Desbloqueando diseño flexible de chips a través de electrónica de película delgada

Electrónica y Sensores INSIDER

El grupo desarrolló el chip 6502 en una oblea (derecha) y en una placa (medio). (Imagen: © KU Leuven-imec)

Limitaciones del silicio y oportunidad de electrónica flexible

Los semiconductores de silicio se han convertido en el 'petróleo' de la era informática, como se demostró recientemente por 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, tienes el campo de la electrónica flexible, impulsado por una tecnología semiconductora alternativa: el transistor de película delgada (TFT). Las aplicaciones en las que los TFT pueden usarse son legión: desde parches wearables de salud y neuro-sondas sobre microfluídica digital e interfaces robóticas hasta pantallas flexibles e electrónica de Internet de las Cosas (IoT).

Modelo de foundry para electrónica de película delgada

La tecnología TFT ha evolucionado bien, pero a diferencia de la tecnología semiconductora convencional, el potencial de usarla en varias aplicaciones apenas ha sido explotado. De hecho, los TFT actualmente se producen en masa principalmente con el propósito de integrarlos en pantallas de smartphones, laptops y smart TVs — donde se usan para controlar píxeles individualmente. Esto limita la libertad de diseñadores de chips que sueñan con usar TFTs en microchips flexibles para idear aplicaciones innovadoras basadas en TFT. "Este campo puede beneficiarse enormemente de un modelo de negocio foundry similar al de la industria de chips convencional", dijo Kris Myny, profesor en la unidad de Tecnologías Emergentes, Sistemas y Seguridad de KU Leuven en Diepenbeek, y profesor invitado en el Centro Interuniversitario de Microelectrónica (imec).

En el corazón del mercado mundial de microchips está el llamado modelo foundry. En este modelo de negocio, grandes plantas de fabricación de semiconductores (foundries) se enfocan en la producción en masa de chips en obleas de silicio. Estos son luego usados por los clientes de las foundries — las empresas que diseñan y ordenan los chips — para integrarlos en aplicaciones específicas. Gracias a este modelo de negocio, estas empresas tienen acceso a fabricación de semiconductores compleja para diseñar los chips que necesitan.

El grupo de Myny ha demostrado que tal modelo de negocio también es viable en el campo de la electrónica de película delgada. Diseñaron un microprocesador específico basado en TFT, y lo hicieron producir en dos foundries, después de lo cual lo probaron exitosamente en su laboratorio. El mismo chip se produjo en dos versiones, basadas en dos tecnologías TFT separadas (usando diferentes sustratos) que son ambas mainstream. Su artículo de investigación se publica en Nature.

Microprocesador 6502: demostración de concepto

El microprocesador que Myny y sus colegas construyeron es el icónico MOS 6502. Hoy este chip es una 'pieza de museo', pero en los 70 fue el conductor de las primeras computadoras Apple, Commodore y Nintendo. El grupo desarrolló el chip 6502 en una oblea (usando óxido de indio-galio-zinc amorfo) y en una placa (usando silicio policristalino de baja temperatura). En ambos casos los chips fueron fabricados en el sustrato junto con otros chips (proyectos). Este enfoque multi-proyecto permite a las foundries producir diferentes chips bajo demanda de diseñadores en sustratos únicos.

El chip que hizo el grupo de Myny es menos de 30 micrómetros de espesor, menos que un cabello humano. Eso lo hace ideal para, por ejemplo, aplicaciones médicas como parches wearables. Tales wearables ultra-delgados pueden usarse para hacer electrocardiogramas o electromiogramas, para estudiar la condición del corazón y músculos. Se sentirían como una pegatina, mientras que parches con un chip basado en silicio siempre se sienten abultados.

Aunque el rendimiento del microprocesador 6502 no es comparable con los modernos, esta investigación demuestra que chips flexibles pueden ser diseñados y producidos en un enfoque multi-proyecto, análogo a como sucede en la industria de chips convencional. Myny concluye: "No competiremos con chips basados en silicio, queremos estimular y acelerar innovación basada en electrónica flexible de película delgada."

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