29 mayo, 2024

España quiere ser líder mundial en chips de carburo de silicio e independizarse de China. Su plan: el proyecto DioSiC

La oblea de circuitos integrados que podemos ver en la imagen de portada de este artículo es de carburo de silicio policristalino y ha sido fabricada íntegramente en España. Es la prueba palpable de que la tecnología necesaria para producirla ya está en las manos de los ingenieros españoles. El nombre que recibe habitualmente una oblea cuando todavía no ha sido sometida a los procesos litográficos necesarios para transferirle el patrón que contiene la lógica de los chips es sustrato.

Este componente es el auténtico punto de partida de la fabricación de semiconductores. Como veremos más adelante, las propiedades eléctricas de los sustratos de carburo de silicio policristalino son más atractivas que las de las obleas de silicio convencionales. En cualquier caso, antes de seguir adelante nos interesa reparar en algo interesante: el nombre del proyecto en el que vamos a indagar en este artículo, DioSiC, procede de la combinación de la palabra ‘diodo’ y la fórmula química del carburo de silicio (SiC).

Y es que es un compuesto en el que intervienen dos elementos químicos: el silicio (Si) y el carbono (C). Curiosamente, su estructura molecular le confiere una propiedad poco usual: es casi tan duro como el diamante. No obstante, lo que lo hace tan atractivo como material semiconductor son sus peculiares propiedades fisicoquímicas. De hecho, algunos expertos, como el profesor Pulickel M. Ajayan, del Departamento de Ciencia de Materiales y Nanoingeniería de la Universidad Rice, en Texas (EEUU), defienden que tiene la capacidad de revolucionar la microelectrónica.

No es solo muy importante para España; también es fundamental para Europa

El propósito del proyecto DioSiC es desarrollar las tecnologías necesarias para hacer posible la fabricación a gran escala de obleas de carburo de silicio policristalino. Este plan está enmarcado dentro del PERTE de Microelectrónica y Semiconductores (conocido popularmente como PERTE Chip) y tiene un presupuesto de 3,3 millones de euros al que el Estado contribuye asumiendo el 68% del coste total. Suena bien, pero hay algo más que no debemos pasar por alto: el motivo por el que este proyecto es tan importante para Europa como para España.

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Europa está haciendo todo lo que está en su mano para reforzar su cadena de suministro vinculada a la industria de los circuitos integrados

La coyuntura actual de tensión en los ámbitos geopolítico y geoestratégico que sostienen EEUU y Europa a un lado, y China al otro, está propiciando que el Viejo Continente esté haciendo todo lo que está en su mano para reforzar su cadena de suministro vinculada a la industria de los circuitos integrados. Su propósito es poner fin a su profunda dependencia de los suministradores asiáticos en general, y de China en particular, por lo que disponer de una planta de fabricación de sustratos de carburo de silicio propia es crucial en el camino hacia este objetivo. Lo es para España y también para Europa porque actualmente carece de este recurso.

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El profesor Pulickel M. Ajayan, del Departamento de Ciencia de Materiales y Nanoingeniería de la Universidad Rice, en Texas (EEUU), es uno de los científicos involucrados en el proyecto DioSiC.

El proyecto DioSiC inició su recorrido a finales de 2023 y durará 26 meses, por lo que presumiblemente las empresas españolas involucradas en él concluirán el desarrollo de las innovaciones que son necesarias para sacarlo adelante a principios de 2026. O, quizá, si todo va como la seda, a finales de 2025. Sea como sea es importante que no pasemos por alto que más allá de consolidar la independencia de España y Europa de terceros países este plan persigue reducir el coste de la producción de los circuitos integrados en un 30%, y, a la par, incrementar su rendimiento en un 35%.

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El silicio se ha consolidado durante décadas como el semiconductor más utilizado, pero no es la mejor opción para todas las aplicaciones. El carburo de silicio es mucho más apropiado para la electrónica de alta potencia, lo que lo posiciona como un semiconductor extraordinariamente atractivo para las industrias del coche eléctrico y las energías renovables.

En la diapositiva que publicamos encima de estas líneas podemos ver que el carburo de silicio difiere del silicio claramente en algunos parámetros clave que condicionan el rendimiento eléctrico de los semiconductores, como la brecha energética o banda prohibida (bandgap energy), la velocidad de saturación o el índice de conductividad térmica. También difieren perceptiblemente si nos ceñimos a la movilidad de los electrones, lo que justifica su distinto rendimiento eléctrico y la idoneidad del carburo de silicio para la electrónica de alta potencia.

Estas tres empresas españolas tienen un gran desafío entre manos

Las auténticas protagonistas de este artículo son la empresa asturiana Nanoker Advanced Ceramics, la burgalesa Hiperbaric y la vasca Fagor Electrónica. La primera de ellas está especializada en la fabricación de productos cerámicos nanocompuestos avanzados, y está participando en ITER, el reactor experimental de fusión nuclear que un consorcio internacional está construyendo en la localidad francesa de Cadarache, responsabilizándose de la producción de algunos de sus componentes críticos. No obstante, este no es en absoluto su único cliente en la industria de la tecnología de vanguardia.

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Las tecnologías SPS (‘Spark Plasma Sintering’) y HIP (‘Hot Isostatic Pressing’) tienen un rol protagonista en la fabricación de los sustratos de carburo de silicio policristalino

Y es que Nanoker también vende componentes a ASML, la compañía de Países Bajos que lidera actualmente el mercado de los equipos de litografía gracias a sus máquinas de ultravioleta extremo (UVE) y alta apertura. La diapositiva que publicamos debajo de estas líneas describe el proceso de fabricación de los sustratos de carburo de silicio, y buena parte de la responsabilidad recae, precisamente, en Nanoker. En este artículo no necesitamos conocer con detalle cómo se produce una oblea de este material semiconductor, pero merece la pena que nos detengamos un momento en las técnicas SPS (Spark Plasma Sintering) y HIP (Hot Isostatic Pressing).

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La primera de ellas es una innovación desarrollada por los ingenieros de Nanoker para sinterizar componentes cerámicos, metales, compuestos y nanomateriales avanzados como los que esta empresa española vende a ITER, el CERN o ASML. Un apunte interesante: la sinterización es un proceso eminentemente térmico que permite producir objetos sólidos dotados de una gran resistencia mecánica y con una densidad perfectamente controlada. Una vez concluido el SPS es necesario someter a los sustratos de carburo de silicio policristalino a una elevada presión isostática a alta temperatura con el propósito de eliminar los defectos de las obleas y optimizar sus propiedades mecánicas y eléctricas.

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Las responsables de llevar a cabo este último proceso, conocido como HIP, son las máquinas desarrolladas por Hiperbaric. Esta empresa controla actualmente el 65% del mercado mundial de las máquinas de alta presión, y uno de sus equipos cuesta entre 700.000 y 3 millones de euros dependiendo de su tamaño y características.

Las máquinas de esta compañía son capaces de someter a los sustratos de carburo de silicio a una presión de hasta 2.000 bares y una temperatura máxima de 2.000 ºC. Estas condiciones permiten a la tecnología HIP homogeneizar la microestructura de los sustratos, incrementar su densidad y minimizar la tensión residual. En definitiva, como he mencionado unas líneas más arriba, optimizan las propiedades de las obleas de carburo de silicio policristalino.

Hiperbaric

Durante nuestra visita a las instalaciones de Hiperbaric en Burgos pudimos presenciar cómo se lleva a cabo la fabricación de una máquina de altas presiones. Ahora mismo esta empresa está produciendo simultáneamente varios de estos equipos que irán a parar a países tan variopintos como EEUU o Australia.

La empresa del País Vasco Fagor Electrónica también tiene un papel muy importante en la producción de semiconductores de carburo de silicio. Y es que será la responsable de fabricar circuitos integrados empleando los sustratos producidos con las tecnologías que han desarrollado Nanoker e Hiperbaric. Mikel Pérez, el director de I+D de Fagor, cerró la jornada de presentación del proyecto DioSiC compartiendo con nosotros toda una declaración de intenciones:

“Este proyecto es el primer paso para poner en marcha una planta de carburos de silicio en España. Ese es nuestro objetivo y en esto estamos trabajando.”

Ahí queda eso. Durante nuestra conversación con ellos los máximos responsables de Nanoker, Hiperbaric y Fagor Electrónica nos aseguraron que están convencidos de que, más allá de los desafíos que plantea, el proyecto DioSiC llegará a buen puerto. Ojalá sea así. Por el bien de España. Y el de Europa.

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