La electrónica híbrida flexible (FHE) promete combinar la funcionalidad de la electrónica rígida convencional con la flexibilidad de la electrónica impresa. Un circuito FHE prototipo, en el que un circuito integrado se combina con otros elementos múltiples, incluye (por ejemplo) sensores impresos, una antena, una batería de película delgada e incluso una película delgada de PV. No es necesario incluir todos los componentes, o incluso imprimirlos, para que un circuito cuente como FHE, pero debe incluir como mínimo tanto la funcionalidad impresa como la colocada.

Es fundamental para la FHE montar un circuito integrado (CI), fabricado por separado utilizando la fotolitografía, en un sustrato flexible y conectarlo a las interconexiones impresas. Esto presenta algunos desafíos tecnológicos: en primer lugar, las matrices de silicio son rígidas y, por lo tanto, tienen un factor de forma y un coeficiente de expansión térmica completamente diferentes del sustrato flexible subyacente; en segundo lugar, los semiconductores alternativos al silicio, como los óxidos metálicos y los semiconductores orgánicos, tienen movilidades mucho menores y son difíciles de fabricar con rendimientos suficientemente altos.

CI encapsulados: Una solución temporal

Una estrategia provisional consiste en soldar un CI rígido convencional encapsulado a un sustrato flexible (normalmente rígido). Tales circuitos se denominan generalmente circuitos impresos flexibles (FPCB) a pesar de tener interconexiones grabadas. Desafortunadamente, el montaje de un CI encapsulado impide sustancialmente la flexibilidad y elimina la posibilidad de fabricación de R2R.

Una solución es utilizar pastillas (dies) desnudas, una estrategia que se ha empleado durante años en las etiquetas RFID. Éstas tienen un circuito integrado muy pequeño (< 1 mm2) fijado en dos puntos usando un adhesivo conductor a una antena. Sin embargo, esta aplicación evita dos de las dificultades asociadas con la incorporación de CIs más grandes y más funcionales. En primer lugar, los circuitos integrados son tan pequeños que su flexibilidad es casi irrelevante en cualquier radio de curvatura realista. En segundo lugar, las pastillas de fijación grandes son viables ya que sólo se necesitan dos conexiones electrónicas.

Sin embargo, a medida que los circuitos integrados se hacen más funcionales (por ejemplo, los que incorporan Bluetooth o memoria) y, por lo tanto, más grandes, comienzan a surgir dificultades. En primer lugar, su falta de flexibilidad se convierte en un problema para las aplicaciones de FHE, ya que no pueden ajustarse al sustrato subyacente.

Los CI flexibles de Si diluido

Como tal, los CIs flexibles están empezando a surgir, con el enfoque tecnológico siguiendo 2 caminos divergentes. El primero es reducir los chips de Si existentes moliéndolos hasta justo encima de la primera unión. El frágil y delgado troquel, con espesores tan bajos como 10 um, este encapsulado en una fina capa de poliimida para añadir protección contra las fracturas y hacer más fácil su manejo.

Esta metodología es en principio aplicable a muchos chips semiconductores, con CIs flexibles ya disponibles en pequeños volúmenes para la creación de prototipos. Esto incluye un módulo con convertidor analógico-digital y RFID UHF que mide 2,2 mm por 2,3 mm por 25 um. La limitación actual de la flexibilidad no es el troquel en sí mismo, sino el método de fijación, que identificamos como un área clave de innovación.

CIs flexibles nativos del óxido de metal
La otra alternativa son los circuitos integrados nativos flexibles, que actualmente sólo están disponibles para aplicaciones relativamente sencillas como las etiquetas RFID y la lectura de sensores. Mientras que los CI impresos se han probado y han fracasado en gran medida, la aplicación de las técnicas fotolitográficas establecidas desde hace mucho tiempo para depositar secuencialmente películas de metal, aislante y óxido de metal en un sustrato de poliamida ha permitido la creación de CI nativamente flexibles. permitiendo que los chips cuesten sólo 0,01 dólares.

Como se puede ver en el cuadro siguiente, los CIs flexibles nativos son más baratos de producir que los CIs basados en Si si hay menos de 100.000 puertas lógicas, con el coste de los chips de RFID alrededor de 0,01 dólares. Esta característica de coste y complejidad es ideal para aplicaciones como el encapsulado inteligente, en las que el bajo coste en lugar de la capacidad de procesamiento es el factor limitante.

Adopción de CI flexibles
En resumen, la FHE requiere intrínsecamente alternativas a los CI empaquetados rígidos utilizados en los PCB y FPCB rígidos convencionales. Es probable que las matrices de silicio diluido, que se han hecho más robustas gracias a la encapsulación de poliimida, encuentren aceptación en aplicaciones con requisitos de procesamiento más complejos, como la sustitución de los PCB convencionales. También pueden utilizarse troqueles desnudos estándar, pero requieren una manipulación muy cuidadosa para preservar los rendimientos. Los circuitos integrados basados en óxido metálico nativamente flexibles, que en la actualidad sólo son capaces de comunicación HF RFID y de un procesamiento comparativamente sencillo de los datos de los sensores, se emplearán inicialmente en las etiquetas RFID y en la aplicación de encapsulado inteligente. Es probable que sus capacidades, y por lo tanto la gama de aplicaciones adecuadas, se amplíen a medida que se desarrolle la tecnología.