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Tecnología

La carrera del chip

Brasil procura abrirse nuevos caminos tendientes a reducir su dependencia externa en el área de semiconductores

Los semiconductores están presentes enlos más diversos tipos de aparatos electrónicos, del televisor al horno de microondas, desde los celulares hasta los sistema de inyección de combustibles de los automóviles y, por supuesto, en las computadoras. Tienen una característica que está siempre implícita en su descripción: la evolución. No es que otros elementos del mundo de la electrónica o de la biotecnología, por ejemplo, estén fuera del campo evolutivo, pero con los semiconductores tal evolución se da casi que minuto a minuto.

Las exigencias de la miniaturización, de la velocidad de procesamiento de información, del avance de los software y de la capacidad de memoria hacen de estas pequeñas pastillas de silicio uno de los soportes de la civilización actual. Tamaña importancia se mide también por el volumen de estudios que se hacen en dicha área. Los semiconductores son blancos constantes de investigaciones realizadas en las universidades y en toda la industria electroelectrónica y de informática de todo el mundo, que siempre está atenta a las exigencias del mercado del futuro próximo y también del lejano.

En Brasil, aunque no tengamos una industria de semiconductores de gran porte con productos de punta, lo que significó que el país gastara 2 mil millones de dólares en 2003, de acuerdo con datos de la Asociación Brasileña de la Industria Eléctrica y Electrónica (Abinee), los estudios muchas veces sorprenden.

En el país éstos transcurren fundamentalmente en las universidades, y están recogiendo buenos frutos. Entre los resultados prácticos más recientes se encuentran las memorias de computadoras 250 veces más potentes, que se encuentran en análisis por parte de dos multinacionales, y un microsensor de presión sanguínea para cirugías, al margen de varias alternativas para los compuestos de silicio (Si), el principal material utilizado en la fabricación de componentes semiconductores (materiales con un nivel de conductividad eléctrica intermedia entre los conductores, como el cobre y los metales, y los aislantes, como la goma y la cerámica, que aprovechan mejor los electrones en el procesamiento de informaciones).

En el marco de la investigación académica nacional, al margen de São Paulo, también se constituyeron frentes importantes en el estudio de semiconductores en la década de 1990 en Río Grande do Sul, Santa Catarina y Pernambuco. La Universidad de São Paulo (USP), por ejemplo, concentra la mayoría de los estudios del área en la Escuela Politécnica (Poli) y en el Instituto de Física (IF). En la Poli, las investigaciones de la División de Microsistemas Integrados (DMI), coordinada por el profesor Nilton Itiro Morimoto, han dado varios resultados. “Desarrollamos un sensor de presión sanguínea descartable para monitorear a los pacientes en cirugías, lo cual resultó en una microempresa”, comenta Morimoto.

Este sistema, que utiliza la tecnología MEMs (Micro-Electro-Mechanical Systems, por su sigla en inglés), dispositivos semiconductores conocidos como micromáquinas, se arma en un sustrato cerámico y se conecta al paciente y a los aparatos electrónicos de monitoreo. La empresa se llama Torr Microssistemas, tiene su sede en São Paulo y cuenta con financiamiento del Programa de Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (PIPE) de la FAPESP. En tres meses más empezará a distribuir el producto en un mercado que cuenta únicamente con sensores similares importados.

La producción del grupo del profesor Morimoto puede medirse de acuerdo con el número de trabajos publicados anualmente. “Somos responsables de alrededor del 60% de los papers presentados en el área de procesos de microelectrónica en el Symposium on Microelectronics Technology and Devices (Simposio de Tecnología de Microelectrónica y Dispositivos), una reunión internacional organizada anualmente por la Sociedad Brasileña de Microelectrónica (SBMicro) y por la Sociedad Brasileña de Computación (SBC).

Para Morimoto, el incentivo de la nueva política industrial del gobierno federal para la creación de una industria de semiconductores es una iniciativa loable. “Una fábrica de semiconductores en Brasil significa que el país tendrá capacidad de agregarle un alto valor a sus productos poniendo en ellos tan solo una mínima inteligencia electrónica. Esto significa que el país podrá exportar más e importar menos productos electrónicos y componentes, y significa, al mismo tiempo, la creación de miles de puestos de trabajo de altísimo nivel, tanto salarial como intelectualmente”, dice.

Opinión similar tiene su colega Inés Pereyra, jefa del Departamento de Ingeniería de Sistemas Electrónicos de la Escuela Politécnica. Para Inés, el dominio de esta tecnología es una cuestión estratégica, porque sobre ella se asienta gran parte del desarrollo tecnológico de las últimas décadas.

“Podríamos decir, sin exageraciones, que la independencia económica de cualquier país pasa por el dominio de la tecnología de semiconductores, y eso requiere evidentemente de inversiones en investigación y la existencia de industrias en el país”, dice. La investigadora coordina un proyecto temático que tiene como foco la investigación de nuevos materiales semiconductores y aislantes, y el desarrollo de dispositivos micro y optoelectrónicos elaborados con dichos materiales.

Las investigaciones de Inés comprenden la producción y el estudio de láminas delgadas (películas) de materiales tales como carburo de silicio (SiC) y oxinitruro de silicio (SiOxNy), producidos mediante procesos que se llevan a cabo a bajas temperaturas. El carburo de silicio es un semiconductor alternativo al silicio utilizado para la fabricación de dispositivos que operan en ambientes sometidos a altas temperaturas, químicamente agresivos o con alta radiación, tales como los sensores para la industria aeroespacial y siderúrgica.

En tanto, el oxinitruro de silicio es un aislante que puede sustituir al óxido de silicio en diversas aplicaciones. “Pretendemos mejorar las propiedades de estos dos materiales, para desarrollar dispositivos micro y optoelectrónicos: transistores, diodos detectores y emisores de luz y guías ópticos (utilizados en las telecomunicaciones vía fibra óptica)”, dice Inés.

Al margen de la investigación aplicada, los docentes de la Poli también hacen investigación teórica. Tal es el caso del físico João Francisco Justo Filho, quien mediante simulaciones computacionales investiga las propiedades electrónicas, estructurales y ópticas de aleaciones semiconductoras.

De acuerdo con el investigador, dichas simulaciones constituyen herramientas de bajo costo, que pueden auxiliar en el desarrollo y la manipulación de materiales y, a su vez, en la creación de nuevos dispositivos y procesos de producción. “Nuestros sistemas de estudio están compuestos de conjuntos de átomos, elementos fundamentales en el contexto de la ciencia de los materiales. Es importante entender sus propiedades microscópicas, tales como el tipo de interacciones de éstos con sus vecinos, porque éstas determinan gran parte de las propiedades macroscópicas de los materiales.”

Unade las líneas de investigación de Justo Filho, que tiene un proyecto suyo dentro del Programa Joven Investigador de la FAPESP, se orienta al desarrollo de un software de simulaciones de materiales nanoestructurados, especialmente nanoestructuras de silicio. Para crearlo, el primer paso del investigador consistió en desarrollar un código computacional que permitiera investigar las propiedades térmicas de los materiales. La siguiente etapa consistió en la creación de un software de visualización de las simulaciones, donde pudieran elaborarse películas, mostrando la evolución temporal de los átomos.

“Una de las simulaciones que realizamos con éxito consistió en observar el comportamiento de un nanohilo de silicio sometido a tensión constante en condiciones determinadas de temperatura. Con este estudio verificamos que es posible construir dichos nanohilos mediante procesos controlados”, afirma el científico. “De acuerdo con mi visión, los nanohilos de silicio constituyen el siguiente paso de la nanotecnología. Ellos podrán utilizarse en aplicaciones optoelectrónicas (láseres principalmente).”

El crecimiento de las nanopelículas
Igualmente abocado a las nanoestructuras semiconductoras se encuentra el físico José Roberto Leite, coordinador del Laboratorio de Nuevos Materiales Semiconductores (LNMS), del Instituto de Física de la USP de São Paulo. “Estamos trabajando en el crecimiento de nanopelículas y su caracterización y aplicación en dispositivos nanoelectrónicos, tales como LEDs (diodos emisores de luz), LDs (diodos láser), sensores y detectores. Estos dispositivos son de gran importancia para la grabación óptica (CDs y DVDs) y en las telecomunicaciones, entre otras áreas. “Desarrollamos nuevos LDs y LEDs de gran interés, pues podrán reemplazar en el futuro a las lámparas incandescentes domiciliarias con más luminosidad y con menor gasto de energía.”

Otra novedad asegurada por una patente y destinada a mejorar las memorias de las computadoras, se transformó en una negociación industrial como mostró Pesquisa FAPESP en la edición n° 97. Hasta ahora dos grandes empresas multinacionales que prefieren mantener sus nombres en el anonimato, se pusieron en contacta y solicitaron más información al profesor Elson Longo, de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar) y coordinador del Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cerámicos (CMDMC), sobre el proceso de producción y la nueva formulación de un chip potencialmente capaz de incrementar la memoria de las computadoras 250 veces, basado en el compuesto titanato de bario y plomo.

“Ellos nos contactaron y se llevaron informes a sus matrices, que hora están analizándolos”, comenta Longo.En el Instituto de Física de la Unicamp, la búsqueda de nuevos materiales semiconductores también está en el foco de los investigadores. El Laboratorio de Investigación en Dispositivos (LPD) trabaja en la síntesis de nuevos materiales, en el procesamiento y en la caracterización de dispositivos y sistemas ópticos.

“Investigamos semiconductores hechos a base de elementos tales como el galio, el fósforo, el nitrógeno y el antimonio, entre otros, que son los más apropiados para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos”, afirma el físico Mauro Monteiro Garcia de Carvalho. Estos dispositivos se utilizan principalmente en la fabricación de láseres, amplificadores de luz, células solares y emisores y detectores de luz, muy utilizados en el sector de telecomunicaciones, en el almacenamiento de datos, como aparatos de CD y DVD, en displays electrónicos y en aparatos de láser para aplicaciones médicas y odontológicas. “Vamos en punta en investigación, tanto en la síntesis como en el desarrollo de nuevos láseres de semiconductores.”

Creado en 1974 como Laboratorio de Electrónica y Dispositivos (LED) y reestructurado en 1993, cuando se le puso su actual nombre, el Centro de Componentes Semiconductores de la Unicamp es uno de los pocos laboratorios nacionales de microelectrónica que desarrollan los procesos completos de fabricación de circuitos integrados. “Hacemos investigación y desarrollo de dispositivos con la tecnología CMOS (Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor), o Metal-Óxido-Semiconductor Complementario, con la cual se produce más del 85% de los chips fabricados a nivel mundial”, comenta Jacobus Swart, coordinador del centro y profesor de la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Unicamp.

Varios proyectos han sido ejecutados ya (Lea en Pesquisa FAPESPn° 77). “También investigamos tecnología de sensores microfabricados: los MEMs, las denominadas micromáquinas, utilizadas como sensores de presión, de gases y de radiación”. Los MEMs son dispositivos semiconductores que generalmente miden menos de 100 micrómetros o micras (un micrómetro equivale a la milésima parte de un milímetro) y pueden utilizarse en diversos sectores de la economía. “Son sensores fabricados con base en procesos microelectrónicos. Al reducir su tamaño, reducimos también su costo, mejoramos su desempeño y aumentamos su confiabilidad”, explica.

Para Swart, recuperar el atraso tecnológico brasileño en dicha área no será una tarea fácil. El científico considera que el gobierno solamente conseguirá desarrollar en el país una industria competitiva de semiconductores si genera las condiciones económicas capaces de atraer inversiones externas, y si concede incentivos a empresas menores que puedan crecer a partir de nichos de mercado específicos. Otro aspecto, según Swart, son los recursos humanos. “Sin personal especializado esta industria no puede funcionar. En Brasil hay solamente unos 500 investigadores con experiencia directa en semiconductores de silicio. Es un número bajo para nuestro país. Lo ideal sería que contásemos al menos con el doble.”

El objetivo del gobierno es estimular a los emprendedores de acá a invertir en el área y atraer inversiones directas al país, con la instalación de multinacionales del sector: grandes fabricantes de circuitos integrados, también chamados chips, fundamentales para el funcionamiento de cualquier artefacto electrónico.

“La industria de semiconductores es vital para la innovación en los segmentos que más crecen en el mundo: la tecnología de la información, las telecomunicaciones y el entretenimiento”, sintetiza Sérgio Bampi, presidente de la Sociedad Brasileña de Microelectrónica y coordinador del programa multidisciplinario en Microelectrónica de la Universidad Federal de Río Grande do Sul (UFRGS). El porqué de ingresar en este disputado sector, dominado por países como Estados Unidos, Alemania, Japón, Irlanda, Corea y Taiwán, es fácil de explicar.

La industria mundial de semiconductores cuenta cifras gigantescas y es la que más crece en el mundo. De acuerdo con la Asociación de la Industria de Semiconductores (SIA) de Estados Unidos, las ventas globales del sector ascendieron a 166.400 millones de dólares en el año pasado. En 2000, en el auge de la burbuja de empresas de tecnología de la información y de Internet, éstas treparon 204 mil millones de dólares.

En los últimos 20 años, el segmento experimentó un crecimiento promedio anual del 16%, ante entre un 3% y un 4% de expansiónde la economía mundial en general. En Brasil, de acuerdo con Bampi, el mercado de semiconductores gira en torno a los 3.500 millones de dólares anuales, cifra que agrupa tanto a los componentes importados aislados como a los agregados a productos terminados importados, más el mercado de contrabando.

Independientemente del interés o el desinterés de parte de las industrias multinacionales en producir chips en Brasil, despunta en Porto Alegre, Río Grande do Sul, el Centro de Excelencia en Tecnología Electrónica Avanzada (Ceitec), financiado por la Financiadora de Estudios y Proyectos dependiente del Ministerio de Ciencia y Tecnología, la gobernación del estado y la intendencia municipal, junto a empresas. La institución, aún en fase de proyecto, será un núcleo especializado en el desarrollo de proyectos y de fabricación de prototipos de circuitos integrados, principalmente los dotados de tecnología CMOS.

Para ello el centro “gaúcho” de prototipos contará con una sala limpia clase 1.000 (concentración de partículas en suspensión en el aire menor que 1.000 partículas por pie cúbico) de 800 metros cuadrados, con ambientes internos clase 100 (menos de 100 partículas por metro cúbico) y clase 10. También se construirá un edificio de apoyo que incluirá al sector administrativo del centro, y la mayor parte se reservará al desarrollo de proyectos de circuitos integrados y formación de recursos humanos.

Mientras el Ceitec no comienza a operar, la Universidad Federal de Río Grande do Sul cuenta con varios proyectos de investigación para el desarrollo de semiconductores y de la ingeniería de chips. El programa de posgrado en microelectrónica de la institución, por ejemplo, actúa en el proyecto de circuitos integrados, en el desarrollo de dispositivos con estructura MOS (Metal-Óxido-Semiconductor), de software para integración de chips y de los llamados sistemas embarcados (hardware y software) on chip, considerados como uno de los caminos futuros del chip, con memoria, procesadores y accionadores de entrada y salida de datos en el mismo dispositivo.

Uno de los estudios más relevantes es coordinado por el profesor Israel Baumvol, que ha probado alternativas al óxido de silicio (SiO2) en la producción de chips, principalmente con óxido, silicatos y aluminatos de hafnio, un elemento químico metálico (lea en Pesquisa FAPESP n° 82). “Mí actividad de investigación está estrechamente relacionada con la producción de componentes semiconductores para los próximos diez o veinte años”, dice Baumvol. “Si Brasil logra materializar una industria de semiconductores, nuestro trabajo será de vital importancia. Si no lo logramos, los grandes fabricantes internacionales serán los únicos beneficiarios de nuestras investigaciones”, dice Baumvol.

Componentes discretos
Actualmente existen solamente cuatro fábricas que actúan en la cadena productiva de semiconductores instaladas en Brasil: Aegis, Semikron, Heliodinâmica e Itaucom. Las dos primeras producen los llamados componentes discretos de potencia — diodos y tiristores —, que son más sencillos que los circuitos integrados. “Los diodos y tiristores son dispositivos que funcionan como una llave, dejando pasar la corriente eléctrica o bloqueando su paso”, explica el ingeniero Wanderley Marzano, director presidente de Aegis, empresa con sede en São Paulo. “Nuestros dispositivos son elaborados en silicio y se destinan a la industria de bienes de capital.

Se utilizan en fuentes de corriente continua que integran equipos de automación y rectificación (transformación de corriente alterna en corriente continua), entre otros”. La producción mensual de Aegis es de alrededor de 6 mil láminas, pero podría ser mucho mayor. “No uso ni siquiera un 25% de mi capacidad instalada”, dice el empresario, que se queja de la inestabilidad del mercado brasileño y de las dificultades para venderles a clientes del exterior. Aun así, el 30% de su producción se destina a una docena de países, entre los cuales se destacan Estados Unidos, China, Taiwán, Alemania, Italia y Francia.

Por su parte, Heliodinâmica produce principalmente células solares (que se hacen con silicio), e Itaucom actúa en el armado de circuitos integrados. Los componentes llegan provenientes del exterior en forma de láminas de silicio procesadas, también denominadas wafers (o galletas), y la empresa las arma y las prueba previamente a su salida al mercado. Aunque actualmente el parque industrial brasileño de semiconductores es muy limitado, fue mucho mayor antaño.

A comienzos de los años 1970, el país poseía un laboratorio de nivel mundial: el Laboratorio de Microelectrónica de la Universidad de São Paulo (USP), que estaba cerca del estado del arte en investigación de circuitos integrados. Y durante la década de 1980 existían 23 empresas instaladas, la mayoría perteneciente a grandes grupos internacionales.

Los cambios en el derrotero
“La apertura del mercado impulsada por el gobierno de Collor hizo que las empresas nacionales debieran bajar sus persianas, y las extranjeras abandonaron el país”, afirma José Elis Ripper Filho, director presidente de Asga, instalada en la ciudad de Paulínia, São Paulo, que en aquella época fabricaba semiconductores, y actualmente produce avanzados equipos de telecomunicaciones de fibra óptica. Con el fin de la reserva de mercado, los fabricantes de bienes finales empezaron a importar conjuntos terminados (kits) para ensamblarlos en Brasil.

“De esta manera, la compra de componentes empezó a hacerse afuera”, dice Ripper. “La importación de un kit completo se volvió más ventajosa para el ensamblador final, pues hace posible la reducción del costo de ingeniería propia y simplifica la gestión de la cadena de suministros”, se apunta en el documento Programa Nacional de Microelectrónica — Contribuciones para la Formulación de un Plan Estructurado de Acciones, elaborado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología en diciembre de 2002. Un derrotero que deberá de negociarse si es que los semiconductores de punta vuelven elaborarse en Brasil.

Por dentro de la cadena productiva
Las industrias que forman parte de la cadena productiva de los circuitos integrados pueden dividirse sencillamente en tres categorías: las design houses (empresas de proyecto), responsables de los proyectos de los circuitos, las foundries (fundiciones de silicio), que se abocan a la fabricación propiamente dicha, lo que comprende el procesamiento fisicoquímico de los circuitos que forman parte de la etapa que lleva el nombre de front end, y las compañías encargadas del ensamble, el encapsulado y las pruebas de producto, que integran la etapa denominada back end.

De todas éstas, las foundries, precisamente aquéllas que no existen en el país, son las que le agregan mayor valor al producto. El valor de la inversión para la instalación de estas industrias es muy variado. De acuerdo con un estudio realizado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología a finales de 2002, el costo de instalación de una design house variaba entre un 1 millón y 5 millones de dólares, con la concentración de recursos situada principalmente en software, capacitación y estaciones de trabajo. Por su parte, las foundries tienen un costo mucho más diversificado y que depende del área de actuación.

Industrias especializadas en prototipos de pequeñas series, como la producción de dispositivos CMOS sencillos en baja escala, requieren inversiones relativamente pequeñas, de entre 10 y 100 millones de dólares. En tanto, las fábricas proveedoras de segmentos especializados, tales como componentes automotores, sensores, transceptores (que reciben y emiten señales de radio) y sistemas microelectromecánicos (MEMs), cuestan entre 300 y 600 millones de dólares. “Estas foundries son la mayoría entre las fábricas de wafers en el mundo, y permiten hacer bastantes innovaciones en productos electrónicos”, dice Sérgio Bampi, presidente de la Sociedad Brasileña de Microelectrónica.

La tercera categoría de estas empresas la constituyen las megafábricas, como las estadounidenses Intel y AMD, que producen principalmente microprocesadores y memorias con tecnología de punta. El costo de instalación de éstas es altísimo: oscila entre 1.000 y 3.000 millones de dólares.

Los Proyectos
Producción, Caracterización y Aplicaciones de Aleaciones Semiconductoras y Aislantes

Modalidad
Proyecto Temático
Coordinador
Inés Pereyra ? USP
Inversión
R$ 287.049,00 y US$ 399.205,00

Estudio Experimental y Teórico de Nanoestructuras Epitaxiales Semiconductoras Derivadas de Compuestos III-V
Modalidad
Proyecto Temático
Coordinador
José Roberto Leite ? USP
Inversión
R$ 416.700,00 y US$ 502.219,00

Modelado Teórico de Propiedades Electrónicas y Estructurales de Aleaciones Semiconductoras
Modalidad
Joven Investigador
Coordinador
João Francisco Justo Filho ? USP
Inversión
R$ 71.547,00 y US$ 45.449,00

Encapsulado Completo de Transductores Descartables de Presión Sanguínea
Modalidad
Programa de Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (PIPE)
Coordinador
Edgar Charry Rodriguez ? Torr
Inversión
R$ 155.100,00

Plataforma de Integración Optoelectrónica Basada en el Crecimiento Epitaxial Selectivo y No Selectivo por Epitaxia de Haces Químicos
Modalidad
Proyecto Temático
Coordinador
Mauro Monteiro Garcia de Carvalho ? Unicamp
Inversión
R$ 539.193,00

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