Los circuitos hibridos

Los circuitos híbridos
Esta nueva tecnología son los circuitos híbridos, que son circuitos de
dimensiones muy reducidas, en el que se combinan una integración de
componentes pasivos con otros de tipo discreto, sobre una base
común, sin que se pierda la identidad de cada uno de ellos.
Existe una diferencia funcional con respecto a los circuitos electrónicos
convencionales y es que el circuito híbrido se tendrá en cuenta los
efectos producidos por los cruces de conductores y la resistencia
eléctrica de algunas pistas largar y estrechas.
Los circuitos híbridos 2
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.

Circuitos integrados e híbridos.
Los circuitos integrados
monolíticos se caracterizan por
tener todos sus componentes
asociados e interconectados
entre sí de una forma totalmente
compacta e 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.
Disposición de diferentes elementos de
un circuito hibrido

Custom de sign
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 de sign) 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.

Metalización de los electrodos
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
en hornos de temperatura controlada y
atmosferas de gases, con los que se
obtenían sistema de deposición de
superficies metálicas, generalmente a
base de metales nobles, lo que abría
las puertas a otra serie de interesante
aplicaciones.

Integración de resistencias-condensadores
El procedimiento de metalización de los electrodos por sistema
de serigrafía con el que se obtienen capas metálicas conductoras
siguió el de 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.
Dos resistencias integradas sobre
sustrato.
Un condensador integrado sobre el
sustrato. Se compone de una capa
conductora, otra dieléctrica y una
tercera también conductora.

Circuito híbrido de película gruesa
La última fase de esta evolución de
los circuitos híbridos 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 la mayoría de las
ocasiones cubiertos por un
encapsulado común, denominando al
producto obtenido: circuito híbrido
de película gruesa.

Materiales utilizados en el sustrato para
los circuito híbridos de película gruesa
Los materiales que se suelen emplear como sustratos para
los circuito híbrido son los cerámicos, ya que reúnen unas
características de aislamiento eléctrico, dureza y
conductividad del calor muy adecuadas para el propósito
buscado. Siendo los más utilizados el óxido de berilio, el
titanato de bario y el óxido de aluminio, siendo este último, la
alúmina, el tipo más usado con el 96% de oxido de aluminio.

Proceso de obtención de un circuito
híbrido 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
intenta cubrir las características
necesarias. Normalmente, aparecen
una serie de diferencias causadas
por las diferentes propiedades de
los componentes en uno u otro
caso, así como las diferencias de
tamaño, longitudes de pistas y otras
consideraciones dimensionales.

Proceso de obtención de un circuito
híbrido de película gruesa.
En muchas ocasiones es preferible hacer antes 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.
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.

Fase de obtención de un circuito híbrido
de película gruesa, a partir de un esquema
eléctrico.
1º. Esquema eléctrico 2º. Sustrato con los conductores 3º.Integración de las resistencias
4º. Montaje de un condensador 5º. Montaje del transistor

Ventajas del circuito híbrido de película gruesa
También hay que destacar que 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
puedan 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.

Circuito híbrido de película delgada
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 este.
El trazado de las pistas o vías necesarias, se realizan 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.
Estas 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.

Etapas de construcción del circuito híbrido
de película gruesa.
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 características más, junto
con las de tipo eléctrico. Entonces, sobre las dimensiones
establecidas, será necesario introducir todos los componentes
discretos que precisen, teniendo en cuenta además, que pueda disipar
la potencia transformada en calor, que se origina durante el
funcionamiento.
Esto da lugar a la asignación de
unas zonas o áreas determinadas,
destinadas a la fijación de cada
componente.

Diseño de pistas conductoras
En la siguiente etapa, 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. Pudiendo aplicar sobre un sustrato
varias capas sucesivas de recubrimiento serigráfico con un tratamiento
térmico de secado después de cada una de las capas.
Los materiales conductores suelen estar formados de 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 soldadura.

Sistema empleado para serigrafiar el sustrato
en un híbrido de película gruesa.

Integración de las resistencias
Cuando el sustrato ha sido serigrafiado éste debe ser sometido a un
tratamiento, después de la fase de secado de la pasta dieléctricas, a
un proceso de quemado en el que básicamente se efectúa un
sintetizado de las partículas de vidrio de las mismas y la unión
definitiva con el material de sustrato.
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
específica se adapte al valor óhmico que se desee obtener.
Todas las resistencias se depositan empleando el procedimiento de
serigráfico, obteniéndose, después del quemado en los hornos, unos
valores que se encuentran dentro de un 30% del deseado. Es
necesario, por tanto, un cierto ajuste del valor de las mismas, que
permita alcanzar el valor especificado por el diseño, con una toleración
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 lo que se consigue que la longitud efectiva de la
resistencia teórica aumente hasta que el valor en ohmios llegue a ser
igual al necesario.

Proceso de ajuste de las resistencias
Para el ajuste de las diferentes resistencias para llevarlas al valor
previsto se debe pasar por un proceso. Este proceso se suele realizar
mediante un procedimiento de corte de las mismas para el que existen
dos diferentes métodos, con los que se obtienen resultados bastantes
parecidos, siendo necesarios en ambos casos, disponer de puntos de
medida del valor que va adquiriendo la resistencia en cada momento
para detener el proceso en el instante adecuado.
El primero de los métodos que se utilizaron y que aun mantiene su
validez es el denominado «chorro de arena». Consiste en someter
la resistencia superficial a un fino haz de aire con pequeñas
partículas de arena. Cuando se alcanza el valor previsto se detiene
automáticamente.
El segundo método, consiste en un fino haz de luz coherente con una
cierta energía, procedente de un «rayo laser», el cual vaporiza el
material resistivo a lo largo de una línea estrecha. El haz se corta
cuando se alcanza el valor resistivo deseado.

Representación esquemática del ajuste de una
resistencia según el procedimiento de «chorro de
arena»

Representación esquemática del ajuste de una
resistencia según el procedimiento del rayo laser.

Final del proceso constructivo.
El circuito híbrido se completa con el montaje de todos los
componentes discretos, cuya conexiones con el resto del circuito se
efectúan mediante hilos microscópico, soldados por un procedimiento
de termocompresión o directamente por soldadura de estaño, a
través de su terminales. El proceso de termocompresión produce una
buena unión eléctrica y mecánica entre los dos elementos.
Por último, se le añaden las patillas de conexión y se encapsula
mediante recubrimientos de plásticos o metálicos, obteniéndose así el
producto definitivo.
Varios componentes
semiconductores en
forma de «dado» o
«chip», enlazados
mediante hilos
microscópicos al resto
de circuito.

Soldadura de hilos de conexión en un híbrido mediante
el sistema termocompresión.

Componentes bajo el formato «chip»
Los diodos y transistores pueden también encontrarse bajo el formato
de «chip» 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 400ºC. Este proceso
denominado de termocompresión produce una buena unión eléctrica
y mecánica entre los dos elementos.
Los componentes activos microencapsulados, entre los que también
pueden encontrarse circuitos integrados, se adhieren al sustrato
empleando la pasta de estaño que se utilizan para los condensadores,
obteniéndose una soldadura definitiva por refusión del estaño de la
pasta y evaporación de los disolventes.

Componentes empleados en los
circuitos híbridos
Circuito integrado de doble fila
paralela de patillas en capsula
miniatura.
Dos modelos de transistores
microencapsulados.
Condensador electrolítico de tántalo
en «chip» para montaje sobre
sustratos
Dos tipos de condensadores
cerámicos «chip»

Tipos de encapsulados de circuitos híbridos
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».
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 humedad, vibraciones, choques, etc.
Existen varios procedimientos de encapsulado, destacando los
recubrimientos de plásticos obtenidos por inmersión en una resina
líquida y posterior secado en un horno. Otros recubrimientos pueden
ser realizados con cápsulas cerámicas, de vidrio y metálicas, siendo
estas últimas las de mayor coste, ofreciendo mejores protección y
fiabilidad.

Varios tipos de híbridos de película gruesa en los que
se han utilizado diversos encapsulantes.

Diversas formas de encapsulado de
un circuito híbrido:
a) Con capsula metálica
b) Cápsula cerámica plana
c) Cápsula cerámica o plástico de
doble fila.

Componente activo en tecnología TAB montado sobre
un sustrato.

Fin la presentación

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