Mantener la temperatura baja a escala nanométrica

El sector de los semiconductores es enorme y sigue creciendo. Según análisis recientes, el mercado mundial podría alcanzar los 1,6 billones de dólares en 2030. Detrás de esas cifras se esconden plantas de fabricación que cuestan muchos miles de millones de libras. TSMC, por ejemplo, está invirtiendo más de 165 000 millones de dólares en plantas de fabricación de semiconductores en Arizona.

En estas instalaciones, las obleas de silicio pasan por equipos de proceso especializados que utilizan luz, plasma y reacciones químicas para crear patrones de circuitos microscópicos capa a capa. Las estructuras formadas se miden en nanómetros. A esta escala, el calor se convierte en un grave problema técnico.

Estabilidad térmica en el interior de las herramientas de fabricación

Los equipos de fabricación generan calor procedente de múltiples fuentes. Los láseres de alta potencia, las cámaras de procesamiento por plasma y los sistemas electrónicos de control contribuyen al aumento de la temperatura en el interior de la herramienta. Si ese calor no se gestiona con cuidado, incluso los cambios de temperatura más leves pueden influir en el comportamiento de los materiales y en el posicionamiento de las capas de las obleas.

Los motores lineales aceleran con extrema rapidez, a velocidades de hasta 150 metros por segundo al cuadrado. Esto es comparable a un coche que acelera de cero a 100 km/h en solo 0,1 segundos. La refrigeración de estos motores es extremadamente importante para garantizar el rendimiento y la precisión de posicionamiento.

Por lo tanto, los sistemas de refrigeración son una parte esencial de la fabricación de semiconductores. El líquido refrigerante circula por la máquina, absorbiendo el calor y alejándolo de los componentes críticos. Dentro de estos sistemas se encuentran placas de refrigeración e intercambiadores de calor compactos que ayudan a regular la temperatura y a mantener el equipo funcionando dentro de unos límites muy estrictos.

En el centro de estos conjuntos se encuentran placas de flujo que contienen redes de canales para fluidos. Estos canales guían el refrigerante a través del sistema y controlan la eficiencia con la que se disipa el calor. Su geometría debe ser extremadamente uniforme, ya que se ha demostrado que el rendimiento de la refrigeración por microcanales depende en gran medida de la precisión del diseño de los canales. Las variaciones en el tamaño de los canales o en la calidad de la superficie pueden alterar el flujo del fluido y reducir el rendimiento de la refrigeración.

Fabricación de precisión de placas de flujo

La fabricación de estas placas requiere métodos de producción capaces de crear detalles complejos en láminas metálicas finas. Una de las técnicas es el grabado fotoquímico, un proceso que utiliza máscaras fotosensibles y soluciones químicas para eliminar material de las superficies metálicas.

Dado que el metal se disuelve en lugar de cortarse, el proceso evita la aplicación de tensiones mecánicas y produce bordes limpios en los canales. Todos los elementos se crean simultáneamente en toda la placa, lo que ayuda a mantener una geometría uniforme en las grandes series de producción.

Los microcanales también pueden fabricarse mediante técnicas de mecanizado o láser. Estos métodos suelen crear las características de forma secuencial y pueden generar rebabas que requieren un acabado adicional. El grabado fotoquímico suele ser muy adecuado para placas de flujo delgadas en las que la repetibilidad y la calidad de la superficie son importantes.

En muchos conjuntos de refrigeración de semiconductores, las placas de flujo grabadas se apilan y se sueldan entre sí para formar intercambiadores de calor compactos. Estas placas son extremadamente finas y están perfectamente integradas en el diseño del sistema.

En comparación, las placas utilizadas en intercambiadores de calor industriales de mayor tamaño, como los intercambiadores de calor para circuitos impresos, son mucho más gruesas y se unen por difusión para formar bloques sólidos. Las placas de flujo utilizadas en aplicaciones de refrigeración de semiconductores pueden tener solo una fracción de ese tamaño y grosor.

La fabricación fiable de estos componentes requiere un control minucioso de los materiales y las condiciones del proceso. Los fabricantes de equipos semiconductores esperan un rendimiento constante de todos y cada uno de los componentes del sistema. Incluso las variaciones más pequeñas en la geometría de los canales pueden afectar a la eficiencia de la refrigeración y a la estabilidad térmica.

La industria de los semiconductores suele asociarse con los avances en el diseño de chips o los avances revolucionarios en litografía, y la inversión de 32 000 millones de dólares de Intel es un buen ejemplo de la magnitud de la inversión necesaria para respaldar ese progreso. Sin embargo, las máquinas que producen esos chips dependen de una red de tecnologías de apoyo que funcionan silenciosamente en segundo plano.

Los sistemas de refrigeración se encuentran entre los más importantes. Dentro de los sistemas de gestión térmica que dan soporte a los equipos de fabricación de semiconductores, las placas de flujo de alta precisión ayudan a mantener temperaturas estables mientras las obleas se transforman en dispositivos acabados.

Sin esa estabilidad, sería difícil alcanzar la precisión que exige la fabricación moderna de semiconductores.