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Microeletrônica

Corrida pelo chip

País experimenta novos caminhos para diminuir a dependência externa na área de semicondutores

EDUARDO CESARComponentes semicondutores produzidos no Brasil pela em presa Aegis: 30% para o exteriorEDUARDO CESAR

Presentes em todo tipo de aparelho eletrônico, do televisor ao forno de microondas, do celular ao sistema de injeção de combustíveis dos automóveis, além,é claro, nos computadores, os semicondutores possuem uma característica que está sempre implícita na sua descrição: evolução. Não que outros produtos do mundo da eletrônica ou da biotecnologia, por exemplo, estejam fora do estágio evolutivo, mas com os semicondutores a evolução acontece como o passar dos minutos.

As exigências da miniaturização, da velocidade de processamento de informações, do avanço dos softwares e da capacidade de memória fazem dessas pequenas pastilhas de silício um dos suportes da civilização atual. Tamanha importância é medida também pelo volume de pesquisas nessa área. Semicondutores são alvos constantes de pesquisadores de universidades e de toda a indústria eletroeletrônica e de informática do mundo que sempre está atenta às exigências do mercado do futuro próximo e distante.

No Brasil, embora não tenhamos uma indústria de semicondutores de grande porte com produtos de ponta, o que levou o país a gastar US$ 2 bilhões em 2003, segundo dados da Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica (Abinee), a pesquisa, muitas vezes, surpreende. Aqui, ela ocorre fundamentalmente nas universidades e já colhe bons frutos.

Entre os resultados práticos mais recentes encontram-se memórias para computador 250 vezes mais potentes que estão em análise por duas multinacionais, um microssensor de pressão sangüínea para cirurgias, além de várias alternativas para os compostos de silício (Si), principal material usado na fabricação de componentes semicondutores (materiais com nível de condutividade elétrica intermediária entre os condutores, como o cobre e os metais, e os isolantes, como a borracha e a cerâmica, que aproveitam melhor os elétrons no processamento de informações).

Dentro da pesquisa acadêmica nacional, além de São Paulo, frentes importantes de estudo de semicondutores também se formaram, na década de 1990, no Rio Grande do Sul, em Santa Catarina e em Pernambuco. A Universidade de São Paulo (USP), por exemplo, concentra a maioria dos estudos dessa área na Escola Politécnica (Poli) e no Instituto de Física (IF). Na Poli, as pesquisas da Divisão de Microssistemas Integrados (DMI), coordenada pelo professor Nilton Itiro Morimoto, já deram vários resultados.

“Desenvolvemos um sensor de pressão sangüínea descartável para monitorar pacientes em cirurgias que resultou em uma microempresa”, conta Morimoto. O sistema, que utiliza a tecnologia MEMs (Micro-Electro-Mechanical Systems na sigla em inglês), dispositivos semicondutores conhecidos como micromáquinas, é montado num substrato cerâmico e ligado ao paciente e aos aparelhos eletrônicos de monitoramento. A empresa é a Torr Microssistemas, localizada em São Paulo, que recebe financiamento do Programa de Inovação Tecnológica em Pequenas Empresas (PIPE) da FAPESP e deve, em três meses, começar a distribuir o produto num mercado que só possui sensores semelhantes importados.

A produção do grupo do professor Morimoto pode ser medida pelo número de trabalhos publicados anualmente. “Somos responsáveis por cerca de 60% dos papers apresentados na área de processos de microeletrônica no Symposium on Microelectronics Technology and Devices (Simpósio em Tecnologia de Microeletrônica e Dispositivos), uma reunião internacional promovida anualmente pela Sociedade Brasileira de Microeletrônica (SBMicro) e pela Sociedade Brasileira de Computação (SBC). Para Morimoto, o incentivo da nova política industrial do governo federal para a criação de uma indústria de semicondutores é uma iniciativa louvável.

“Uma fábrica de semicondutores no Brasil significa que o país terá capacidade de agregar um alto valor a seus produtos apenas colocando uma mínima inteligência eletrônica neles. Significa que o país poderá exportar mais e importar menos produtos eletrônicos e componentes e significa, ao mesmo tempo, criar milhares de empregos de altíssimo nível, tanto salarial como intelectualmente”, diz.

Opinião semelhante tem a sua colega Inés Pereyra, chefe do Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos da Escola Politécnica. Para Inés, o domínio dessa tecnologia é uma questão estratégica porque é em razão dela que se assenta grande parte do desenvolvimento tecnológico das últimas décadas. “Poderíamos dizer, sem exagero, que a independência econômica de qualquer país passa pelo domínio da tecnologia de semicondutores e isso, evidentemente, exige investimentos em pesquisa e a existência de indústrias no país”, diz.

A pesquisadora coordena um projeto temático que tem como foco a pesquisa de novos materiais semicondutores e isolantes e o desenvolvimento de dispositivos micro e optoeletrônicos baseados nesses materiais.As pesquisas de Inés envolvem a produção e o estudo de filmes finos (películas) de materiais como carbeto de silício (SiC) e oxinitreto de silício (SiOxNy), produzidos com processos envolvendo baixas temperaturas.

O carbeto de silício é um semicondutor alternativo ao silício na fabricação de dispositivos que operam em ambientes com altas temperaturas, quimicamente agressivos ou com alta radiação, como sensores para a indústria aeroespacial e siderúrgica. Já o oxinitreto de silício é um isolante que pode substituir o óxido de silício em muitas aplicações. “Procuramos melhorar as propriedades desses dois materiais para desenvolver dispositivos micro e optoeletrônicos, como transistores, diodos detetores e emissores de luz e guias ópticos (usados nas telecomunicações via fibra óptica)”, diz Inés.

Além da pesquisa aplicada, os professores da Poli também fazem pesquisa teórica. É o caso do físico João Francisco Justo Filho, que, por meio de simulações computacionais, investiga as propriedades eletrônicas, estruturais e ópticas de ligas semicondutoras. Segundo o pesquisador, essas simulações são ferramentas de baixo custo, que podem auxiliar no desenvolvimento e manipulação de materiais e, por sua vez, na criação de novos dispositivos e processos de produção.

“Nossos sistemas de estudo são compostos de conjuntos de átomos, elementos fundamentais no contexto da ciência dos materiais. É importante entender suas propriedades microscópicas, como o tipo de interações deles com os seus vizinhos, porque elas determinam grande parte das propriedades macroscópicas dos materiais.”

Uma das linhas de pesquisa de Justo Filho, que conta com um projeto dentro do Programa Jovem Pesquisador da FAPESP, está voltada para o desenvolvimento de um software de simulações de materiais nanoestruturados, principalmente nanoestruturas de silício. Para criá-lo, o primeiro passo do pesquisador foi desenvolver um código computacional que permitisse investigar propriedades térmicas dos materiais.

A etapa seguinte foi a criação de um software de visualização das simulações, onde películas pudessem ser construídas, mostrando a evolução temporal dos átomos. “Uma das simulações que realizamos com sucesso foi observar o comportamento de um nanofio de silício sendo submetido a tensão constante em certas condições de temperatura. Com esse estudo verificamos que é possível construir esses nanofiospor meio de processos controlados”, afirma o pesquisador. “Na minha visão, osnanofios de silício são o próximopasso da nanotecnologia. Eles poderão ser usados em aplicações optoeletrônicas (lasers, principalmente).”

Crescimento de nanofilmes
Igualmente focado nas nanoestruturas semicondutoras está o físico José Roberto Leite, coordenador do Laboratório de Novos Materiais Semicondutores (LNMS), do Instituto de Física da USP de São Paulo. “Estamos trabalhando no crescimento de nanofilmes e sua caracterização e aplicação em dispositivos nanoeletrônicos, como LEDs (diodos emissores de luz), LDs (diodos laser), sensores e detectores. Esses dispositivos são de grande importância em gravação óptica (CDs e DVDs) e nas telecomunicações, entre outras áreas. “Desenvolvemos novos LDs e LEDs de grande interesse porque poderão substituir, no futuro, as lâmpadas incandescentes das residências com mais luminosidade e com menor gasto de energia.”

Outra novidade, garantida por uma patente e destinada a melhorar as memórias dos computadores, transformou-se em uma negociação industrial como mostrou Pesquisa FAPESP na edição n° 97. Até agora, duas grandes empresas multinacionais, que preferem não revelar seus nomes, contataram e pediram maiores informações ao professor Elson Longo, da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e coordenador do Centro Multidisciplinar para o Desenvolvimento de Materiais Cerâmicos (CMDMC), sobre o processo de produção e a nova formulação de um chip potencialmente capaz de aumentar a memória dos computadores em 250 vezes, baseado no composto titanato de bário e chumbo. “Eles nos contataram e levaram relatórios para suas matrizes e agora estão analisando”, conta Longo.

No Instituto de Física da Unicamp, a busca por novos materiais semicondutores também está no foco dos pesquisadores. O Laboratório de Pesquisa em Dispositivos (LPD) trabalha na síntese de novos materiais, no processamento e na caracterização de dispositivos e sistemas ópticos.

“Pesquisamos semicondutores feitos a partir de elementos como gálio, fósforo, nitrogênio e antimônio, entre outros, que são os mais apropriados para a fabricação de dispositivos optoeletrônicos”, afirma o físico Mauro Monteiro Garcia de Carvalho. Esses dispositivos são usados principalmente na fabricação de lasers, amplificadores de luz, células solares e emissores e detectores de luz, muito utilizados no setor de telecomunicações, no armazenamento de dados, como aparelhos de CD e DVD, em displays eletrônicos e equipamentos de laser para aplicação médico-odontológica. “Estamos na ponta da pesquisa, tanto na síntese como no desenvolvimento de novos lasers de semicondutores.”

Criado em 1974 como Laboratório de Eletrônica e Dispositivos (LED) e reestruturado em 1993, quando ganhou seu atual nome, o Centro de Componentes Semicondutores da Unicamp é um dos poucos laboratórios nacionais de microeletrônica que desenvolvem processos completos de fabricação de circuitos integrados. “Fazemos pesquisa e desenvolvimentos de dispositivos com a tecnologia CMOS (Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor), ou Metal-Óxido-Semicondutor Complementar, que responde por mais de 85% dos chips fabricados em nível mundial”, conta Jacobus Swart, coordenador do centro e professor da Faculdade de Engenharia Elétrica da Unicamp. Vários projetos já foram executados.

“Também pesquisamos tecnologia de sensores microfabricados, os MEMs, chamados de micromáquinas, usados como sensores de pressão, de gases e de radiação.” Os MEMs são dispositivos semicondutores que tipicamente medem menos de 100 micrômetros ou micra (1 micrômetro é igual a milésimo de milímetro) e podem ser usados em diversos setores da economia. “Eles são sensores fabricados a partir de processos microeletrônicos. Ao reduzir seu tamanho, reduzimos também seu custo, melhoramos seu desempenho e aumentamos sua confiabilidade”, explica.

Para Swart, recuperar o atraso tecnológico brasileiro nessa área não será uma tarefa fácil. Ele acredita que o governo só conseguirá criar no país uma indústria competitiva de semicondutores se gerar condições econômicas capazes de atrair investimentos externos e conceder incentivos a empresas menores que possam crescer a partir de nichos específicos de mercado. Outro aspecto, segundo ele, são os recursos humanos. “Sem pessoal especializado, essa indústria não pode funcionar. No Brasil existem apenas cerca de 500 pesquisadores com experiência direta em semicondutores de silício. É um número baixo para o nosso país. O ideal é que tivéssemos pelo menos o dobro.”

O objetivo do governo é estimular os empreendedores nativos a investir nessa área e atrair investimentos diretos para o país, com a instalação de multinacionais do setor, como grandes fabricantes de circuitos integrados, também chamados de chips, fundamentais para o funcionamento de todo equipamento eletrônico.

“A indústria de semicondutores é crucial para a inovação em todos os segmentos que mais crescem no mundo: tecnologia da informação, telecomunicações e entretenimento”, sintetiza Sérgio Bampi, presidente da Sociedade Brasileira de Microeletrônica e coordenador do programa multidisciplinar em Microeletrônica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Entrar nesse disputado setor, dominado por países como Estados Unidos, Alemanha, Japão, Irlanda, Coréia e Taiwan, é facilmente explicado. A indústria mundial de semicondutores reúne cifras gigantescas e é a que mais cresce no mundo.

Segundo a Associação da Indústria de Semicondutores (SIA) dos Estados Unidos, as vendas globais do setor alcançaram US$ 166,4 bilhões no ano passado – em 2000, no auge da bolha das empresas de tecnologia da informação e de Internet, elas atingiram US$ 204 bilhões. Nos últimos 20 anos, o segmento teve um crescimento médio anual de 16% ante 3 a 4% da economia mundial em geral. No Brasil, segundo Bampi, o mercado de semicondutores gira em torno de US$ 3,5 Bilhões anuais, reunindo os componentes importados isolados e os agregados a produtos prontos importados mais o mercado de contrabando.

Independentemente do interesse ou não de as indústrias multinacionais produzirem chips no Brasil, está surgindo em Porto Alegre, no Rio Grande do Sul, o Centro de Excelência em Tecnologia Eletrônica Avançada (Ceitec), financiado pela Financiadora de Estudos e Projetos do Ministério de Ciência e Tecnologia, governos do estado e do município, além de empresas. A instituição, ainda em fase de projeto, será um núcleo especializado em desenvolvimento de projetos e de fabricação de protótipos de circuitos integrados, principalmente os dotados de tecnologia CMOS.

Para isso, o centro gaúcho de prototipagem contará com sala limpa classe 1.000 (concentração de partículas em suspensão no ar menor que 1.000 partículas por pé cúbico) de 800 metros quadrados com ambientes internos classe 100 (menos que 100 partículas por metro cúbico) e classe 10. Também será construído um prédio de apoio que incluirá o setor administrativo do centro, e a maior parte é reservada ao desenvolvimento de projetos de circuitos integrados e formação de recursos humanos.

Enquanto o Ceitec não começa a operar, a Universidade Federal do Rio Grande do Sul possui vários projetos de pesquisa para o desenvolvimento de semicondutores e da engenharia de chips. O programa de pós-graduação em microeletrônica da instituição, por exemplo, atua no projeto de circuitos integrados, no desenvolvimento de dispositivos com estrutura MOS (Metal-Óxido-Semicondutor), de softwares para integração de chips e dos chamados sistemas embarcados (hardware e software) on chip, considerados um dos caminhos futuros do chip, com memória, processadores e acionadores de entrada e saída de dados no mesmo dispositivo.

Um dos estudos mais relevantes é coordenado pelo professor Israel Baumvol, que tem testado alternativas ao óxido de silício (SiO2) na produção de chips, principalmente com óxido, silicatos e aluminatos de háfnio, um elemento químico metálico. “Minha atividade de pesquisa é estreitamente relacionada com a produção de componentes semicondutores para os próximos dez a 20 anos”, diz Baumvol. “Se o Brasil possuir indústria de semicondutores, nosso trabalho será de importância vital. Se não tivermos, os grandes fabricantes internacionais serão os únicos beneficiários de nossas pesquisas”, diz ele.

Componentes discretos
Atualmente, só existem quatro fábricas que atuam na cadeia produtiva de semicondutores instaladas no Brasil: Aegis, Semikron, Heliodinâmica e Itaucom. As duas primeiras produzem os chamados componentes discretos de potência – como diodos e tiristores -, que são mais simples do que os circuitos integrados. “Diodos e tiristores são dispositivos que funcionam como uma chave, deixando a corrente elétrica passar ou a bloqueando”, explica o engenheiro Wanderley Marzano, diretor presidente da Aegis, cuja sede fica em São Paulo. “Nossos dispositivos são feitos de silício e direcionados para a indústria de bens de capital. Eles são utilizados em fontes de corrente contínua que integram equipamentos de automação e retificação (transformação de corrente alternada para contínua), entre outros.”

A produção mensal da Aegis é de cerca de 6 mil lâminas, mas ela poderia ser bem maior. “Não uso nem 25% da minha capacidade instalada”, diz o empresário, que reclama da instabilidade do mercado brasileiro e das dificuldades para vender para clientes no exterior. Mesmo assim, 30% de sua produção é destinada a uma dúzia de países, entre eles Estados Unidos, China, Taiwan, Alemanha, Itália e França.

A Heliodinâmica, por sua vez, produz principalmente células solares (que são feitas de silício) e a Itaucom atua na montagem de circuitos integrados. Os componentes chegam do exterior na forma de uma lâmina de silício processada, também chamada de wafer (ou bolacha), e a empresa faz sua montagem e testes para colocação no mercado.

Embora hoje muito limitado, o parque industrial brasileiro de semicondutores já foi bem maior. No início dos anos 1970, o país possuía um laboratório de classe mundial, o Laboratório de Microeletrônica da Universidade de São Paulo (USP), que estava próximo do estado-da-arte em pesquisa de circuitos integrados. E na década de 1980 existiam 23 empresas instaladas, a maioria pertencente a grandes grupos internacionais.

Mudanças no caminho
“A abertura de mercado promovida pelo governo Collor fez com que as empresas nacionais fechassem suas portas e as estrangeiras deixassem o país”, afirma José Elis Ripper Filho, diretor-presidente da Asga, instalada na cidade de Paulínia, em São Paulo, que naquela época fabricava semicondutores e hoje produz avançados equipamentos de telecomunicações via fibra óptica. Com o fim da reserva de mercado, os fabricantes de bens finais passaram a importar conjuntos prontos (kits) para serem montados no Brasil. “Dessa forma, a compra de componentes passou a ser feita lá fora”, diz Ripper.

“A importação de um kit completo tornou-se mais vantajosa para o montador final, já que permite a redução do custo de engenharia própria e simplifica a gestão da cadeia de suprimentos”, aponta o documento Programa Nacional de Microeletrônica – Contribuições para a Formulação de um Plano Estruturado de Ações, produzido pelo Ministério da Ciência e Tecnologia, em dezembro de 2002. Um caminho que terá de ser negociado se os semicondutores de ponta voltarem a ser produzidos no Brasil.

Por dentro da cadeia produtiva
As indústrias que compõem a cadeia produtiva dos circuitos integrados podem ser divididas, de modo simples, em três categorias: as design houses (empresas de projeto), responsáveis pelos projetos dos circuitos, as foundries (fundições de silício), que fazem a fabricação propriamente dita, o que compreende o processamento físico-químico dos circuitos integrantes da etapa chamada de front end, e as companhias encarregadas da montagem, encapsulamento e teste do produto, que integram a etapa chamada de back end. De todas elas, as foundries, exatamente as que não existem no país, são as que agregam maior valor ao produto. O valor do investimento para instalação dessas indústrias é muito variado. Segundo estudo feito pelo Ministério da Ciência e Tecnologia, no final de 2002, o custo de instalação de uma design house variava de US$ 1 milhão a US$ 5 milhões, com a concentração de recursos, basicamente, em software, treinamento e estações de trabalho. As foundries, por sua vez, têm custo bem mais diversificado e que depende da área de atuação. Indústrias especializadas na prototipagem de pequenas séries, como a produção de dispositivos CMOS simples em baixa escala, demandam investimentos relativamente pequenos, de US$ 10 milhões a US$ 100 milhões.

Já as fábricas que fornecem para segmentos especializados, como componentes automotivos, sensores, transceptores (recebem e emitem sinais de rádio) e sistemas microeletromecânicos (MEMs), custam de US$ 300 milhões a US$ 600 milhões. “Essas foundries constituem a maioria das fábricas de wafers do mundo e permitem bastante inovação nos produtos eletrônicos”, diz Sérgio Bampi, presidente da Sociedade Brasileira de Microeletrônica. A terceira categoria dessas empresas é constituída de megafábricas, como as norte-americanas Intel e a AMD, que produzem principalmente microprocessadores e memórias com tecnologia de ponta. O custo de implantação delas, altíssimo, varia de US$ 1 bilhão a US$ 3 bilhões.

Os  projetos
1. Produção, Caracterização e Aplicações de Ligas Semicondutoras e Isolantes (nº 00/10027-3); Modalidade Projeto Temático; Coordenador Inés Pereyra – USP; Investimento R$ 287.049,00 e US$ 399.205,00
2.
Estudo Experimental e Teórico de Nanoestruturas Epitaxiais Semicondutoras Derivadas de Compostos III-V (nº 98/12779-0); Modalidade Projeto Temático; Coordenador José Roberto Leite – USP; Investimento R$ 416.700,00 e US$ 502.219,00
3. Modelamento Teórico de Propriedades Eletrônicas e Estruturais de Ligas Semicondutoras (nº 00/11438-7); Modalidade Jovem Pesquisador; Coordenador João Francisco Justo Filho – USP; Investimento R$ 71.547,00 e US$ 45.449,00
4. Encapsulamento Completo de Transdutores Descartáveis de Pressão Sangüínea (nº 01/08711-6); Modalidade Programa de Inovação Tecnológica em Pequenas Empresas (PIPE); Coordenador Edgar Charry Rodriguez – Torr; Investimento R$ 155.100,00
5. Plataforma de Integração Optoeletrônica Embasada em Crescimento Epitaxial Seletivo e Não-Seletivo por Epitaxia de Feixes Químicos (nº 98/14560-6); Modalidade Projeto Temático; Coordenador Mauro Monteiro Garcia de Carvalho – Unicamp; Investimento R$ 539.193,00

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