Los circuitos hbridosPrcticamente al mismo tiempo que tuvo lugar el desarrollo de los circuitos integrados, apareci otra nueva tecnologa, orientada tambin hacia la miniaturizacin de los circuitos convencionales pero con unas reglas bastantes diferenciadas. Los circuitos integrados monolticos se caracterizan por tener todos sus componentes asociados e interconectados entre s de una forma totalmente inseparable, mientras que el producto obtenido de la tecnologa mencionada o circuito hbrido, combina la integracin de una serie de componentes pasivos (resistencias y condensadores) con otros componentes discretos aunque de pequeo tamao, que se encuentran microencapsulados.

Los circuitos hbridos vienen a cubrir todos aquellos casos en que resulta imposible utilizar un circuito integrado por las caractersticas propias de la aplicacin, adems permite otra serie de posibilidades de integracin bajo el diseo del cliente (custom design) que no ofrece el circuito integrado convencional. Esta interesante alternativa hace que en la prctica el mayor nmero de modelos que se fabrican de circuitos hbridos correspondan a diseos orientados hacia aplicaciones especficas de clientes y no de tipos estandarizados.

Origen y evolucin

El origen de esta tecnologa de integracin se remonta a los aos cincuenta cuando los fabricantes de condensadores cermicos quisieron extender las posibilidades de stos, obteniendo dos o ms condensadores a partir de un nico dielctrico. Para ello desarrollaron ampliamente el procedimiento de metalizacin de los electrodos por sistemas de serigrafa, seguidos de un proceso de quemado de hornos de temperatura controlada y atmsferas de gases, con los que se obtena un perfecto sistema de deposicin de superficies metlicas, generalmente a base de metales nobles, lo que abra las puertas a otra serie de interesantes aplicaciones. En efecto, al procedimiento descripto con el que se obtienen capas metlicas conductoras sigui el de la deposicin de capas de resistencias mediante serigrafa de compuestos de carbn, obtenindose resistencias y combinaciones de condensadores-resistencias con un nivel de integracin que permiti reducir bastante el nmero de conexiones, aunque, como puede deducirse, se limit nicamente a los componentes pasivos.

Ms adelante se observ que la composicin de carbono utilizada para las resistencias no ofreca unos buenos resultados en cuanto a precisin y estabilidad y se desarrollaron otros materiales a base de xidos metlicos para sustituir al anterior, que son los empleados en la actualidad. La ltima fase de esta evolucin consisti en incluir sobre el dielctrico o sustrato, que contienen las resistencias y condensadores, otra serie de componentes unidos a los anteriores mediante tcnicas especiales de soldadura y en la mayora de las ocasiones cubierto por un encapsulado comn, denominando al producto obtenido: circuito hbrido de pelcula gruesa.

Este componente presenta una serie de ventajas frente al circuito convencional o al integrado monoltico tales como: precisin, calidad, elevado rendimiento y sobre todo, que pueden acomodarse a cualquier diseo 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 tecnologa diferente de la anterior, que tambin se utiliza actualmente es la de pelcula delgada. En este caso, la deposicin de los componentes pasivos sobre el sustrato, se realiza mediante un proceso de vaco, en el que se evapora una fina capa del material conductor o resistivo sobre la superficie de ste. El trazado de las pistas o vas necesarias, se realiza empleando una mscara que protege las zonas que deben quedar sin cubrir o mediante un sistema de eliminacin de estas reas, despus de que el sustrato se haya recubierto por completo. Esta tecnologa ofrece las mismas posibilidades que la anterior, en lo referente a la capacidad de integracin de conductores, resistencias y condensadores y al igual que ella, tampoco permite la de componentes activos.

Hbridos de pelcula gruesa

El proceso completo de obtencin de un determinado circuito hbrido de pelcula gruesa, comienza con el diseo del circuito electrnico convencional que se desea integrar. A partir de l, se efecta un prototipo de hbrido con el que se intentan cubrir las caractersticas necesarias. Normalmente, aparecen una serie de diferentes propiedades de los componentes en uno u otro caso, as como las diferencias de tamao, longitudes de pistas y otras consideraciones dimensionales. En muchas ocasiones es preferible hacer una simulacin con componentes convencionales sobre circuito impreso, de ciertas caractersticas particulares de la pelcula gruesa. Se pueden simular con pequeos condensadores las capacidades parsitas de los cruces, entre conductores y con pequeas resistencias, las que ofrecen ciertos conductores demasiados largos y estrechos.

Cuando se trata de circuitos de alta frecuencia, en los que la situacin, tamao y conexionado entre los componentes, es mucho ms crtica, se suele pasar directamente a la integracin, en la que sern necesarios varios rediseos hasta obtener la disposicin ms adecuada.

Diseo y realizacin

Ya entrando de lleno en la realizacin del hbrido, la primera condicin que se tiene en cuenta, es el tamao mximo que debe de tener el mismo, el cual suele venir fijado como una caracterstica ms, junto con las de tipo elctrico. Entonces, sobre las dimensiones establecidas, ser necesario introducir todos los componentes discretos que se precisen, teniendo en cuenta adems, que pueda disipar la potencia transformada en calor, que se origine durante el funcionamiento. Esto da a lugar la asignacin de unas zonas o reas determinadas, destinadas a la fijacin de cada componente. En la fase siguiente, se disean todas las pistas conductoras que enlazarn los diversos componentes y stos con los terminales o patillas exteriores de conexin. Esto da lugar a una primera capa de serigrafa sobre el sustrato cermico de soporte, obtenindose como resultado una estructura de conductores, que sirve como base para la siguiente etapa de fabricacin.

En muchas ocasiones es inevitable la aparicin de puntos de cruce entre los conductores, lo que se resuelve aplicando una segunda capa de serigrafa con material dielctrico sobre estas zonas, para efectuar a continuacin otra segunda deposicin de material conductor.Una vez que se dispone del sustrato con todas las vas conductoras ya realizadas, se pasa a efectuar la integracin de las resistencias, para lo que se parte de materiales apropiados, cuya resistencia especifica se adapta al valor hmico que se desee obtener.El clculo de las resistencias se efecta por el procedimiento de resistencia por unidad de superficie. Este mtodo se basa en suponer que la capa resistiva va a tener un espesor uniforme, definido por el propio proceso de deposicin, por lo que no es necesario tenerle en cuenta, salvo en las consideraciones iniciales. De esta forma, la frmula, ya conocida, que define la resistencia:

R=p x I/s

se puede transformar en:

R=p x I/(exh)

en la que la seccin s se ha sustituido por el producto del espesor e por la anchura h de la capa resistiva. Para aclarar este concepto, considrese que la corriente elctrica circula por la capa resistiva superficial a travs de la seccin transversal a la misma, de forma rectangular y cuya rea est definida por el producto de altura o espesor de la capa (e), por la anchura de la misma (h).

Volviendo a la frmula 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 intrnseca p del materia utilizado por el espesor e de una capa, se mide en ohmios por cuadrado (/2) y se refieren en la mayora de los casos a la resistencia que presenta un cuadrado de 1 milmetro o de 0,1 pulgada de lado de la capa resistiva.

Este sistema de clculo, permite definir la longitud y anchura que deben de tener cualquiera de las resistencias del circuito elctrico, a base de suponer las divididas en cuadrados elementales. Dos o ms cuadrados situados de forma que la corriente les atraviese simultneamente, producirn el efecto de resistencias en paralelo y se sitan una a continuacin del otro, el resultado ser semejante al de las resistencias en serie.

Todas las resistencias se depositan empleando el procedimiento serigrfico, obtenindose, despus 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 diseo 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 Lser, con el que se consigue que la longitud efectiva de la resistencia terica aumente hasta que el valor en ohmios llegue a ser igual al necesario.

El circuito hbrido se completa con el montaje de todos los componentes discretos, cuyas conexiones con el resto del circuito se efectan mediante hilos microscpicos, soldados por un procedimiento de termocompresin o directamente por soldadura de estao, a travs de sus terminales. Por ltimo, se le aaden las patillas de conexin y se encapsula mediante recubrimientos plsticos o metlicos, obtenindose as el producto definitivo.

Una vez conocidas las etapas bsicas en la realizacin de un circuito hbrido de pelcula gruesa, se van a describir seguidamente los diversos materiales que intervienen en la fabricacin del mismo y que permiten la consecucin del objeto final.

Sustrato

El primero de los elementos a considerar es el sustrato o elemento dielctrico empleado como base de sustentacin al circuito hbrido. Los sustratos generalmente empleados estn fabricados con materiales cermicos, siendo los ms utilizados el xido de berilio, el titanato de bario y el xido de aluminio.

El xido 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 dielctrica elevada, lo que permite fabricar condensadores de alta capacidad, en cuyo caso se emplea como dielctrico entre dos capas conductoras.

El xido de aluminio o almina posee unas excelentes propiedades, tanto de disipacin de calor como de constante dielctrica, por lo tanto ha pasado a ser el tipo ms popular de los tres materiales citados, emplendose generalmente para la fabricacin de circuitos hbridos de aplicaciones generales. La composicin del sustrato construido de este material contiene 96% de xido de aluminio, estando formado el 4% restante por otras sales minerales.

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

Tinta serigrficas

Para la disposicin de las capas conductoras resistivas y dielctricas sobre el sustrato base, se utiliza un procedimiento de serigrafa similar a los procesos litogrficos 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 lquidos orgnicos que confieren al producto las propiedades necesarias de viscosidad para que pueda ser posible el proceso de serigrafa.

La pasta o tinta conductora debe poseer unas buenas caractersticas de conductividad, buena adhesin al sustrato, ya que en muchas ocasiones sirve de soporte y fijacin de componentes discretos y buena estabilidad durante el proceso de fabricacin y posterior utilizacin.

Los materiales conductores suelen ser metales preciosos (oro, paladio-plata y platino) en forma de diminutas partculas normalmente menores de 5 micras de dimetro. El tamao y distribucin de estas partculas influyen en gran manera sobre las propiedades fsicas y elctricas 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 orgnicas en su composicin. Los materiales resistivos utilizados son una mezcla de metales, xidos metlicos y semiconductores. Normalmente se emplea una densidad de partculas conductoras mucho menor que en las cintas conductoras, obtenindose un punto en el que estas partculas se encuentran separadas por una pelcula de vidrio. Debido a la interaccin entre metal y vidrio se obtiene un efecto ligeramente semiconductor, con unas propiedades resistivas muy adecuadas.

Las tintas o pastas dielctricas, utilizadas fundamentalmente para obtener capas aislantes entre conductores o como dielctrico para condensadores integrados estn formados por un material bsico de vidrio y las sustancias orgnicas necesarias, no siendo preciso el uso de aglomerantes al estar el vidrio formado parte de la composicin de la pasta. Uno de los factores ms importantes de estas pastas, es su viscosidad, ya que determina la buena o mala adherencia del conductor que se site sobre ellas.

Procesos trmicos

Una vez efectuado el depsito de la tinta sobre el sustrato por un mtodo de impresin serigrfico, en el que se emplea una mscara con la que se obtienen nicamente las zonas adecuadas, es necesario someter al conjunto obtenido a un tratamiento trmico, en el que se eliminan los disolventes contenidos en la pasta, sometindoles durante un tiempo comprendido entre cinco y diez minutos a una temperatura de unos 125 C. El resultado es un sustrato completamente seco que puede ser empleado para una nueva deposicin serigrfica con otra mscara diferente o bien se lleva a otro proceso trmico de quemado, en el que tiene lugar la obtencin definitiva de los conductores, resistencias y dielctricos.

Este proceso se suele realizar en un horno continuo en el que los sustratos pasan por varias cmaras independientes con diferentes temperaturas. Bsicamente se realiza una fase de extraccin en la cual se evaporan los disolventes orgnicos a una temperatura de unos 500 C. Despus se produce un sinterizado en el que se funde el polvo de vidrio y se obtiene la unin entre las partculas metlicas y el sustrato, a una temperatura de unos 800 C, y finalmente se pasa a una fase de refrigeracin en la que se solidifica el vidrio, volviendo el sustrato a la temperatura ambiente.

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 mtodo de medida del valor que va adquiriendo la resistencia en cada momento para detener el proceso en el instante adecuado.

El primero de los mtodos que se utilizaron y que an mantienen su validez es el denominado de chorro de arena. Consiste en someter la resistencia superficial a un fino haz de aire con pequeas partculas de arena que incide a lo largo de la lnea que ha de cortarse a presin y con una velocidad de avance perfectamente controlada.

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

El segundo mtodo de ms reciente implantacin prctica, consiste en un fino haz de luz coherente con una cierta energa, procedente de un lser, el cual vaporiza el material resistivo a lo largo de una lnea estrecha al desplazarse en una direccin previamente controlada. Al igual que en el sistema anterior, el haz se corta electrnicamente 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 pequeas partculas de arena que rebotan en el sustrato a elevadas velocidades y pueden daar otras zonas del circuito u otros dispositivos situados en su proximidad, lo que exige algn sistema de proteccin.

Componentes discretos

El proceso de fabricacin contina con la implantacin de los componentes existiendo tipos que por su tamao y caractersticas se adaptan perfectamente sobre el sustrato. Pueden considerarse dentro de la gama de los pasivos los condensadores cermicos o tntalos en chip. Los primeros poseen una forma paralelepipdica en las zonas de conexin situadas en los extremos y realizadas a base de metales nobles o recubiertas con aleaciones a base de estao. Su soldadura se efecta impregnndoles previamente una pasta que contiene partculas de estao en suspensin y sometindoles a un proceso de re-fusin en un horno. Los diodos y transistores pueden tambin 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 presin sobre una zona metalizada previamente con oro y a una temperatura de unos 400 C. Este proceso denominado de termocompresin produce una buena unin elctrica y mecnica entre los dos elementos. Despus se efecta por el mismo procedimiento la unin del resto de terminales del diodo o transistor, empleando hilos de conexin de oro o aluminio de un dimetro aproximado de 30 micras (1 micra = 0,001 milmetro). Los componentes activos microencapsulados, entre los que tambin pueden encontrarse circuitos integrados, se adhieren al sustrato, empleando la pasta de estao mencionada para condensadores, obtenindose su soldadura definitiva por re-fusin del estao de la pasta y evaporacin de los disolventes al someterles a una temperatura de 240 C aproximadamente en un horno de infrarrojos.

Tambin existen otros tipos de encapsulados de componentes que requieren diferentes tcnicas de implantacin, pudindose citar el Beam Lead, el Flip-Chip y el TAB.

Terminales y encapsulado

Las ltimas operaciones de fabricacin corresponden a la fijacin y soldadura de los terminales externos de conexin sobre las vas metalizadas destinadas a esta finalidad y el encapsulado que proteger al circuito hbrido de cualquier posible degradacin producida por la humedad, vibraciones, choques, etc. Existen varios procedimientos de encapsulado, destacando los recubrimientos plsticos obtenidos por inmersin en una resina lquida y posterior secado en el horno. Otros recubrimientos pueden ser realizados con cpsulas cermicas de vidrio y metlicas, siendo estas ltimas las de mayor coste, ofreciendo las mejores caractersticas de proteccin y fiabilidad.