Chips más baratos, que se fabrican más rápido y aplicando materiales sostenibles y comunes. Es parte del objetivo de la independencia energética y tecnológica europea y lo está logrando el proyecto PRIME, una investigación con desarrollo español (junto a Alemania y Eslovenia) que convierte la celulosa en cerámica conductora de electricidad para fabricar soportes para los preciados semiconductores.

Bernd Wicklein, investigador del CSIC en el ICMM-CSIC y líder del proyecto en España, explica que cuando hablamos de cerámicas no debemos pensar en la que sirve para fabricar tazas, por ejemplo, para empezar porque esa no es conductora eléctrica, pero sí que comparte algunas de sus cualidades, como la resistencia y la robustez.

El objetivo es endurecer la celulosa, un material mucho más sostenible, para que aporte sus cualidades a unos soportes de chips, u 'obleas', más flexibles y baratos que los existentes hasta ahora, pero igualmente resistentes y que conserven sus propiedades para la conducción eléctrica.

El desarrollo en el laboratorio español ha sido convertir la base de celulosa, un material biológico y sostenible, en conductor al convertirlo en grafito. "No todas las cerámicas son conductoras de electricidad, que es la propiedad que necesitamos", añade el investigador.

La ventaja de la celulosa es que es 'hidrofílica', se lleva bien con el agua, al contrario que otros compuestos, por lo que mezcla mejor con las cerámicas. Todo esto, a nivel nanométrico, es decir, usando nanopartículas de un tamaño que es la millonésima parte de un milímetro.

En el centro madrileño mezclan "la nanocelulosa con partículas cerámicas, y eso lo sacan en Alemania con una impresora 3D", añade Wicklein. "Eso permite que podamos componer la pieza imprimiendo diferentes materiales depositados en distintas zonas de la misma. Si estuvieras haciendo cerámica artesanal, sería la parte de moldear el barro. Y en Eslovenia, la cuecen, pero en un horno que calienta por radiación y a velocidad ultrarrápida".

El 'horno esloveno' que comenta Wicklein permite alcanzar los 1250 grados en apenas dos minutos. Eso consigue que la celulosa dentro de la pieza se convierta en grafito y sea conductora de electricidad. Es parte de la novedad del proceso y también de su sostenibilidad, puesto que la velocidad de cocción hace que se gaste mucha menos energía. Lo cual también es más barato.

Obleas para chips

Esta cerámica debe servir para fabricar los soportes para chips, las "obleas" que sirven de base a los semiconductores. El investigador del ICMM-CSIC explica que estas piezas "son herramientas muy complejas tanto en su composición como en su geometría. Por eso la necesidad de la impresión 3D, que nos permite hacer esas estructuras de gran complejidad".

"La producción de semiconductores depende de equipos de alta tecnología personalizados que exigen una precisión, pureza y fiabilidad extremas", explica el científico, que indica que hoy en día estos componentes se fabrican mediante procesos en varias etapas que "son costosos, consumen mucha energía y limitan la libertad de diseño".

Estas limitaciones quedarían eliminadas gracias a que este proyecto "permite la fabricación en una sola etapa de componentes electrocerámicos que integran regiones conductoras y aislantes con precisión dentro de un mismo cuerpo, cumpliendo con estrictos requisitos de pureza y rendimiento sin recubrimientos ni ensamblajes metálicos".

Wicklein añade que son imprescindibles ciertas propiedades. Para empezar, no tener carga electrostática, algo que se disipa si el material es conductor eléctrico. Al mismo tiempo, el soporte debe ayudar tanto a calentar como a enfriar el chip. Como la placa de una vitrocerámica, le entra una corriente eléctrica y entra en calor.

"Pero en otro momento, también vas a querer que no se sobrecaliente, ¿verdad?", agrega el investigador. "Así que te interesa que el soporte disipe rápidamente el calor, que no se quede ahí estanco. Para eso, cuando un material es conductor eléctrico, disipa mucho más rápido el calor".

Luego las otras ventajas de la celulosa son más obvias: es un material eco-friendly, por decirlo así, y al producirse mediante impresión 3D, se resuelve la fabricación casi con cero residuos. Dos elementos que bajan también los costes.

Materiales robustos

Wicklein apunta que no sería la única aplicación de este desarrollo. "Sirve para cualquier proceso que necesite un material robusto como son las cerámicas, muy resistentes en condiciones severas, mejor que plásticos o metales. Por ejemplo, puede usarse para fabricar soportes para catalizadores en la producción de hidrógeno. O en procesos de ingeniería química. Incluso tener aplicaciones en la aviación, en la fabricación de turbinas".

PRIME está liderado por la start-up alemana AMAREA Technology GmbH y cuenta con la participación del CSIC y el Instituto Jozef-Stefan de Eslovenia. Su objetivo a medio plazo es reforzar la competitividad europea en la fabricación de semiconductores y equipos de alta tecnología al crear un proceso de producción mucho más eficiente.

La iniciativa ha sido seleccionada y financiada en la convocatoria europea M-ERA.net, una de las más competitivas del entorno europeo.

Al reducir los costes de fabricación y el consumo energético y también el índice de desperdicio, se acortarán también los ciclos de desarrollo de nuevos modelos. Algo que contribuiría a una producción europea localizada y muy eficiente en términos medioambientales.

En la actualidad ya habría al menos media docena de empresas "que han expresado su compromiso de apoyar y validar los resultados del proyecto", según ha informado el propio ICMM-CSIC.