Componentes electrónicos para la nueva industria

Dentro del amplio espectro del complejo electrónico, el diseño y fabricación de componentes destaca por su peso específico en la industria y por ser una de las ramas tecnológicamente más dinámicas del presente y que, por lógica, lo seguirá siendo en el futuro, con grandes avances en minituarización y potencia.

Detrás de sus logros asombrosos, se encuentran componentes de escala micrométrica o nanométrica de gran complejidad que son el resultado de muchas horas hombre de diseño. En lo referido a la fabricación de componentes electrónicos uno de los principales retos a los que se enfrenta la industria es a la reducción máxima de éstos. Tanto es así que la miniaturización de los dispositivos ha sido tradicionalmente un buen parámetro para medir el avance y desarrollo de sectores como el informático y todos aquellos donde la electrónica es parte fundamental. Los avances de la física y la aparición de la electrónica combinada con los progresos de la ciencia de los materiales han dado lugar a circuitos eléctricos y electrónicos muy reducidos capaces de controlar señales eléctricas de muy baja intensidad, gracias a nuevos materiales eléctricos como:

• Semiconductores: materiales como el silicio, galio o selenio, arseniuro de galio, etc., cuya resistencia al paso de la corriente depende de factores como la temperatura, la tensión mecánica o el grado de iluminación que se aplica. Con ellos se fabrican microchips para ordenadores y circuitos de puertas lógicas.
• Superconductores: materiales como el mercurio por debajo de 4 K de temperatura, nanotubos de carbono, aleaciones de niobio y titanio, cerámicas de óxidos de itrio, bario y cobre, etc., que, al no oponer resistencia al paso de la corriente eléctrica, permiten el transporte de energía sin pérdidas.
• Piezoeléctricos: materiales como el cuarzo, la turmalina, cerámicas y materiales plásticos especiales, dotados de estructuras microcristalinas, que poseen la capacidad de transformar la energía mecánica en eléctrica y viceversa. Se utilizan como sensores y actuadores en dispositivos electrónicos como relojes, encendedores, micrófonos, radares, etc.

Cuanto más pequeños son los componentes que se utilizan, mayor número de ellos se pueden utilizar en un mismo espacio, y, por lo tanto, mayor potencia y eficiencia tendrán los equipos electrónicos. En los últimos años, la funcionalidad de equipos portátiles y móviles, como smartphones, tablets, dispositivos de salud y fitness, entre otros, demanda componentes más ‘esbeltos’, que a la vez incluyan mejoras en precisión y funcionalidad. En este sentido, durante mucho tiempo ha sido difícil producir resistencias con un tamaño por debajo de 0402 (0.4 x 0.2 mm) como consecuencia de la tolerancia dimensional del encapsulado de hasta ±20 µm en el proceso, pérdida de chip y otros factores. La compañía Rohm ha hecho frente a este reto utilizando tecnología propia para beneficiarse de avances en componentes electrónicos miniaturizados. Como resultado, alcanza una precisión dimensional de ±10 µm, que también contribuye a reducir las irregularidades de electrodo lateral. Un montaje de alta precisión y elevada densidad también se hace realidad mediante el desarrollo de tecnologías con partners de la compañía. También se consigue aumentar la resistencia al choque y la fiabilidad de la bobina.

Así, las resistencias de tamaño 03015 y la mayoría de componentes electrónicos disponibles a nivel producción se caracterizan por alta precisión y una disminución de tamaño del 56 por ciento con respecto a productos 0402. El área de montaje requerida se reduce un 44 por ciento. Estas resistencias 03015 destacan por tensión de elemento de 10 V, coeficiente de temperatura de resistencia de ±200 ppm / °C y rango de temperatura de -55 a +125 °C.

Otro ejemplo son los diodos de barrera Schottky, que permiten un montaje de alta densidad en dispositivos móviles. El tamaño y el área de montaje se reducen un 44 y un 56 por ciento, respectivamente, en comparación con unidades 0603 (0,6 x 0,3 mm) convencionales. Al adoptar nuevas estructuras de dispositivo de chip y técnicas de proceso ultra precisas, las características eléctricas esenciales, como forward voltage (VF) y high power (0,1 W) se mantienen con un formato mucho más compacto. En ambos casos, se utilizan electrodos de oro para proporcionar mejoras en capacidad de soldadura y fiabilidad.

Durante Angacom 2016, la feria alemana de referencia para los sectores broadband, cable y satélite celebrada en Colonia el pasado junio, la compañía española Televés sorprendió a la industria con la presentación de la tecnología TForce, para diseñar, fabricar y montar componentes MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits).

Ésta supone un salto exponencial en la miniaturización de componentes electrónicos, y permitirá desarrollar una nueva generación de productos Televés con características técnicas muy difíciles de igualar.

El primer fruto de la aplicación de esta revolución tecnológica es la antena DAT Boss TForce, que verá la luz por primera vez en la feria. El salto tecnológico que ofrece TForce proporciona a la nueva antena un rango dinámico hasta ahora desconocido y un incremento del 27% del área de cobertura, asegurando la calidad óptima de la señal de salida por muy difíciles que sean las condiciones de recepción.

MMIC supera las limitaciones de los microchips de silicio y da paso a una nueva era en el diseño de componentes electrónicos, al permitir obtener circuitos integrados que operan en la banda de frecuencia de las microondas. Estos circuitos, cuya fabricación está basada en compuestos de semiconductores como el arseniuro de galio (GaAs), reducen su tamaño de forma drástica, hasta unas dimensiones entre 1 y 10 mm².

La producción de componentes con esta tecnología supone un gran reto no sólo desde el punto de vista del desarrollo, sino también por las altas exigencias que plantea su fabricación. La colocación de componentes MMIC no tolera márgenes espaciales mayores de 5 micras ni temporales por encima de 100 milisegundos. Además, es imprescindible un control extremo de los parámetros de temperatura y humedad ambiental en su proceso de montaje en placas de circuito impreso.

De este modo, con TForce Televés entra en una nueva dimensión, en la que se elimina la dependencia de los fabricantes de microchips y, por lo tanto, el límite en el desarrollo de productos ya no lo establece la disponibilidad de componentes en el mercado, sino la creatividad del equipo de diseño de microelectrónica de la compañía. Además, la tecnología TForce impulsará el proceso de diversificación de la Corporación Televés, al permitirle desarrollar productos punteros para sectores muy competitivos y exigentes, como la aeronáutica, la sanidad, la energía o la automoción.

Un ejemplo más es un proyecto de investigación europeo 2D-Nanolattices, que ha dado un paso importante en la miniaturización de componentes nanoelectrónicos gracias a la utilización del siliceno, un nuevo material con propiedades muy prometedoras. El objetivo del proyecto es desarrollar dispositivos de futuro mucho más potentes y eficientes energéticamente.

El siliceno, un material semiconductor nuevo que combina las propiedades del silicio y el grafeno, se encuentra entre los candidatos más interesantes para su utilización en la fabricación de circuitería electrónica aún más pequeña que pueda integrarse en dispositivos inteligentes.

“Los componentes electrónicos se integran actualmente en capas múltiples de átomos de silicio. La integración de dichos componentes en una capa única permitiría reducir su tamaño de manera significativa y minimizar las fugas eléctricas, a la vez que se conseguiría aumentar la potencia y eficiencia energética de los dispositivos en los que se monten”, ha declarado Athanasios Dimoulas, coordinador del proyecto europeo 2D-Nanolattices.

El grafeno es una sustancia interesante puesto que se estructura en una única capa de átomos, aunque no posee el ‘vacío energético’ necesario para ser material semiconductor. El siliceno, variante bidimensional del silicio, aporta sus propiedades semiconductoras al mundo de los materiales 2D, si bien presenta el problema de que sus características se alteran al entrar en contacto con otras sustancias, por ejemplo metales.

La integración de componentes electrónicos en una capa única de siliceno manteniendo el rendimiento electrónico de éstos ha sido una tarea difícil para los investigadores, hasta ahora. El proyecto 2D-Nanolattices ha logrado un importante descubrimiento a nivel mundial al crear, a partir del material descrito, un transistor de efecto de campo (FET) capaz de funcionar a temperatura ambiente.

Los FET son un componente de conmutación fundamental en la circuitería electrónica, por lo que su integración en una capa única de átomos de silicio (con la estructura del siliceno) que -tras crecer en un sustrato de plata- se transfiere a otra capa formada por una sustancia más neutra, el dióxido de silicio, se considera un logro importantísimo. “Las pruebas han demostrado que el rendimiento del siliceno es muy bueno en sustratos no metálicos”, afirmó Dimoulas.

“El hecho de tener este transistor, formado por una capa única de materiales como el silicio, es algo que no se había conseguido hasta ahora y que puede considerarse un gran avance, en virtud del cual podrían fabricarse transistores en dirección vertical con un tamaño cien veces menor”, concluyó.

De acuerdo con sus cálculos, la reducción vertical del tamaño del transistor en una capa única 2D formada por átomos permitirá reducir también las dimensiones lateralmente, lo que implicaría que la misma área del chip podría incorporar veinticinco veces más componentes electrónicos que antes.

Además, la utilización de un único canal estrecho para conducir la corriente eléctrica reduce las fugas de energía, problema que ha preocupado a los especialistas de semiconductores desde hace cierto tiempo: cómo reducir aún más el tamaño sin provocar un sobrecalentamiento de los dispositivos que provoque fugas eléctricas.

Éstas son buenas noticias para los fabricantes de chips, especialmente ahora que la carrera para fabricar la próxima generación de tecnologías de comunicación se hace más exigente, a raíz de la aparición de las redes móviles 5G.

La capacidad de crear y manipular materiales con una precisión extraordinaria a nanoescala supone generar oportunidades en una serie de áreas que van más allá del diseño convencional de chips. Muchas de las principales limitaciones de las baterías se derivan de su estructura física. Para construir mejores baterías, los ingenieros tienen que aumentar la superficie efectiva del ánodo y el cátodo para que sea más fácil para los electrones fluir entre ellos. “Al configurar la superficie del electrodo en 3D a nanoescala se permite que esto suceda”, explica Philip Pieters, director de Desarrollo de Negocio del área de Tecnología Energéticas de Imec.

Los investigadores esperar que esas baterías no solo almacenen más energía que con los diseños convencionales, sino que sean mucho más rápidas en cargar, lo que allanarían el terreno para que los dispositivos electrónicos e incluso los coches eléctricos puedan recargarse en minutos y no en horas. Además de las baterías a nanoescala, el equipo de investigación de Pieters trabaja en tecnologías de impresión de alta precisión que pueden usarse para aplicar unas capas ultrafinas de materiales electrónicos en toda una variedad de campos. Los paneles fotovoltaicos imprimibles, por ejemplo, terminarán permitiendo que los edificios generen electricidad a partir de la luz del sol que incide sobre sus fachadas y ventanas o, incluso, de la luz interior que recae sobre paredes y techos internos y que, de otro modo, se desperdiciaría.