El Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) colabora en un proyecto internacional que desarrollará un tipo innovador de cerámicas con conductividad eléctrica (electrocerámicas) usando materiales de biomasa (celulosa) y aplicando «un proceso más rápido, eficiente, sostenible y económico». Esta iniciativa tiene un impacto directo en la industria de semiconductores, responsable del diseño y producción de chips que integran múltiples tecnologías.
La iniciativa, seleccionada y financiada dentro de la convocatoria europea M-ERA.net, ha captado el interés de más de seis empresas a nivel global, que, según el CSIC, están interesadas en probar esta tecnología avanzada.
«Crearemos electrocerámicas mediante impresión 3D multimaterial, lo que significa que nuestra impresora 3D puede combinar varios materiales en una misma impresión«, ha detallado Bernd Wicklein, investigador del CSIC en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) y responsable del proyecto en España, según informa Europa Press.
El secreto de las cerámicas
El factor clave de estas cerámicas reside en que serán conductoras gracias a la incorporación de nanopartículas (cuya dimensión es la millonésima parte de un milímetro) de celulosa, que recibirán un tratamiento térmico ultrarrápido durante el cual se transforman en nanoestructuras carbonosas conductoras.
Para ilustrar el concepto, el investigador hace referencia a la cerámica tradicional y señala que «quien haya trabajado con cerámica sabe que se necesitan varias horas para que el barro se convierta en un objeto cerámico».
En contraste, este proyecto realizará ese calentamiento y calcinación en solo unos minutos. «El equipo en Eslovenia emplea una técnica exclusiva que alcanza 1.250 grados en apenas dos minutos y medio«, comenta Wicklein. Esta técnica de alta tecnología está destinada a la fabricación de cerámicas pequeñas empleadas en la industria de semiconductores.
«Buscamos acelerar el proceso porque así consumimos menos energía eléctrica al reducir la duración del calentamiento, además de que la microestructura del material, es decir, el orden de sus partículas, queda significativamente más fina y refinada», añade el investigador.
El proyecto, denominado ‘Prime’, permitirá fabricar en una sola etapa los componentes electrocerámicos que sostienen los chips semiconductores durante su producción, combinando tres elementos fundamentales: la adición de nanocelulosa —lo que subraya el uso de biomasa para una electrónica más sostenible—, la producción multimaterial y el proceso térmico ultrarrápido de consolidación.
«Esta tecnología posibilita la integración directa de zonas conductoras, calentadores, electrodos y sensores dentro de estructuras cerámicas complejas, preservando la elevada resistencia térmica, mecánica y química característica de las cerámicas avanzadas», ha explicado Wicklein.
Para validar la viabilidad de estas nuevas cerámicas, se fabricarán prototipos de los denominados ‘wafer chucks’, un tipo de porta-chips que combinan áreas conductoras con otras que permiten la disipación térmica mediante el uso de cerámicas con diferentes propiedades térmicas.
«La fabricación de semiconductores depende de equipos tecnológicos de alta precisión que demandan niveles extremos de pureza y fiabilidad», ha destacado el científico, explicando que actualmente estos componentes se producen en múltiples etapas que «son costosas, consumen mucha energía y limitan la libertad en el diseño».
Estas limitaciones desaparecerán porque este proyecto «facilita la producción en una sola fase de componentes electrocerámicos con regiones integradas conductoras y aislantes, cumpliendo estrictos estándares de pureza y rendimiento sin necesidad de recubrimientos o ensamblajes metálicos».
Disminución de costes
El proyecto, liderado por la start-up alemana Amaarea Technology GmbH y contando con la participación del CSIC y el Instituto Jozef-Stefan de Eslovenia, sigue un plan de acción colaborativo. En primer lugar, el ICMM prepara la mezcla cerámica incorporando el aditivo con nanocelulosa (basado en una patente previa del centro).
Luego, Alemania imprime los componentes en su impresora 3D multimaterial, y estos se envían a Eslovenia, donde se aplica el tratamiento térmico para conferir la estructura cerámica al material impreso. «Posteriormente, el material retorna a España, donde verificamos que sus propiedades eléctricas cumplen con lo esperado», explica Wicklein.
«Prime incrementará la competitividad europea en la fabricación de semiconductores y equipos de alta tecnología mediante la creación de un nuevo modelo de producción flexible y altamente eficiente para electrocermámicos funcionales», señala el investigador.
De hecho, asegura que se logrará disminuir los costes de producción y el consumo energético, mientras se mejora la eficiencia de las fábricas de semiconductores y se reduce el desperdicio. «También aceleraremos los ciclos de desarrollo mediante iteraciones rápidas de diseño y la producción localizada y energéticamente eficiente en Europa», añade el científico.
El proyecto, que ya ha suscitado interés en la industria global de semiconductores, cuenta con el apoyo de más de seis empresas comprometidas a respaldar y validar los resultados obtenidos.
Desde una perspectiva ambiental, «Prime demuestra sistemas basados en materiales biológicos y procesos sostenibles, reduciendo significativamente las emisiones de CO2 gracias a un concepto ultrarrápido de consolidación, uso eficiente de recursos y menor dependencia de materias primas críticas, en línea con el Pacto Verde Europeo y los principios de la economía circular», concluye Wicklein.