El microchip: un panorama complejo

Características ambientales del proceso de fabricación del chip y memorias.

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Por: Dr. Sergio Calixto Carrera

El microchip: un panorama complejo

El microchip: un panorama complejo

CDMX - La palabra “chip” en inglés significa "Consolidated Highly Integrated Processor". En español se puede traducir como: Procesador Consolidado Altamente Integrado. Los microchips se usan en juegos electrónicos, (Play Station, Xbox), automóviles, enseres eléctricos (televisores, lavadoras, refrigeradores, etc.), teléfonos celulares, laptops, tablets, televisiones, aparatos de realidad virtual, equipos médicos y un sinfín de otros utensilios.

Someramente el proceso de fabricación de los chips es el siguiente: La materia primaria del chip es arena que se funde, se purifica y refina hasta que se transforma en lingotes de Silicio con un diámetro de 10 cm o 20 cm. De estos lingotes se obtienen obleas delgadas de un milímetro de grosor aproximadamente. Luego se coloca una capa delgada de resina sensible a la luz sobre la superficie de la oblea. Mediante un proceso de litografía extrema, donde se usa luz ultravioleta (EUVL), se ilumina la oblea a través de una “mascara” que tiene una estructura por donde pasa la luz. Esta interacción entre la luz y la resina hace que se endurezca en los lugares iluminados. Luego se lava la oblea con solvente para quitar las partes de la resina que no fueron iluminadas. Así se van formando pequeños “pozos” o depresiones que forman las pistas y los elementos como capacitores y transistores con tamaños menores a 10 nanómetros. Esta distancia o medida de 10 nanómetros significa lo siguiente: Suponemos que tenemos una regla y vemos que su mínima división es un milímetro. Ese milímetro lo dividimos en 1000 partes. A cada parte la llamaremos una micra. A manera de ejemplo un cabello mide aproximadamente 120 micras. Luego esa micra la dividiremos en 1000 partes y a cada parte la llamaremos 1 nanómetro. Así un transistor mide 10 nanómetros. Estos pozos en la resina se llenan con material metálico o dieléctrico. Después de esta primera capa de resina se van colocando otras capas y se va repitiendo la operación. Así tenemos un chip que se va formando con varias capas. Millones de transistores, contactos eléctricos, capacitores y memorias se crean en una oblea.

Las fábricas donde se hacen los chips requieren de servicios muy limpios, estériles y de pureza extrema. Hay por ejemplo equipos de aire acondicionado, purificadores de agua, bombas de vacío, sistemas criogénicos, láseres, cámaras de plasma, y sistemas para circulación de químicos que operan en circuito cerrado. Todo el proceso de fabricación de los chips se realiza en diferentes fábricas de alta tecnología. Unas  procesan la arena hasta obtener los lingotes y las obleas. Otras hacen los microchips y otras los arman.

Características ambientales del proceso de fabricación del chip y memorias.

Para fabricar 5000 obleas por mes se consume la energía eléctrica que usa una ciudad de 100 000 habitantes en el mismo periodo. Se consumen 19 millones de litros de agua por día que es la que consume una ciudad de 60 000 habitantes en un año. En el mundo hay como 1000 fábricas de semiconductores y algunas generan 50 millones de toneladas de dióxido de carbón por año mientras que otras generan 145 000 toneladas. Sin embargo, las fábricas ahora están conscientes del gasto de energía y contaminación y están tratando de optimizar sus métodos, algunas ya solo usan energía renovable y otras para el año 2030 y 2050 reducirán considerablemente la contaminación.

Además de la energía eléctrica y el agua usadas en el proceso de fabricación de los chips se usan toneladas de reactivos químicos muchos de ellos caros y tóxicos que generan toneladas de basura que incluyen gases de efecto invernadero.

Entre las fábricas de chips más destacadas están la Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSMC), Samsung, Intel, Advanced Microdevices (AMD), con lugares de diseño y fabricación en todo el mundo, SK Hynix, Micron Technology, Skyworks Solutions, Renesas y otras.

El problema de la escasez de microchips.

Inicialmente el problema de la escasez fue un retraso temporal ya que las compañías cerraron cuando la pandemia de coronavirus empezó. Sin embargo, aunque la producción de chips es ahora cercana a la normal surgieron nuevos hábitos de consumo debido a la pandemia y por eso se presenta ahora la escasez de chips.

A partir del año 2019 comenzó una escasez de microchips. Debido a esto algunos dispositivos han aumentado de precio, como por ejemplo las televisiones de gran formato aumentaron un 30%. Además, la escasez de chips ha hecho que las compañías de diferentes productos paren la producción de aparatos, dispositivos, automóviles, etc.

Debido a la pandemia se empezaron a vender menos automóviles. Entonces los fabricantes de coches dejaron de hacer pedidos de chips. Sin embargo ahora que los consumidores empezaron nuevamente a comprar automóviles las armadoras hicieron nuevos pedidos de chips. Pero como las industrias de teléfonos celulares, PCs y otras ya habían pedido más chips, porque esos utensilios se vendieron bien durante la pandemia, ahora los fabricantes de coches están al final de la lista de pedidos. Un automóvil promedio utiliza entre 50 a 150 chips. Estos chips se usan para controlar los motores, cámaras de visión, bolsas de aire, sistemas de información y más. Se espera que 3.9 millones de automóviles a nivel mundial no sean producidos en el mundo debido a la falta de chips. En una de las fabricas se redujo la manufactura de autos por 1.1 millones lo que produjo una pérdida de 2500 millones de dólares. Además, miles de empleados a nivel mundial han sido cesados temporalmente o permanentemente de sus trabajos.

Las causas de la escasez de microchips pueden ser varias. Entre ellas tenemos las siguientes. Intel es la compañía de fabricación de chips x86 ocupados en los CPUs. Esta compañía sufrió una escasez por estar enfocados en desarrollar chips con resolución de 10 nm. Por otro lado, la compañía más grande del mundo establecida en Taiwán (TSMC) tuvo problemas en la fabricación de chips porque en ese país hubo una gran sequía. En la fabricación de chips se usa agua ultra pura para limpiar los chips. La compañía usa más de 63000 toneladas de agua por día. El gobierno escogió suministrar el agua a la fábrica en vez de a los agricultores.

Otra causa de la escasez de chips es debida al conflicto entre china y Estados Unidos. Debido a esto, este último país levanto sanciones a las compañías chinas (SMIC y Huawei). En respuesta el gobierno chino está invirtiendo en el desarrollo de fábricas de chips en su territorio. Para fortalecer la fabricación de chips el gobierno de Estados Unidos propone invertir $50 000 millones de dólares en esa industria. TSMC planea invertir $100 000 millones en los próximos años para incrementar su capacidad. Intel planea invertir $220 000 millones en sus fábricas de Arizona. Sin embargo, con esta medida no se arreglarían los problemas ya que Intel depende de empresas extranjeras como ASML (Países Bajos), TSMC (Taiwán) y Samsung (sur corea).

La tercera causa de la escasez fue la pandemia ya que se incrementó la demanda para aparatos móviles, PCs y actualización de centros de datos que surgieron debido al trabajo remoto, aprendizaje en línea, y otras labores que se hacían (o hacen) en la casa.

En los años de 2017 y 2018 los precios de las memorias se elevaron declinando en 2019. Pero cuando empezó la pandemia se necesitaron más chips para PCs y centros de datos en respuesta al trabajo remoto, aprendizaje en línea, etc. los fabricantes de chips subieron su producción en respuesta al alza de la demanda (como TSMC). Otras causas de la falta de chips son a) el incendio de la fábrica de chips Renesas en Japón, b) el clima extremo en Texas durante el invierno que afecto a NXP semiconductors, Infineon, Samsung y demás. Intel dice que la escasez de chips podrá durar dos o más años y además se requerirá invertir grandes cantidades. Esta falta de chips puede aumentar la inflación.

Para mayor información favor de consultar las referencias.

El Dr. Sergio Calixto Carrera, es investigador del Centro de Investigaciones en Óptica, A.C. (CIO), en la actualidad desarrolla investigación en las disciplinas de micro elementos ópticos pasivos y Optofluidos. En los microelementos se fabrican lentes, prismas, arreglos de microlentes y otros elementos con dimensiones desde unos milímetros hasta centenas de micras. En lo referente a los optofluidos se han fabricado lentes fluidicas, prismas y otros elementos. Actualmente trabaja en el desarrollo de sensores o detectores optofluidicos para medir humedad, ph, etc.

Dr. Sergio Calixto Carrera

Referencias

www.spie.org , “The prodigal microchip”, Mayo 2021

www.gartner.com/en/newsroom/press-releases/2021-05-12-gartner-says-global-chip-shortage-expected-to-persist-until-second-quarter-of-2022

www.nytimes.com/2021/05/07/technology/computer-chip-shortages-toilet-paper-pandemic.html

www.reuters.com/business/autos-transportation/chip-shortage-hit-about-100000-mazda-vehicles-2021-2021-05-14/

www.fool.com/investing/2021/04/27/6-causes-of-the-golbal-semiconductor-shortage/

www.theverge.com/2021/4/7/223668552/global-chip-shortage-end-tsmc-samsung-ps5-supply-demand-intel

www.forbes.com/sites/forrester/2021/05/06/the-global-shortage-wont-ease-soon/

fiercelectronics.com/electronics/out-of-chips-out-of-work-auto-workers-tell-their-stories?

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