Una nueva investigación demuestra el potencial de la electrónica de película delgada para el diseño de chips flexibles

La producción en masa de chips de silicio convencionales se basa en un modelo de negocio exitoso con grandes «plantas de fabricación de semiconductores» o «fundiciones». Una nueva investigación de KU Leuven e imec muestra que este modelo de «fundición» también se puede aplicar al campo de la electrónica flexible de película delgada. Adoptar este enfoque daría un gran impulso a la innovación en este campo.

Los semiconductores de silicio se han convertido en el «aceite» de la era informática, como lo demostró recientemente la crisis de escasez de chips. Sin embargo, una de las desventajas de los chips de silicio convencionales es que no son mecánicamente flexibles.

Por otro lado, está el campo de la electrónica flexible, impulsado por una tecnología de semiconductores alternativa: el transistor de película delgada o TFT. Las aplicaciones en las que se pueden utilizar los TFT son innumerables: desde parches portátiles para el cuidado de la salud y neurosondas, pasando por microfluidos digitales e interfaces robóticas hasta pantallas flexibles y electrónica de Internet de las cosas (IoT).

La tecnología TFT ha evolucionado, pero a diferencia de la tecnología de semiconductores convencional, apenas se ha aprovechado el potencial para utilizarla en diversas aplicaciones. De hecho, actualmente los TFT se producen principalmente en masa con el fin de integrarlos en pantallas de teléfonos inteligentes, portátiles y televisores inteligentes, donde se utilizan para controlar los píxeles individualmente.

Esto limita la libertad de los diseñadores de chips que sueñan con utilizar TFT en microchips flexibles y crear aplicaciones innovadoras basadas en TFT. «Este campo puede beneficiarse enormemente de un modelo de negocio de fundición similar al de la industria de chips convencional», afirma Kris Myny, profesor de la unidad de Tecnologías emergentes, sistemas y seguridad de la KU Leuven en Diepenbeek, y también profesor invitado en imec.

Modelo de negocio de fundición

En el corazón del mercado mundial de microchips se encuentra el modelo de fundición. En este modelo de negocio, las grandes plantas de fabricación de semiconductores o fundiciones (como TSMC de Taiwán) se centran en la producción en masa de chips sobre obleas de silicio. Luego, los clientes de las fundiciones (las empresas que diseñan y encargan los chips) los utilizan para integrarlos en aplicaciones específicas. Gracias a este modelo de negocio, estas últimas empresas tienen acceso a una compleja fabricación de semiconductores para diseñar los chips que necesitan.

El grupo de Myny ha demostrado ahora que este modelo de negocio también es viable en el ámbito de la electrónica de capa fina. Diseñaron un microprocesador específico basado en TFT y lo dejaron producir en dos fundiciones, después de lo cual lo probaron en su laboratorio con éxito. El mismo chip se produjo en dos versiones, basadas en dos tecnologías TFT separadas (que utilizan sustratos diferentes) que son ambas convencionales. Su trabajo de investigación se publica en Naturaleza.

Enfoque multiproyecto

El microprocesador que construyeron Myny y sus colegas es el icónico MOS 6502. Hoy este chip es una pieza de museo, pero en los años 70 fue el controlador de las primeras computadoras Apple, Commodore y Nintendo. El grupo desarrolló el chip 6502 en una oblea (utilizando óxido de indio, galio y zinc amorfo) y en una placa (utilizando silicio policristalino de baja temperatura). En ambos casos, los chips se fabricaron sobre el sustrato junto con otros chips o «proyectos». Este enfoque de múltiples proyectos permite a las fundiciones producir diferentes chips bajo demanda de los diseñadores en sustratos únicos.

El chip que creó el grupo de Myny tiene menos de 30 micrómetros de espesor, menos que un cabello humano. Eso lo hace ideal, por ejemplo, para aplicaciones médicas como parches portátiles. Estos dispositivos portátiles ultrafinos se pueden utilizar para realizar electrocardiogramas o electromiogramas, para estudiar el estado del corazón y los músculos, respectivamente. Se sentirían como una pegatina, mientras que los parches con un chip de silicona siempre se sienten nudosos.

Aunque el rendimiento del microprocesador 6502 no es comparable al de los modernos, esta investigación demuestra que también se pueden diseñar y producir chips flexibles en un enfoque de múltiples proyectos, de forma análoga a como ocurre en la industria de chips convencional. Myny concluye: «No competiremos con chips basados ​​en silicio, queremos estimular y acelerar la innovación basada en electrónica flexible de película delgada».