¿Qué es una foundry? Fábricas de semiconductores a fondo

Una foundry o fábrica de semiconductores es una gran infraestructura, y muy necesaria de la que somos muy dependientes, donde se fabrican los chips para todo tipo de aplicaciones. Son los centros de manufactura más sofisticados y avanzados del mundo, además de ser de los más desconocidos para muchos. Por eso, en este artículo trataré de forma sencilla el tema para que conozcas un poco más.

¿Qué es una foundry o fábrica de semiconductores?

Una foundry, también conocida como fábrica de semiconductores, es una instalación especializada en la fabricación de chips y circuitos integrados. Allí se lleva a cabo el proceso de producción de semiconductores, desde la creación del diseño del chip hasta la fabricación física del producto final.

Utilizan tecnologías avanzadas de fabricación de semiconductores, como el proceso de litografía, deposición de capas, grabado, implantación iónica y difusión, entre otros. Estas tecnologías permiten crear circuitos complejos en pequeñas obleas de silicio, con miles o incluso millones de transistores integrados en un solo chip.

Por otro lado, las foundries también ofrecen servicios de prueba y empaquetado de los chips en algunos casos. Después de que los chips son producidos, se someten a pruebas para garantizar su funcionamiento correcto, y luego se empaquetan para su protección y conexión con otros componentes.

Las foundries desempeñan un papel crucial en la industria de los semiconductores, ya que permiten a las empresas de diseño (fabless) llevar sus productos al mercado sin tener que invertir en costosas instalaciones de fabricación. Además, las foundries suelen invertir en la investigación y desarrollo de nuevas tecnologías de fabricación, lo que impulsa la innovación en la industria de semiconductores.

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Maquinaria empleada

En una fab, o línea de producción de una foundry, se utiliza una variedad de maquinaria y equipos especializados para llevar a cabo el proceso de fabricación de chips que son bastante costosos en algunos casos. Algunos ejemplos son:

• Máquina de fotolitografía: se utiliza para imprimir patrones extremadamente precisos en obleas de silicio mediante técnicas de litografía, como la exposición de luz ultravioleta y la proyección de máscaras. Es la maquinaria más sofisticada y cara de todas, pudiendo costar más de 100 millones de euros cada una de ellas.
• Reactor CVD: se usa para depositar capas de materiales, como óxido de silicio, nitruro de silicio, polisilicio y metales, sobre la oblea de silicio utilizando reacciones químicas.
• Banco de grabado: se utiliza para eliminar selectivamente capas de materiales de la oblea mediante procesos de grabado húmedo o grabado seco, como el grabado por plasma.
• Implantador de iones: para introducir iones en la oblea, alterando así las propiedades eléctricas de las áreas específicas y creando regiones dopadas.
• Horno de difusión: para someter la oblea a altas temperaturas en una atmósfera controlada, permitiendo que los elementos dopantes se difundan en la estructura cristalina del silicio.
• Equipo de inspección óptica: sirve para realizar inspecciones visuales y detectar defectos en la oblea, como imperfecciones en los patrones impresos o partículas indeseables.
• Máquina de prueba y clasificación: evalúa el rendimiento y la funcionalidad de los chips individuales, sometiéndolos a pruebas eléctricas y seleccionando los chips que cumplen con los estándares requeridos. Más info, puedes ver nuestro artículo sobre binning.

Estos son solo algunos ejemplos de la maquinaria utilizada en una foundry. Cabe destacar que la tecnología y los equipos pueden variar…

Trajes y sala blanca

En una foundry se debe mantener un nivel de limpieza y pulcritud extremo, de lo contrario, en un ambiente sucio los chips no se podrían producir. Y para eso, hay dos elementos esenciales:

• Clean room (sala blanca): es una sala especialmente diseñada y controlada en términos de contaminación ambiental, como partículas de polvo, partículas microscópicas y otros contaminantes. Estas salas están construidas con materiales especiales y cuentan con sistemas de filtración de aire altamente eficientes para eliminar las partículas en suspensión. El objetivo principal de una clean room es proporcionar un entorno limpio y controlado para la fabricación de chips y semiconductores, donde incluso pequeñas partículas podrían afectar la calidad y el rendimiento de los productos.
• Trajes de conejo (bunny suits): son prendas de vestir especiales que se utilizan en las clean rooms para reducir la contaminación humana. Estos trajes, también conocidos como trajes ESD (descarga electrostática), están diseñados para evitar la liberación de partículas y la acumulación de electricidad estática. Los trajes de conejo suelen estar hechos de materiales antiestáticos y cuentan con características como cierres herméticos, capuchas, guantes y botas integradas. Al usar estos trajes, el personal de la foundry se protege a sí mismo y evita la introducción de partículas o contaminantes adicionales al entorno de la clean room.

En conjunto, la clean room y los trajes de conejo desempeñan un papel crucial en la prevención de la contaminación y la garantía de la calidad en la fabricación de semiconductores. Al mantener un ambiente controlado y al requerir que el personal utilice trajes adecuados, se minimiza el riesgo de partículas y contaminantes que podrían afectar negativamente la producción y el rendimiento de los chips.

Además, también me gustaría agregar que en las salas blancas o salas limpias, también suele haber filtros de luz, control de temperatura y humedad ambiental, etc. Incluso hay zonas con presión positiva y otras con presión negativa. Las zonas con presión positiva son la inmensa mayoría, para cuando se acceda a la sala desde el exterior no entren impurezas, ya que al estar a mayor presión, el aire sale de la sala al abrir una puerta, pero nunca entra del exterior. Las de presión negativa son zonas donde se manejan contaminantes o vapores químicos que no deben ensuciar el resto de la sala, por eso la presión es negativa, para que no salga nada al exterior.

Proceso de fabricación de semiconductores: etapas clave

En el vídeo se puede ver el proceso de fabricación de un chip de forma bastante gráfica, para que te puedas hacer una idea. Sin embargo, puedes conocer más detalles al respecto (véase este artículo donde explico el proceso con más detalle).

Principales empresas de foundry a nivel mundial

A nivel mundial, hay varias empresas foundries reconocidas por su experiencia y liderazgo en la fabricación de chips. Algunas de las principales foundries son:

• TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company): es una de las mayores y más avanzadas foundries del mundo. Ofrece una amplia gama de procesos de fabricación, desde tecnologías más antiguas hasta nodos de vanguardia, y cuenta con una extensa lista de clientes en la industria de semiconductores. En ella se fabrican chips para Apple, NVIDIA, AMD, Intel, Mediateck, Qualcomm, Marvell, Broadcomm, y cientos de empresas más, teniendo un alto porcentaje de toda la producción de chips avanzados a nivel mundial.
• Samsung Foundry: es otra de las principales foundries a nivel global, con una sólida presencia en la fabricación de chips y semiconductores. Ofrece una amplia gama de procesos y tecnologías, y ha sido un importante proveedor de chips para diversas industrias. No solo se fabrican los chips de Samsung, también tiene servicio para otras fabless que lo necesiten. Allí también se han fabricado chips de empresas como NVIDIA, Apple, etc.
• Intel: también es un gran IDM que ahora se ha convertido en una foundry donde otros pueden fabricar sus chips. Y todo gracias a que la americana ha creado su servicio IFS (Intel Foundry Service).
• GlobalFoundries: es una empresa de semiconductores y foundry con instalaciones en varios países, y son las ex-fábricas de AMD, tras convertirse ésta en una fabless. Ofrece servicios de fabricación y tecnologías avanzadas, y ha sido un importante proveedor de chips para clientes de todo el mundo.
• UMC (United Microelectronics Corporation): es una foundry con sede en Taiwán y es una de las empresas más grandes de fabricación de semiconductores. Ofrece una variedad de procesos de fabricación y ha sido un proveedor importante para empresas de diseño de chips.
• SMIC (Semiconductor Manufacturing International Corporation): es una foundry con sede en China y es una de las mayores empresas de fabricación de semiconductores en ese país. Ofrece una amplia gama de tecnologías y servicios de fabricación para clientes internacionales.

La importancia de la sostenibilidad en una foundry

A la hora de comentar sobre la importancia de la sostenibilidad de una foundry, te podía comentar sobre los siguientes puntos:

• Reducción del impacto ambiental: una foundry sostenible busca minimizar el impacto ambiental mediante prácticas como el uso eficiente de energía, la gestión adecuada de productos químicos y la reducción de residuos.
• Eficiencia energética: implementar prácticas y tecnologías que promuevan la eficiencia energética reduce el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero, generando ahorros en costos de operación.
• Uso responsable de productos químicos:  implementa medidas de gestión para garantizar un uso seguro y responsable de los productos químicos, minimizando los riesgos para los trabajadores y evitando la contaminación.
• Innovación en materiales y procesos: la búsqueda de materiales y procesos más sostenibles, como sustratos eficientes y procesos limpios, contribuye a mejorar la sostenibilidad en la fabricación de semiconductores.
• Responsabilidad social corporativa: las foundries deben asegurar el respeto a los derechos laborales, ofrecer un entorno de trabajo seguro y apoyar a la comunidad local como parte de su compromiso con la sostenibilidad y la responsabilidad social corporativa.

Sin embargo, hay algo aún más importante que eso, y tiene que ver con el líquido elemento: el agua. Quizás no lo sepas, pero se emplean ingentes cantidades de agua pura para producir un chip, y esto es uno de los mayores problemas actuales, más aún con las actuales sequías.

Muchas de estas industrias ya han implementado medidas para reducir estos problemas, como plantas de depuración que permitan eliminar los residuos contaminantes del agua, purificarla y volverla a reutilizar una y otra vez, pero no toda se puede reutilizar. Esto es un gran problema si consideramos que cada chip puede requerir entre 140 y 160 litros de agua pura, y si multiplicamos eso por 300 que pueden caber en una oblea tenemos que cada wafer necesitará para fabricarse hasta 48000 litros de agua potable pura. Y si volvemos a multiplicar eso por los cientos de miles de wafers que una sola foundry puede fabricar cada mes, entonces tenemos un inmenso problema como comprenderás…

Desafíos y soluciones en la producción de semiconductores

Para finalizar, vamos a ver algunos desafíos y soluciones a los que se enfrentan las foundries actuales:

• Escala de producción: cada vez se necesitan más y más chips, lo cual resulta un problema para muchas foundries que están saturadas. Por ello, es necesario invertir en más fabs conforme pasa el tiempo.
• Avances tecnológicos costosos: esta industria tan competitiva necesita estar en constante evolución para mantenerse actualizada, especialmente en las fabs donde se fabrican chips avanzados como memorias, CPUs, GPUs, etc. Y eso implica invertir miles de millones.
• Complejidad en la fabricación: conforme se va mejorando los procesos de fabricación con escalas cada vez más pequeñas, se aumentan algunos problemas que hay que atajar.
• Sostenibilidad y responsabilidad social corporativa: como ya dijimos anteriormente, las foundries deben considerar aspectos de sostenibilidad en su producción, incluida la eficiencia energética, la gestión responsable de productos químicos y el manejo adecuado de residuos. Además, deben cumplir con las normas laborales y promover prácticas comerciales éticas.

Ahora ya sabes un poco más sobre estas fábricas tan desconocidas y misteriosas para muchos. No olvides comentar…