El Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) participa en Prime, un proyecto internacional orientado a desarrollar electrocerámicas sostenibles y de menor coste para la fabricación de chips mediante el uso de celulosa y procesos de impresión 3D multimaterial. La iniciativa, financiada en la convocatoria europea M-ERA.net, busca obtener cerámicas conductoras de electricidad con biomasa y con un tratamiento térmico más rápido y eficiente.
El trabajo tiene relevancia para la industria de los semiconductores, que utiliza componentes cerámicos avanzados en equipos de alta precisión. Según el CSIC, el desarrollo ya ha generado interés en más de media docena de empresas internacionales, que prevén apoyar y validar los resultados del proyecto.
Electrocerámicas con nanocelulosa para semiconductores
El equipo español está liderado por Bernd Wicklein, investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC). El proyecto plantea fabricar electrocerámicas mediante impresión 3D multimaterial, una técnica que permite combinar distintos materiales en una misma pieza durante el proceso de impresión.
La conductividad de estas cerámicas se obtendrá mediante la incorporación de nanopartículas de celulosa, con dimensiones del orden de la millonésima parte de un milímetro. Tras la impresión, el material se someterá a un tratamiento térmico ultrarrápido que transformará la nanocelulosa en nanoestructuras carbonosas conductoras.
El proceso térmico es uno de los elementos diferenciales del proyecto. Frente a la fabricación cerámica convencional, que requiere muchas horas de calentamiento y calcinación, el equipo del Instituto Jozef-Stefan de Eslovenia empleará una técnica capaz de alcanzar 1.250 grados en dos minutos y medio. Esta aproximación está orientada a cerámicas de pequeño tamaño, como las utilizadas en la industria de semiconductores.
El acortamiento del calentamiento permitiría reducir el consumo eléctrico y, al mismo tiempo, modificar la microestructura del material. Según el investigador del CSIC, una consolidación más rápida puede generar una disposición más refinada de las partículas que componen la cerámica.
Fabricación en una sola etapa
Prime busca fabricar en un único paso componentes electrocerámicos que soportan los chips semiconductores durante su producción. La propuesta combina tres elementos: la adición de nanocelulosa, la fabricación multimaterial y la consolidación térmica ultrarrápida.
Esta combinación permitirá integrar directamente zonas conductoras, calentadores, electrodos y sensores en piezas cerámicas complejas. El objetivo es mantener las propiedades de las cerámicas avanzadas, entre ellas su resistencia térmica, mecánica y química.
Para comprobar la viabilidad del desarrollo se producirán prototipos de wafer chucks, dispositivos que funcionan como soportes de obleas o porta-chips durante la fabricación. Estas piezas combinarán áreas conductoras con zonas destinadas a disipar calor mediante cerámicas con diferentes propiedades térmicas.
El proyecto parte de la premisa de que la fabricación actual de componentes para equipos de semiconductores exige precisión, pureza y fiabilidad muy elevadas, pero depende de procesos en varias fases que resultan costosos, intensivos en energía y restrictivos para el diseño. Prime pretende integrar regiones conductoras y aislantes dentro de un mismo cuerpo cerámico sin recurrir a recubrimientos ni ensamblajes metálicos.
Proyecto Prime
El proyecto está liderado por la start-up alemana Amarea Technology GmbH y cuenta con la participación del CSIC y del Instituto Jozef-Stefan de Eslovenia. El ICMM-CSIC preparará la mezcla cerámica con el aditivo de nanocelulosa, basado en una patente anterior del centro. Posteriormente, el socio alemán imprimirá los componentes en 3D multimaterial y los enviará a Eslovenia para el tratamiento térmico.
Una vez consolidado el material, las piezas volverán a España para comprobar si sus propiedades eléctricas se ajustan a las previstas. El consorcio prevé que este esquema reduzca costes de fabricación y consumo energético, aumente el rendimiento en fábricas de semiconductores y disminuya los índices de desperdicio.
El CSIC también vincula el proyecto con una producción europea localizada y energéticamente eficiente, así como con ciclos de desarrollo más cortos mediante iteraciones rápidas de diseño. Desde el punto de vista ambiental, Prime plantea el uso de materiales de base biológica y procesos de consolidación ultrarrápida para reducir emisiones de CO2, optimizar recursos y disminuir la dependencia de materias primas críticas, en línea con el Pacto Verde Europeo y la economía circular.
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