El analista de tecnología IDTechEx, Dr. Matthew Dyson, ha publicado recientemente el siguiente artículo sobre electrónica híbrida flexible. Este artículo sigue al lanzamiento del informe IDTechEx, "Flexible Hybrid Electronics 2020-2030: Applications, Challenges, Innovations and Forecasts".

Electrónica híbrida flexible: estrategias para habilitar sustratos más baratos
Imagine una placa de circuito flexible (FPCB) y casi inevitablemente visualizará una lámina de plástico naranja / marrón, probablemente con algunas grabaciones de cobre y quizás algunos componentes soldados en ella. Este plástico es PI (poliimida / Kapton), y su ubicuidad se debe principalmente a su resistencia a la temperatura y durabilidad general. De hecho, es tan duradero e insensible a la temperatura que el PI se usa habitualmente en hornos de laboratorio, criostatos y (cuando está laminado con aluminio) envuelto alrededor de satélites.

Desventajas de la poliimida
Estas capacidades hacen que parezca el material ideal para aplicaciones electrónicas flexibles, pero hay algunas desventajas. En primer lugar, cuesta alrededor de 100 veces el precio del PET (tereftalato de polietileno), un plástico transparente común utilizado en botellas de bebidas. Esto no importa si la película de plástico se va a un laboratorio o alrededor de un satélite, pero como sustrato de circuito para envases inteligentes desechables u otras aplicaciones de bajo coste, es una desventaja importante.

En segundo lugar, a riesgo de decir lo obvio, es de color naranja. Esto evita su uso en aplicaciones ópticas, como hojas cubiertas con LED. En tercer lugar, la contrapartida de su durabilidad es que no se estira, por lo que es difícil de usar en parches de piel portátiles o textiles electrónicos.

Todo esto significa que cambiar a sustratos transparentes más baratos pero térmicamente más frágiles, como PET, PEN (naftolato de polietileno) y TPU elástico (poliuretano termoplástico) es una tendencia importante en la industria electrónica flexible. Sin embargo, requiere un cambio tecnológico significativo de forma que los componentes electrónicos se unen al sustrato. Este accesorio de componentes convencionales a sustratos flexibles con interconexiones impresas (en lugar de grabadas) se denomina electrónica híbrida flexible (FHE).

El nuevo informe de IDTechEx, "Flexible Hybrid Electronics 2020-2030: Applications, Challenges, Innovations and Forecasts", analiza las tecnologías e innovaciones necesarias para permitir la fabricación electrónica en sustratos de bajo coste. Se basa en una extensa investigación primaria, que incluye entrevistas y visitas a empresas de todo el mundo, y se menciona en el resto de este artículo.

La electrónica híbrida flexible necesita sustratos de bajo coste
La electrónica híbrida flexible (FHE) promete combinar la funcionalidad de la electrónica rígida convencional con la flexibilidad de la electrónica impresa. El diagrama muestra un circuito prototipo de FHE, en el que un circuito integrado se combina con muchos otros elementos, incluidos (por ejemplo) sensores impresos, una antena, una batería de película delgada e incluso PV de película delgada. No todos los componentes deben incluirse, o incluso imprimirse, para que un circuito cuente como FHE, pero debe incluir como mínimo la funcionalidad impresa y colocada.

Con una PCB rígida convencional, o de hecho una FPCB, la unión de componentes se realiza con soldadura, una tecnología crucial que se da por establecida en gran medida. La soldadura tiene múltiples beneficios: la tensión superficial ayuda a colocar los componentes colocados en la alineación correcta, lo que reduce los requisitos para la colocación de precisión, los errores se pueden rectificar a mano y, lo más importante, proporciona excelentes conexiones eléctricas y mecánicas. Desafortunadamente para los fabricantes que aspiran a usar sustratos alternativos térmicamente frágiles más baratos, la soldadura convencional SnAgCu (SAC) requiere temperaturas de reflujo de alrededor de 250 C, lo que no es un problema para PI, pero causa fusión y degradación en la mayoría de los otros sustratos plásticos.

Adhesivos Conductores Anisotrópicos
Hasta la fecha, este enigma se ha resuelto utilizando adhesivos conductores anisotrópicos (ACA), que pueden curarse térmicamente a temperaturas adecuadas. Sin embargo, IDTechEx cree que representan una solución provisional para muchas aplicaciones, particularmente aquellas que requieren una alta durabilidad: tienen alrededor de 3 a 10 veces el precio de la soldadura y, en particular, no ofrecen ningún beneficio. Como tal, se ha dedicado mucho esfuerzo al desarrollo de la soldadura a baja temperatura, o en la sinterización fotónica que puede hacer que la soldadura refluya sin dañar el sustrato. Cuál de estos enfoques se adopta más ampliamente sigue siendo una pregunta abierta, pero el desarrollo de métodos de fijación de componentes compatibles con PET es, sin duda, un paso crucial para avanzar en la adopción de electrónica híbrida flexible de bajo coste.

Estos materiales de fijación de componentes, junto con estudios de casos de enfoques innovadores que incluyen nanopartículas que contienen soldadura superenfriada y ACA alineados en campo, se evalúan en detalle en el nuevo informe IDTechEx.

Una hoja de ruta para la adopción del sustrato
Dados los requisitos en términos de desarrollo tecnológico y métodos de fabricación para sustratos de bajo coste, IDTechEx prevé que es más probable que se adopten en aplicaciones de alto volumen y costes. IDTechEx sugiere que los sustratos de papel serán gradualmente dominantes para las etiquetas RFID y los envases inteligentes. También se alejará de PI hacia sustratos más baratos y térmicamente más frágiles, como el PET, liderados por aplicaciones que tienen requisitos de durabilidad más bajos. La hoja de ruta específica de la aplicación IDTechEx para la adopción del sustrato se muestra esquemáticamente a continuación.

Una hoja de ruta esquemática que muestra la evolución en la elección del sustrato para diversas aplicaciones de FHE. Es probable que las aplicaciones más sensibles al coste, como el envasado inteligente, experimenten la mayor transición de PI a PET. El papel también es una opción para sustratos de embalaje inteligentes si los equipos de fabricación electrónica pueden integrarse en las líneas de embalaje existentes.

Una descripción completa de FHE
El nuevo informe de IDTechEx, "Flexible Hybrid Electronics 2020-2030: Applications, Challenges, Innovations and Forecasts", ofrece un análisis exhaustivo de esta frontera tecnológica emergente. IDTechEx ha estado evaluando y siguiendo las tecnologías electrónicas impresas y los mercados durante más de una década. Este informe se basa en nuevas investigaciones primarias que incluyen entrevistas y visitas a empresas con todos los actores clave del mundo. Identifica y examina todas las tendencias clave de innovación en los materiales y sistemas de producción, cubriendo los materiales de fijación, sustrato y metalización, así como las técnicas de producción, incluido el pick-and-place de alto rendimiento y varias técnicas de impresión S2S y R2R. Este informe crea una hoja de ruta de aplicaciones, que muestra cómo FHE crecerá en complejidad desde simples etiquetas RFID de hoy en día hasta electrónica híbrida flexible y compleja del futuro, permitiendo aplicaciones en empaques inteligentes, monitoreo industrial y dispositivos portátiles y más. Ofrece un análisis detallado de la línea de tiempo de la aplicación, los desafíos y las oportunidades de innovación. Además, pronostica el crecimiento de esta tecnología habilitadora, lo que demuestra que el mercado puede alcanzar X por Y con el punto de inflexión en el que se produce una rápida captación que probablemente llegue en 2025.

Pronósticos de mercado por ingresos para la adopción de FHE para diversas aplicaciones. Estos pronósticos se basan en un análisis granular de más de 20 subcategorías, los beneficios ofrecidos por FHE en cada categoría y los pronósticos de precios para componentes específicos de la aplicación y métodos de ensamblaje.