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 de plata serigrafiados sobre poliéster . Los conjuntos electrónicos flexibles pueden fabricarse utilizando componentes idénticos a los utilizados para las placas de circuitos impresos rígidas , lo que permite que la placa se adapte a una forma deseada o que se flexione durante su uso.
Los circuitos impresos flexibles (FPC) se fabrican con tecnología fotolitográfica. Una forma alternativa de fabricar circuitos impresos 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 que se activa 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 mantenimiento de las placas de circuitos rígidos o el 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 en los que se requieren muchas interconexiones en un paquete compacto. Los teléfonos móviles son otro ejemplo generalizado 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 conmutación .
En la fabricación de LCD , se utiliza vidrio como sustrato. Si se utiliza un plástico flexible fino o una lámina metálica como sustrato, todo el sistema puede ser flexible, ya que la película depositada sobre el sustrato suele ser muy fina, del orden de unos pocos micrómetros.
Los diodos orgánicos emisores de luz (OLED) normalmente se utilizan en lugar de una luz de fondo para pantallas flexibles, creando una pantalla de diodos orgánicos emisores de luz 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 automotriz, los circuitos flexibles se utilizan en paneles de instrumentos, controles debajo del capó, circuitos que se ocultan dentro del revestimiento del techo 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 lleva los cabezales de lectura/escritura de las unidades de disco.
Se han desarrollado células solares flexibles de película delgada para alimentar satélites . Estas células son ligeras, se pueden enrollar para el lanzamiento y son fáciles de desplegar, lo que las convierte en una buena opción para esta aplicación. También se pueden coser en mochilas o prendas de abrigo, [2] entre muchos otros tipos de aplicaciones orientadas al consumidor.
Los mercados en crecimiento relacionados con la electrónica flexible y/o portátil, como los sistemas IoT autoalimentados , han impulsado el desarrollo de energía fotovoltaica (PV) de película delgada flexible con vistas a 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 a electricidad, al nivel de las células solares basadas en obleas rígidas, particularmente cuando se integran con estructuras efectivas de captura de luz. Estos esquemas fotónicos permiten una alta absorción de banda ancha en los materiales absorbentes fotovoltaicos delgados, a pesar de su reducido espesor requerido para la capacidad de flexión mecánica. [4] [5]
En diciembre de 2021, ingenieros de la Universidad de Keio en Tokio y de la Universidad de Stanford anunciaron la creación de circuitos semiconductores extensibles y similares a la piel. En el futuro, estos dispositivos electrónicos portátiles podrían utilizarse para enviar datos sanitarios a los médicos de forma inalámbrica. [6]
La electrónica impresa se utiliza o se está considerando, e incluye sensores inalámbricos en envases, parches cutáneos que se comunican con Internet y edificios que detectan fugas para permitir el mantenimiento preventivo . La mayoría de estas aplicaciones aún se encuentran en las etapas de creación de prototipos y desarrollo. [7] Existe un interés particularmente creciente por los sistemas electrónicos inteligentes y flexibles, incluidos los dispositivos fotovoltaicos, de detección y procesamiento, impulsado por el deseo de ampliar e integrar los últimos avances en tecnologías (opto)electrónicas en una amplia gama de productos de consumo de bajo costo (incluso desechables) de nuestra vida cotidiana, y como herramientas para unir los mundos digital y físico. [8]
La empresa noruega ThinFilm presentó una memoria orgánica impresa rollo a rollo en 2009. [9] [10] [11] [12]
Otra empresa, Rotimpres con sede en España, ha introducido con éxito aplicaciones en diferentes mercados como por ejemplo; calentadores para muebles inteligentes o para evitar el vaho y interruptores capacitivos para teclados en electrodomésticos y máquinas industriales. [13] [14]
Las patentes emitidas a principios del siglo XX muestran interés en los conductores eléctricos planos intercalados entre capas de material aislante . Los circuitos eléctricos resultantes se utilizarían 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 divulgada 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 goma de celulosa aplicada al papel de lino con polvo de grafito para crear lo que claramente habrían sido circuitos flexibles, aunque no hay evidencia que indique que se llevara a la práctica. [ cita requerida ] [ cita requerida ]
La publicación de 1947 "Printed Circuit Techniques" de Brunetti y Curtis [15] es un breve análisis de la creación de circuitos en lo que habrían sido materiales aislantes flexibles (por ejemplo, papel ). En la década de 1950, Dahlgren y Sanders dieron pasos importantes en el desarrollo y la patente de procesos para imprimir y grabar conductores planos en materiales de base flexibles para reemplazar los mazos de cables . Un anuncio de la década de 1950 colocado por Photocircuits Corporation demostró su interés en los circuitos flexibles. [ cita requerida ]
Los circuitos flexibles se conocen en todo el mundo como cableado impreso flexible, impresión flexible o circuitos flexibles y se utilizan en muchos productos. El mérito es de los esfuerzos de los ingenieros de empaquetado electrónico japoneses , que han encontrado formas de emplear la 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 denomina "electrónica flexible". Implica la integración de funciones activas y pasivas en el dispositivo. [ cita requerida ]
Los circuitos flexibles muestran una variación significativa en su construcción.
Los circuitos flexibles de un solo lado tienen una capa conductora hecha de metal o polímero conductor (relleno de metal) sobre una película dieléctrica flexible . Las características de terminación de los componentes son accesibles solo desde un lado. Se pueden formar orificios en la película base para permitir que los cables de los componentes pasen para la interconexión, normalmente mediante soldadura . Los circuitos flexibles de un solo lado se pueden fabricar con o sin recubrimientos protectores como capas de cubierta o revestimientos de cubierta, sin embargo, el uso de un recubrimiento 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 el vidrio LED , pero también en compuestos de iluminación automotriz flexibles.
Los circuitos flexibles de doble acceso, también conocidos como circuitos flexibles con una sola capa de conductor, pero que permiten el acceso a características seleccionadas del patrón de conductores desde ambos lados. Si bien este tipo de circuito tiene ventajas, los requisitos de procesamiento especializado para acceder a las características limitan su uso.
La fabricación de circuitos flexibles esculpidos implica un método especial de grabado de circuitos flexibles en varios pasos que produce un circuito flexible con 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 conductoras. Pueden fabricarse con o sin orificios pasantes enchapados , aunque la variación con orificios pasantes enchapados es mucho más común. Cuando se construyen sin orificios pasantes enchapados, se accede a las características de conexión desde un solo lado y el circuito se define como "Tipo V (5)" según las especificaciones militares. Debido al orificio pasante enchapado, se proporcionan terminaciones en ambos lados del circuito, lo que permite colocar componentes en ambos lados. Dependiendo de los requisitos de diseño, los circuitos flexibles de doble cara se pueden fabricar con capas de cubierta protectora 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 fáciles. Muchos circuitos de una sola cara se construyen sobre un sustrato de doble cara debido a las conexiones cruzadas. Un ejemplo de este uso es el circuito que conecta un mouse pad a la placa base. Todas las conexiones de ese circuito se encuentran 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. Por lo general, las capas se interconectan mediante orificios pasantes chapados, aunque esto no es necesario porque es posible proporcionar aberturas para acceder a las características del nivel inferior del circuito. Las capas pueden o no estar laminadas juntas de forma continua a lo largo de la construcción, con la excepción de las áreas ocupadas por orificios pasantes. La laminación discontinua es común en los casos que requieren máxima flexibilidad. Esto se logra dejando sin unir las áreas donde se producirá la flexión o el doblado.
Los circuitos rígidos-flexibles son un híbrido que combina sustratos rígidos y flexibles laminados en una única estructura. Los circuitos rígidos-flexibles no son construcciones flexibles rigidizadas, que son circuitos flexibles a los que se les coloca un refuerzo para soportar el peso de los componentes. Un circuito flexible rigidizado o reforzado 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 ordenador portátil en la década de 1990. Si bien la PCBA rígida-flexible principal del ordenador no se doblaba durante el uso, los diseños posteriores de Compaq utilizaron circuitos rígido-flexibles para el cable de pantalla con bisagras, que pasó decenas de miles de flexiones durante las pruebas. En 2013, el uso de circuitos rígido-flexibles en ordenadores portátiles de consumo se había vuelto común.
Los tableros rígidos-flexibles normalmente son estructuras multicapa; sin embargo, a veces se utilizan construcciones de dos capas de metal. [16]
Los circuitos flexibles de película gruesa de polímero (PTF) imprimen elementos de circuitos sobre una película de polímero. Normalmente son estructuras de una sola capa conductora, aunque se pueden imprimir dos o más capas de metal en secuencia separadas por capas aislantes impresas. Si bien tienen una conductividad menor y, por lo tanto, están limitados a ciertas aplicaciones, los circuitos PTF han encontrado un lugar en aplicaciones de bajo consumo a voltajes ligeramente más altos. Los teclados son una aplicación común.
Cada elemento de la construcción del circuito flexible debe ser capaz de satisfacer de manera constante las demandas que se le imponen durante la vida útil del producto. Además, el material debe funcionar de manera confiable en conjunto con los demás elementos de la construcción del circuito flexible para garantizar la facilidad de fabricación y la confiabilidad. A continuación se presentan breves descripciones de los elementos básicos de la construcción del circuito flexible 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 las construcciones de circuitos sin adhesivo, el material base proporciona todas las propiedades características. Si bien es posible una amplia gama de espesores, la mayoría de las películas flexibles se proporcionan en un rango estrecho de dimensión relativamente delgada 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 del espesor. Así, por ejemplo, significa que si se duplica el espesor, el material se vuelve ocho veces más rígido y solo se desviará 1/8 de esa cantidad bajo la misma carga. Hay una serie de 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 es típicamente 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 de poliimida termoplásticos más nuevos están logrando importantes avances. Al igual que con las películas base, los adhesivos vienen en diferentes espesores. La selección del espesor generalmente depende 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 láminas de cobre que pueden encontrarse.
Una lámina metálica es el elemento conductor más utilizado en un laminado flexible. La lámina metálica es el material con el que normalmente se graban las rutas del circuito. Existe una amplia variedad de láminas metálicas de distintos espesores entre las que elegir y crear un circuito flexible; sin embargo, las láminas de cobre sirven para la gran mayoría de aplicaciones de circuitos flexibles. El excelente equilibrio entre costo y atributos de rendimiento físico y eléctrico del cobre 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 que sirven para los variados propósitos de diferentes productos finales. Con la mayoría de las láminas de cobre, se aplica comúnmente un tratamiento superficial fino 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, aunque las películas más delgadas galvanizadas se están volviendo cada vez más populares.
En ciertos casos no estándar, se puede solicitar al fabricante del circuito que cree un laminado especial utilizando una lámina de metal alternativa específica, como una aleación de cobre especial u otra lámina de metal en la construcción. Esto se logra laminando la lámina a una película base con o sin adhesivo, según la naturaleza y las propiedades de la película base. [ cita requerida ]
Las especificaciones se desarrollan para proporcionar una base común de entendimiento sobre cómo debe lucir un producto y cómo debe funcionar. Las normas son desarrolladas 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) [17]
Conferencia internacional sobre tecnología electrónica flexible del IEEE (IFETC) [18]
