La miniaturización de los componentes electrónicos y el aumento en la densidad del empaquetado han intensificado la vulnerabilidad de los dispositivos en centros de datos frente a fallos inducidos por corrosión. En particular, los sistemas de enfriamiento por líquido directo (DCL) están sujetos a reacciones químicas y electroquímicas entre el refrigerante y las superficies en contacto, lo que provoca la formación de capas de productos de corrosión que dificultan la transferencia térmica efectiva. Por ejemplo, las placas frías de cobre son especialmente susceptibles a la oxidación incluso a temperatura ambiente. Estudios acelerados han demostrado que la interacción de estas placas oxidadas con mezclas de propilenglicol y agua a temperaturas elevadas puede ocasionar la decoloración del refrigerante. Además, existe un riesgo significativo de corrosión galvánica en uniones de cobre con materiales de aporte basados en plata, como BCuP-2 o Cu/Ag/Sn, lo que agrava la degradación en circuitos sumergidos en tanques de enfriamiento.

Los aditivos ácidos presentes en los líquidos refrigerantes pueden acelerar la corrosión del cobre, liberando iones y sales que disminuyen las propiedades aislantes del fluido, un factor crítico para la integridad de los sistemas. En centros de datos ubicados en zonas industriales con alta contaminación atmosférica, la corrosión por fluencia de cobre y plata es frecuente en componentes montados en superficie y placas de circuito impreso (PCBs). Contaminantes como el sulfuro de hidrógeno (H₂S), dióxido de azufre (SO₂) y óxidos de nitrógeno (NOx) reaccionan con los metales de los PCBs, generando óxidos que se transforman en sulfuros metálicos y dendritas, dañando severamente las estructuras electrónicas. La concentración de H₂S es determinante en la velocidad de corrosión, facilitando la formación de Cu₂S y Ag₂S, según las reacciones químicas 2Cu + H₂S → Cu₂S + H₂ y 2Ag + H₂S → Ag₂S + H₂.

Para evaluar la severidad de esta corrosión, se utilizan métodos como las pruebas con "Flores de Azufre" (FoS) y el test de gas mixto en flujo (MFG), que permiten simular las condiciones ambientales y contaminantes específicos para distinguir la respuesta de cobre y plata. En cuanto a los acabados de superficie de PCBs, el ENEPIG (Níquel Electrolítico, Paladio Electrolítico, Oro por Inmersión) se destaca por su resistencia superior a la corrosión y fiabilidad, aunque alternativas como ENIG, LF-HASL y plata por inmersión (ImAg) ofrecen diferentes balances entre protección y costo. El ImAg, por ejemplo, es particularmente susceptible a la corrosión bajo atmósferas ricas en H₂S, especialmente con temperaturas elevadas, incluso cuando la humedad relativa es baja.

Estudios en ambientes tropicales marinos, con alta humedad, temperatura y presencia de microorganismos, han evidenciado un impacto adicional sobre la corrosión de metales en PCBs. La formación de moho en las superficies contribuye a la degradación acelerada, evidenciada mediante análisis SEM y espectroscopía de dispersión de energía (EDS), que detectan elementos orgánicos en las áreas corroídas. En estas condiciones, las placas de cobre sin protección presentan la corrosión más grave, seguidas por las terminaciones ENIG, mientras que las ImAg muestran una resistencia notable.

Otro factor crítico son los filamentos microscópicos de zinc conocidos como “bigotes de zinc”, que se forman bajo tensiones compresivas en recubrimientos electrolíticos. Estos filamentos pueden desprenderse y circular por el ambiente de un centro de datos, generando cortocircuitos o fallos en los equipos electrónicos. Su presencia ha sido observada incluso en recubrimientos que han estado en uso por más de veinte años, subrayando la importancia de considerar este fenómeno en el mantenimiento y diseño de infraestructuras.

Es fundamental comprender que los fallos en centros de datos no sólo derivan de problemas internos de diseño o materiales, sino también de la interacción compleja con el entorno físico y químico. La calidad del aire, la composición química de los refrigerantes, la temperatura, la humedad, y la presencia de microorganismos y contaminantes atmosféricos actúan sinérgicamente en la degradación de los materiales y componentes electrónicos. Por ello, la selección de materiales con alta resistencia a la corrosión, el uso de pruebas específicas para predecir fallos, y el control ambiental en las instalaciones, son pilares imprescindibles para garantizar la confiabilidad y longevidad de los centros de datos.

¿Cómo prevenir el fracaso por corrosión en los centros de datos del futuro?

Los centros de datos están compuestos principalmente por materiales metálicos y no metálicos que son altamente susceptibles a la corrosión debido a la exposición a ambientes no controlados y a la incompatibilidad de materiales. Un problema particular en los centros de datos modernos es la corrosión causada por la interacción de metales disímiles, lo que puede dar lugar a un fenómeno conocido como corrosión galvánica. Este tipo de corrosión se produce cuando dos metales diferentes están en contacto en presencia de un electrolito, lo que provoca el deterioro de uno de los metales. La prevención de este fenómeno requiere una planificación cuidadosa en la selección de materiales y el uso de soluciones como uniones dieléctricas o la separación física de los materiales implicados. La protección catódica, que utiliza ánodos sacrificatorios o corriente impresa, también es una técnica eficaz para mitigar este tipo de corrosión.

Una de las formas de prevenir la corrosión en sistemas de refrigeración es mediante el uso de agua destilada en los circuitos de enfriamiento, lo que ayuda a evitar la corrosión de los componentes metálicos. Además, el control del pH y la adición de inhibidores de la corrosión en los fluidos de enfriamiento son medidas adicionales que protegen los metales. Estos inhibidores, como el tolyltriazol para el cobre y sus aleaciones, actúan previniendo la acción de contaminantes gaseosos o partículas que puedan deteriorar las superficies metálicas. Sin embargo, estos inhibidores requieren un mantenimiento regular ya que se agotan con el tiempo.

En los materiales electrónicos, como los utilizados en los circuitos impresos (PCB), una solución común para proteger contra la corrosión es aplicar un recubrimiento polimérico, también conocido como "conformal coating". Este recubrimiento protege los componentes electrónicos de la humedad, el polvo y los efectos de los productos químicos en ambientes agresivos, como los generados en la refrigeración de los centros de datos. Los recubrimientos de materiales como el poliuretano acrilato (PUA) se han demostrado eficaces para prevenir la penetración de productos químicos gaseosos, una de las principales causas de la corrosión en los módulos de memoria y otros componentes críticos de los servidores. La modificación de la estructura del PUA o la incorporación de diversos rellenos dentro del recubrimiento puede mejorar aún más la resistencia a la corrosión.

Un fenómeno relacionado que ha ganado atención en los últimos años es el crecimiento de los bigotes de zinc, un tipo de corrosión que afecta a las superficies recubiertas de zinc. Este fenómeno ocurre cuando las capas de zinc sobre materiales como el cobre se deforman, creando estructuras filiformes que pueden interferir con las conexiones eléctricas. El crecimiento de los bigotes de zinc puede provocar fallos eléctricos, y por lo tanto es crucial prevenirlo en los materiales que se utilizan en los centros de datos. Aunque algunos recubrimientos de zinc, como el galvanizado en caliente (HDG), se pensaba que eran inmunes a este fenómeno debido a la mayor tensión interna del material, investigaciones recientes han mostrado que incluso en estos recubrimientos pueden desarrollarse bigotes de zinc. Para mitigar este problema, algunas investigaciones sugieren la utilización de aleaciones en lugar de zinc puro, como el zinc-aluminio (ZnAl), o recubrimientos de polvo epóxico.

A medida que los centros de datos evolucionan hacia infraestructuras más sostenibles y con mayores exigencias tecnológicas, la selección de materiales adecuados se convierte en un factor clave para garantizar su fiabilidad y longevidad. Las soluciones de enfriamiento directo al chip, que utilizan placas de enfriamiento y fluidos refrigerantes para disipar el calor de los componentes de alto rendimiento, son un ejemplo de cómo la innovación en la selección de materiales y la mejora de los sistemas de refrigeración pueden reducir el riesgo de corrosión y mejorar la eficiencia energética. Además, el uso de tecnologías como el hidrógeno verde para el almacenamiento y suministro de energía está abriendo nuevas posibilidades para reducir el impacto ambiental de los centros de datos.

Es importante resaltar que la protección contra la corrosión no es solo una cuestión de prevención, sino también de monitoreo continuo. La condición superficial de los materiales debe ser vigilada regularmente, y las medidas preventivas deben ser aplicadas de manera proactiva. La integración de nuevos enfoques tecnológicos, como el uso de filtros HEPA en los sistemas de climatización para garantizar la calidad del aire, juega un papel fundamental en la reducción de la corrosión causada por contaminantes en el aire. Por lo tanto, una visión integral que combine la selección de materiales adecuados, el mantenimiento regular de los sistemas de refrigeración y el control de la calidad del aire es esencial para mantener la fiabilidad y eficiencia de los centros de datos en el futuro.

¿Cómo garantizar la confiabilidad del PCB en condiciones extremas y reducir la deformación térmica del sustrato?

El desempeño confiable de un circuito impreso (PCB) en aplicaciones como módulos de memoria y dispositivos de almacenamiento sólido (SSD) depende críticamente de una combinación de propiedades materiales, diseño estructural y validación mediante pruebas mecánicas avanzadas. En particular, los desafíos relacionados con la deformación térmica (warpage) y la confiabilidad de las uniones de soldadura (SJR) requieren un enfoque sistémico y multidisciplinario.

Las propiedades deseables de los materiales para PCB deben centrarse en minimizar las pérdidas eléctricas (bajo factor de disipación y constante dieléctrica), mantener una baja expansión térmica (CTE) y poseer alta resistencia a la fractura en un amplio rango de temperaturas, desde −65 hasta 150 °C. Estas características son esenciales no solo para la transmisión eficiente de datos en aplicaciones de cómputo de alto rendimiento, sino también para preservar la integridad de las uniones de soldadura durante los ciclos térmicos del ensamblaje y operación.

Los estudios han demostrado una fuerte correlación entre la densidad de energía de deformación (SED) máxima y tanto el primer fallo (FF) como la vida útil característica (Cz) de los paquetes CSP (Chip Scale Package). Una placa con CTE bajo puede extender hasta 2.5 veces la vida útil en comparación con una placa con CTE estándar. Sin embargo, para configuraciones como DCA (Direct Chip Attach), aún es necesario investigar más para modelar de forma precisa los modos de fallo y los márgenes de confiabilidad.

Para mejorar la confiabilidad de los CSP, reducir el grosor del dado y aumentar la altura de los studs de cobre puede ofrecer ventajas. No obstante, la mejora más significativa proviene del uso de materiales dieléctricos con bajo CTE, lo cual reduce la incompatibilidad térmica entre los componentes y el sustrato, principal causa de deformaciones y fallos en las soldaduras.

El warpage no es solo una cuestión de materiales, sino también de procesos. Durante el ensamblaje superficial (SMT), las deformaciones inducidas por el desajuste de CTE entre el paquete y el PCB pueden generar defectos críticos como el "head-in-pillow" o la falta de mojado. Estrategias como el uso de pasta de soldadura de baja temperatura (LTS), ajustes en el perfil de reflujo con mayor tiempo sobre el punto de fusión (TAL) y el incremento del espesor del PCB pueden mitigar dichos efectos.

El control del warpage a nivel de paquete requiere la optimización del conjunto de materiales (BOM) y parámetros de ensamblaje. Aumentar el contenido de relleno en el compuesto encapsulante (EMC) mejora la estabilidad térmica, mientras que un curado post-moldeo a temperatura controlada puede reducir significativamente la deformación a temperatura ambiente. La selección de núcleos de sustrato con bajo módulo y bajo CTE también resulta crítica para minimizar las deformaciones a alta temperatura.

En lo que respecta a aplicaciones criogénicas, la confiabilidad del PCB enfrenta retos únicos. A temperaturas extremadamente bajas, la fragilidad de los materiales se convierte en un riesgo dominante. Se deben seleccionar materiales que conserven su tenacidad y resistencia estructural, evitando la propagación de grietas. Además, es fundamental garantizar la compatibilidad química con fluidos criogénicos y mantener las propiedades dieléctricas de los materiales aislantes. La más mínima degradación en la capacidad de aislamiento puede resultar en fallas eléctricas catastróficas.

Las pruebas de confiabilidad deben adaptarse para reflejar estas condiciones extremas. Entre los métodos industriales destacan los ensayos de almacenamiento a alta temperatura (HTSL), los ciclos térmicos (TC) y la exposición acelerada a humedad y temperatura (UHAST). Estas pruebas permiten identificar defectos latentes como la formación de compuestos intermetálicos, microgrietas en las trazas o delaminaciones inducidas por humedad.

Es indispensable avanzar en el desarrollo de materiales innovadores con propiedades diseñadas para soportar tanto altas temperaturas como ambientes criogénicos. Se deben considerar nuevas formulaciones de pastas de soldadura de alta confiabilidad, combinadas con núcleos de PCB de baja expansión térmica y bajo módulo, adecuados para cargas térmicas extremas.

En última instancia, la integración funcional de PCB y paquetes en sistemas electrónicos de alto rendimiento requiere un equilibrio preciso entre diseño, selección de materiales y condiciones de prueba. El futuro de la confiabilidad en hardware depende de este enfoque holístico, capaz de anticipar y mitigar fallas desde la concepción del producto hasta su implementación en los entornos más desafiantes.

¿Cómo afecta la deformación de las placas de circuito impreso (PCB) a la fiabilidad de los dispositivos de memoria a temperaturas extremas?

En el ámbito de la computación de alto rendimiento, se observa un incremento en las demandas de sistemas de vanguardia que requieren innovaciones en materiales para sustratos y placas de circuito impreso (PCB), así como evaluaciones exhaustivas de su fiabilidad. Los desafíos de fiabilidad de las memorias y unidades de estado sólido (SSD) han cobrado especial relevancia debido a la evolución de las aplicaciones en enfriamiento por inmersión y computación cuántica, que exigen materiales cada vez más avanzados para soportar entornos criogénicos.

Uno de los principales problemas que afecta a la fiabilidad de los dispositivos de memoria en estas condiciones extremas es la deformación de la placa a nivel de PCB en entornos criogénicos. Este fenómeno se debe principalmente a la tasa de contracción del PCB, el sustrato y el encapsulante, y a sus coeficientes de expansión térmica (CTE). La selección óptima de materiales para el núcleo de la PCB, con una tasa de contracción adecuada, es crucial para ajustar la estructura global del módulo y el paquete a nivel de la placa de SSD, minimizando la densidad de energía de deformación excesiva que puede causar tensión adicional en las uniones de soldadura en líquidos como el nitrógeno líquido o el helio líquido.

Existen diversas estrategias para mitigar la deformación global a nivel de PCB que afectan a la fiabilidad de los dispositivos en entornos extremos. Entre ellas, se encuentra la optimización del perfil de reflujo a nivel de SSD con un tiempo prolongado por encima de la temperatura del líquido [41], el uso de pasta de soldadura LTS para reducir la temperatura de reflujo (de 260°C a aproximadamente 180°C) [42-45], y la reducción de la deformación del paquete a altas temperaturas de reflujo, lo que mejora la resistencia de las uniones de soldadura (SJR).

El uso de PCB más gruesos, con acabados superficiales Cu-OSP, es otra medida recomendada para mejorar la resistencia a la deformación en aplicaciones automotrices. Además, se debe considerar el sustrato con bajo CTE, bajo módulo y una mayor apertura de la SRO, lo que puede mejorar la deformación del paquete a altas temperaturas, con perfiles más adecuados para las aplicaciones de memoria que se utilizarán en entornos criogénicos. Todo esto contribuye a la fiabilidad general del módulo de memoria y las unidades SSD.

Es fundamental que los paquetes de memoria cumplan con los requisitos mínimos de fiabilidad establecidos por las normas IPC/JEDEC [35–38], que deben ser evaluadas antes del lanzamiento a la fabricación en volumen [46–53, 59], así como los estándares AEC Q104 [54], que especifican la fiabilidad en entornos de automoción. En vista de los recientes avances en la demanda de sistemas de enfriamiento por inmersión y las nuevas aplicaciones de computación cuántica en inteligencia artificial, la fiabilidad del hardware de los módulos de memoria y SSD debe recibir una atención especial, con innovaciones que aseguren su desempeño a largo plazo en estos entornos tan exigentes.

Además de las recomendaciones anteriores, es importante reconocer la necesidad de estudiar las propiedades de los materiales en función de la estructura de la PCB y el impacto que las variaciones térmicas puedan tener sobre las conexiones. La fiabilidad de las uniones de soldadura y las interconexiones de nivel inferior puede verse gravemente afectada por la acumulación de tensiones térmicas y mecánicas durante los ciclos de temperatura extremos. La investigación en materiales con bajo CTE y técnicas de fabricación avanzadas, como el uso de sustratos híbridos para la integración heterogénea, puede contribuir significativamente a mejorar la fiabilidad a largo plazo de los dispositivos de memoria en entornos criogénicos.

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