofrece una breve discusión sobre la creación de circuitos en lo que habrían sido materiales aislantes flexibles (por ejemplo, papel ). En la década de 1950, Dahlgren y Sanders lograron avances significativos desarrollando y patentando procesos para imprimir y grabar conductores planos sobre materiales de base flexibles para reemplazar los mazos de cables . Un anuncio de la década de 1950 colocado por Photocircuits Corporation demostró su interés por los circuitos flexibles. [ cita necesaria ]
Los circuitos flexibles son conocidos en todo el mundo como cableado impreso flexible, impresión flexible, circuitos flexibles y se utilizan en muchos productos. El mérito se debe a los esfuerzos de los ingenieros japoneses de empaquetado de productos electrónicos que han encontrado formas de emplear tecnología de circuitos flexibles. Los circuitos flexibles son uno de los segmentos del mercado de productos de interconexión de más rápido crecimiento. Una variación de la tecnología de circuitos flexibles se llama "electrónica flexible". Implica la integración de funciones tanto activas como pasivas en el dispositivo. [ cita necesaria ]
Los circuitos flexibles muestran variaciones significativas en su construcción.
Los circuitos flexibles de un solo lado tienen una capa conductora hecha de metal o de polímero conductor (relleno de metal) sobre una película dieléctrica flexible . Solo se puede acceder a las funciones de terminación de componentes desde un lado. Se pueden formar orificios en la película base para permitir que los cables de los componentes pasen para su interconexión, normalmente mediante soldadura . Los circuitos flexibles de un solo lado se pueden fabricar con o sin revestimientos protectores como capas de cobertura o capas de cobertura; sin embargo, el uso de un revestimiento protector sobre los circuitos es la práctica más común. El desarrollo de dispositivos montados en superficie sobre películas conductoras pulverizadas ha permitido la producción de películas LED transparentes, que se utilizan en vidrio LED pero también en compuestos flexibles de iluminación para automóviles.
La flexión de doble acceso, también conocida como flexión descubierta, son circuitos flexibles que tienen una sola capa de conductor, pero permiten el acceso a características seleccionadas del patrón de conductor desde ambos lados. Si bien este tipo de circuito tiene ventajas, los requisitos de procesamiento especializado para acceder a las funciones limitan su uso.
La fabricación de circuitos flexibles esculpidos implica un método especial de grabado de múltiples pasos para circuitos flexibles que produce un circuito flexible que tiene conductores de cobre terminados en los que el espesor del conductor difiere en varios lugares a lo largo de su longitud. (Es decir, los conductores son delgados en las áreas flexibles y gruesos en los puntos de interconexión).
Los circuitos flexibles de doble cara tienen dos capas de conductores. Se pueden fabricar con o sin orificios pasantes chapados , aunque la variación con orificios pasantes chapados es mucho más común. Cuando se construye sin orificios pasantes chapados, se accede a las funciones de conexión desde un solo lado y el circuito se define como "Tipo V (5)" según las especificaciones militares. Debido al orificio pasante chapado, se proporcionan terminaciones en ambos lados del circuito, lo que permite colocar componentes en cualquier lado. Dependiendo de los requisitos de diseño, los circuitos flexibles de doble cara se pueden fabricar con capas protectoras en uno, ambos o ninguno de los lados del circuito completo, pero lo más común es que se produzcan con la capa protectora en ambos lados. Una ventaja importante es que permite conexiones cruzadas sencillas. Muchos circuitos de un solo lado se construyen sobre un sustrato de doble cara debido a las conexiones cruzadas. Un ejemplo de este uso es el circuito que conecta una alfombrilla de ratón a la placa base. Todas las conexiones de ese circuito están ubicadas en un solo lado del sustrato, excepto una pequeña conexión cruzada que usa el otro lado.
Los circuitos flexibles con tres o más capas de conductores se conocen como circuitos flexibles multicapa. Normalmente, las capas se interconectan mediante orificios pasantes chapados, aunque esto no es necesario porque es posible proporcionar aberturas para acceder a funciones de nivel inferior del circuito. Las capas pueden o no estar laminadas entre sí de forma continua en toda la construcción con excepción de las áreas ocupadas por orificios pasantes. La laminación discontinua es común en casos que requieren máxima flexibilidad. Esto se logra dejando sin unir las áreas donde se producirá la flexión o flexión.
Los circuitos rígido-flexibles son un híbrido que combina sustratos rígidos y flexibles laminados en una sola estructura. Los circuitos rígido-flexibles no son construcciones flexibles rígidas, que son circuitos flexibles a los que se les une un refuerzo para soportar el peso de los componentes. Un circuito flexible rígido o rígido puede tener una o más capas conductoras. Los términos representan productos bastante diferentes.
Las capas normalmente están interconectadas mediante orificios pasantes chapados. Los diseñadores de productos militares suelen elegir circuitos rígidos-flexibles y, cada vez más, en productos comerciales. Compaq Computer eligió este enfoque para las placas de computadoras portátiles en la década de 1990. Si bien la PCBA principal rígido-flexible de la computadora no se flexionó durante el uso, los diseños posteriores de Compaq utilizaron circuitos rígido-flexibles para el cable de pantalla con bisagras, pasando por decenas de miles de flexiones durante las pruebas. En 2013, el uso de circuitos rígidos-flexibles en computadoras portátiles de consumo se había vuelto común.
Los tableros rígido-flexibles son normalmente estructuras multicapa; sin embargo, a veces se utilizan construcciones de dos capas metálicas. [8]
Los circuitos flexibles de película gruesa de polímero (PTF) imprimen elementos de circuito en una película de polímero. Por lo general, son estructuras de una sola capa conductora; sin embargo, se pueden imprimir dos o más capas metálicas secuencialmente separadas por capas aislantes impresas. Si bien tienen una conductividad más baja y, por lo tanto, están limitados a ciertas aplicaciones, los circuitos PTF han encontrado un hogar en aplicaciones de baja potencia con voltajes ligeramente más altos. Los teclados son una aplicación común.
Cada elemento de la construcción del circuito flexible debe poder satisfacer consistentemente las demandas que se le imponen durante la vida útil del producto. Además, el material debe funcionar de manera confiable en conjunto con los otros elementos de la construcción del circuito flexible para asegurar facilidad de fabricación y confiabilidad. A continuación se presentan breves descripciones de los elementos básicos de la construcción de circuitos flexibles y sus funciones.
El material base es la película de polímero flexible que proporciona la base para el laminado. En circunstancias normales, el material base del circuito flexible proporciona la mayoría de las propiedades físicas y eléctricas primarias del circuito flexible. En el caso de construcciones de circuitos sin adhesivo, el material base presenta todas las propiedades características. Si bien es posible una amplia gama de espesores, la mayoría de las películas flexibles se proporcionan en una gama estrecha de dimensiones relativamente delgadas de 12 µm a 125 µm (1/2 mil a 5 mils), pero es posible utilizar materiales más delgados y más gruesos. Los materiales más delgados son, por supuesto, más flexibles y, para la mayoría de los materiales, el aumento de rigidez es proporcional al cubo de espesor. Así, por ejemplo, significa que si se duplica el espesor, el material se vuelve ocho veces más rígido y sólo se deformará 1/8 bajo la misma carga. Hay varios materiales diferentes que se utilizan como películas base, entre ellos: poliéster (PET), poliimida (PI), naftalato de polietileno (PEN), polieterimida (PEI), junto con varios fluoropolímeros (FEP) y copolímeros. Las películas de poliimida son las más frecuentes debido a su combinación de ventajosas propiedades eléctricas, mecánicas, químicas y térmicas.
Los adhesivos se utilizan como medio de unión para crear un laminado. Cuando se trata de resistencia a la temperatura, el adhesivo suele ser el elemento limitante del rendimiento de un laminado, especialmente cuando la poliimida es el material base. Debido a las dificultades anteriores asociadas con los adhesivos de poliimida, muchos circuitos flexibles de poliimida emplean actualmente sistemas adhesivos de diferentes familias de polímeros. Sin embargo, algunos adhesivos termoplásticos de poliimida más nuevos están logrando avances importantes. Al igual que con las películas base, los adhesivos vienen en diferentes espesores. La selección del espesor suele ser una función de la aplicación. Por ejemplo, se utilizan comúnmente diferentes espesores de adhesivo en la creación de capas de cubierta para satisfacer las demandas de relleno de diferentes espesores de lámina de cobre que pueden encontrarse.
Una lámina metálica se utiliza más comúnmente como elemento conductor de un laminado flexible. La lámina metálica es el material del que normalmente se graban los circuitos. Hay disponible una amplia variedad de láminas metálicas de diferentes espesores para elegir y crear un circuito flexible; sin embargo, las láminas de cobre sirven para la gran mayoría de todas las aplicaciones de circuitos flexibles. El excelente equilibrio del cobre entre costos y atributos de rendimiento físico y eléctrico lo convierten en una excelente opción. En realidad, existen muchos tipos diferentes de láminas de cobre. El IPC identifica ocho tipos diferentes de láminas de cobre para circuitos impresos divididos en dos categorías mucho más amplias, electrodepositadas y forjadas, cada una con cuatro subtipos). Como resultado, hay varios tipos diferentes de láminas de cobre disponibles para aplicaciones de circuitos flexibles. para servir a los diversos propósitos de diferentes productos finales. Con la mayoría de las láminas de cobre, comúnmente se aplica un tratamiento superficial delgado a un lado de la lámina para mejorar su adhesión a la película base. Las láminas de cobre son de dos tipos básicos: forjadas (laminadas) y electrodepositadas y sus propiedades son bastante diferentes. Las láminas laminadas y recocidas son la opción más común; sin embargo, las películas más delgadas galvanizadas se están volviendo cada vez más populares.
En ciertos casos no estándar, es posible que se solicite al fabricante del circuito que cree un laminado especial utilizando una lámina metálica alternativa específica, como una aleación de cobre especial u otra lámina metálica en la construcción. Esto se logra laminando la lámina a una película base con o sin adhesivo dependiendo de la naturaleza y propiedades de la película base. [ cita necesaria ]
Las especificaciones se desarrollan para proporcionar una base común de comprensión de cómo debería verse un producto y cómo debería funcionar. Los estándares son desarrollados directamente por asociaciones de fabricantes como la Association Connecting Electronics Industries (IPC) y por usuarios de circuitos flexibles.
Revista IEEE sobre electrónica flexible (J-FLEX) [9]
Conferencia internacional de tecnología de electrónica flexible IEEE (IFETC) [10]
