José María Súnico
Asesor Independiente de Tecnología y Estrategia. Miembro del GT de Microelectrónica y Semiconductores del COIT. Vocal de Defensa, Seguridad y Tecnologías de uso dual de la asociación EMERGE
Una oportunidad estratégica para Europa
Semiconductores y microelectrónica de potencia
La electrónica de potencia gobierna la conversión, control y distribución de energía en muchos sectores industriales. Sin embargo, en Europa, a pesar de nuestra fortaleza histórica en ingeniería, nos enfrentamos a un cuello de botella: la dependencia tecnológica y de materiales de terceros países, el tortuoso camino al mercado de nuestra I+D, y falta de coordinación entre los sectores que usan los semiconductores.
El silicio ha dominado la microelectrónica de potencia, pero tras décadas de avance gracias a la miniaturización ya ha alcanzado sus límites físicos en temperatura, voltaje y frecuencia. La industria ha encontrado su relevo en los semiconductores de banda prohibida ancha (Wide Band Gap, WBG), que mejoran su comportamiento. Materiales WBG consolidados, como carburo de silicio (SiC), nitruro de galio (GaN), o emergentes, como nitruro de aluminio (AlN), óxido de galio (Ga₂O₃), ofrecen:
• Mayor eficiencia energética (menores pérdidas por conmutación).
• Operación a mayor voltaje y temperatura.
• Dispositivos más pequeños y ligeros.
• Frecuencias más altas, esenciales en comunicaciones y control.
La figura 11 muestra el área de aplicación idónea de cada tecnología según sus características. En aplicaciones de potencia, los WBG reducen consumo y tamaño de los convertidores; en radiofrecuencia y comunicaciones móviles, ofrecen amplificadores más rápidos y eficientes, y en los vehículos eléctricos, mejoran la autonomía y reducen el peso del sistema.
Retos industriales a corto plazo en Europa
Los próximos años serán críticos para modernizar nuestra industria. Cuatro sectores clave dependen de los semiconductores WBG para mejorar su competitividad:
1. Movilidad eléctrica y transporte. Los WBG permiten sistemas de potencia más ligeros y eficientes, que aumentan la autonomía y reducen el peso de los vehículos.
2. Energías renovables y redes inteligentes. Los convertidores basados en SiC y GaN mejoran la eficiencia, estabilidad y flexibilidad del sistema eléctrico.
3. Centros de datos e inteligencia artificial (IA). El consumo energético asociado a la IA alcanzará el 7 % de la demanda en 2030. Los transformadores de estado sólido de SiC reducirán significativamente el impacto energético.
4. Dispositivos móviles y RF. Las arquitecturas GaN-on-Si permitirán amplificadores más potentes y compactos, reduciendo tamaño y consumo de terminales y estaciones base.
En la figura 22 se muestran los sustratos que dominarán los principales casos de uso en estos sectores.
España y Europa resilientes y soberanas
Europa, consciente del reto, ha lanzado el Chips Act (ya en versión 2.0) y la ChipsJU ha relevado a la KDT-JU como mecanismo de financiación conjunta público-privada. Juntas, proporcionan un marco de inversión en capacidades estratégicas. Para maximizar el impacto, se apuesta por un enfoque ‘federativo’ (menos consorcios, más integración) e integral: que considere la cadena de valor y la de suministro, desde la garantía de acceso a materiales y dispositivos hasta la implementación de aplicaciones industriales.
El silicio ha dominado la microelectrónica de potencia, pero tras décadas de avance gracias a la miniaturización, ha alcanzado sus límites físicos en temperatura, voltaje y frecuencia
Para tener éxito debemos apoyarnos en tres pilares:
Innovación transversal. A través de dos tipos de acciones:
a. Aceleración del ciclo de desarrollo haciendo uso de herramientas basadas en inteligencia artificial, gemelos digitales, control predictivo, o simulación avanzada (por ejemplo, la solución de la startup RapidRF3, que automatiza el proceso de diseño de RFICs).
b. Fomento de estándares comunes y acceso a herramientas compartidas entre distintos sectores (automoción, energía, industria…) para que el retorno de inversión llegue antes.
2. Empaquetado e integración avanzada. Por ejemplo, adoptando conceptos como PowerSiP4 para reducir las pérdidas, mejorar la fiabilidad y duplicar la vida útil de los módulos, con un enfoque basado en la monitorización continua del estado que facilita la detección temprana de causas de degradación o fallo. También, por su ambición, destaca la línea piloto APECS5, que con participación española lidera acciones en empaquetado avanzado e integración heterogénea.
3. Materiales y dispositivos. Consolidar líneas piloto colaborativas para la fabricación de sustratos de SiC y GaN en 300 mm y desarrollar materiales emergentes como Ga₂O₃, AlN o incluso diamante. Algunas acciones interesantes serían:
a. REACTION6. Proyecto que estableció la primera línea europea de SiC en 200 mm.
b. POWERBASE7. Los resultados excelentes obtenidos bajo la marca CoolGaN™, permitió el desarrollo de una fuente de potencia modular con un 40 % menos de pérdidas8.
c. WBG Pilot Line9. Línea piloto de fabricación que une a siete países para apoyar la producción de dispositivos de electrónica de potencia y radiofrecuencia (ver figura 310).
En España, el principal instrumento ha sido el PERTE Chip, finalizado este verano. Sin entrar en las dudas del sector en cuanto a soluciones de continuidad, hasta el momento ha podido ofrecer un marco de financiación flexible y amable a las iniciativas en suelo nacional.
Merece la pena mencionar el apoyo dado, por ejemplo, a la startup SPAR11¡, con capacidad de fabricación de chips de GaN, a la empresa Diamond Foundry, que producirá diamante monocristalino para su uso como disipador térmico12 en microelectrónica, o la futura creación, de un centro de I+D de semiconductores de IMEC en Málaga, con capacidad de fabricación de obleas de 300 mm y líneas de trabajo en materiales alternativos al silicio13.
Un horizonte esperanzador, pero con retos
El horizonte es esperanzador. Las tecnologías de SiC y GaN ya están en fase de industrialización, Europa dispone de conocimiento y cierta capacidad de fabricación y, en términos económicos, la demanda de electrónica de potencia crece por encima del 20 % anualmente en sectores como renovables, movilidad y centros de datos.
No obstante, las iniciativas europeas avanzan de forma fragmentada y con cierta lentitud. Los tiempos de desarrollo (cinco años hasta el primer impacto comercial) parecen excesivos frente a la agilidad con la que nuestros competidores escalan tecnologías. Entre los principales retos, encontramos:
1. Falta de estandarización en procesos, empaquetado y pruebas.
2. Costes iniciales elevados.
3. Escasez de inversión privada en fases tempranas.
4. Cierto nivel de desalineamiento entre nuestro ecosistema de I+D y las necesidades reales del mercado, lo que puede retrasar la explotación comercial de nuestras innovaciones.
5. Dependencia de terceros países en algunas materias primas esenciales.
6. Necesidad de acelerar los ciclos de desarrollo, pasando de los mencionados 5 años haciendo uso de nuevas tecnologías (por ejemplo, IA, metodologías ágiles, validación virtual, etc.).
7. No basta con generar un buen ratio ‘calidad/coste’. Es imprescindible reducir el tiempo de llegada al mercado, por lo que el nuevo ratio a optimizar es ‘calidad / (coste * tiempo)’:
a. Mejorar el coste implica escalar las tecnologías WBG y UWBG para trabajar con obleas de 300 mm para ser competitivos.
b. Mejorar el tiempo de llegada al mercado, está ligado a la reducción del ciclo idea-producto. Para conseguirlo, conviene apostar por nuevas soluciones EDA, y por la aceleración de los procesos de calificación y testing, donde hay importantes cuellos de botella. Para ello, será necesario acercar los grandes centros OSAT (empresas especializadas en proveer de soluciones de empaquetado y testing) al fabricante de los dispositivos (sin apostar necesariamente por foundries de última generación en Europa).
8. Es fundamental no caer en la tentación de sobrerregular, el pecado capital en Europa. Superar estos retos exige coordinación entre la política industrial europea, los instrumentos financieros públicos y privados, y la comunidad técnica.
Los WBG reducen consumo y tamaño de los convertidores. En radiofrecuencia y comunicaciones móviles, ofrecen amplificadores más rápidos y eficientes
Futuro prometedor
La electrónica de potencia, de la mano de los semiconductores WBG, está en el corazón energético de la transición verde y digital europea. En Europa tenemos talento, ciencia excelente y liderazgo industrial, pero de nada nos servirá si no ganamos velocidad, integración y masa crítica en la demanda.
La hoja de ruta debe pasar, necesariamente, por reforzar nuestras líneas piloto de sustratos de semiconductores de banda prohibida ancha, impulsar instalaciones de empaquetado avanzado, facilitar la adopción de metodologías que reduzcan el ciclo de idea-mercado y por construir una cadena de suministro con las menores dependencias posibles de terceros países. No se trata sólo de una cuestión técnica: es, sobre todo, estratégica: quien controle las tecnologías de conversión y gestión de energía controlará buena parte de la nueva economía verde y digital.
En Europa perdimos la primera carrera del silicio frente a Estados Unidos, y la segunda, junto a Estados Unidos, frente a Asia. No perdamos la oportunidad de permanecer ahora en cabeza. Está en juego nuestra soberanía tecnológica y energética en la década que comienza.
Referencias:
1Fuente: https://medias.yolegroup.com/uploads/2023/05/power_sic_gan-jc-eloy-final.pdf
2 Fuente: https://medias.yolegroup.com/uploads/2023/05/power_sic_gan-jc-eloy-final.pdf
4 https://ase.aseglobal.com/powersip/
6 http://www.reaction-ecsel.eu/
7 https://arquivo.pt/wayback/20201229180149/http://www.powerbase-project.eu/
9 https://www.wbg-pilot-line.eu/