En la refrigeración por inmersión, existen dos enfoques principales: el de una sola fase y el de dos fases. En el primero, el fluido refrigerante permanece en estado líquido y no se evapora. En cambio, la refrigeración por inmersión de dos fases implica sumergir los componentes electrónicos en un fluido dieléctrico con bajo punto de ebullición, que hierve para extraer calor. El vapor generado se condensa y retorna a estado líquido, lo que mejora la eficiencia del intercambio térmico y establece un ciclo de refrigeración continuo. La principal diferencia de costos entre ambos métodos radica en el tipo de fluido refrigerante y la inversión en infraestructura para centros de datos. Los refrigerantes basados en fluorocarbonos, usados en sistemas de dos fases, son considerablemente más caros que los hidrocarburos, lo que impacta el costo total según el volumen de fluido utilizado.

Entre los materiales esenciales en estas tecnologías, destacan los fluidos refrigerantes: para una sola fase se emplean mezclas de agua desionizada con glicoles como el etilenglicol o propilenglicol, mientras que en sistemas de dos fases se utilizan refrigerantes HFO y HFC, como R1234yf o R134a. Los materiales para los componentes en contacto con estos fluidos incluyen cobre y sus aleaciones para tuberías y placas frías, acero inoxidable en sus grados 304L, 316L y superiores para válvulas y conectores, y componentes de EPDM para sellos y mangueras, así como plásticos reforzados para partes que transportan el refrigerante. Las placas frías suelen fabricarse en cobre o aluminio, aunque la combinación de ambos en el mismo circuito líquido no es recomendable debido a la corrosión galvánica. Los materiales de interfaz térmica, como pastas o almohadillas térmicas, son imprescindibles para optimizar la transferencia de calor entre componentes.

Empresas líderes como Bitfury y Allied Control han desarrollado centros de datos con refrigeración por inmersión de dos fases que alcanzan densidades de potencia de hasta 250 kW por rack horizontal, aumentando la densidad energética respecto a los sistemas convencionales y reduciendo el consumo energético en refrigeración en más del 96%, logrando un PUE (eficiencia del uso de energía) cercano a 1.02. Además, soluciones innovadoras como la reutilización del calor capturado por Submer permiten aprovechar hasta un 99% del calor generado, transformándolo en agua caliente útil, lo que amplía el rango operativo térmico y mejora la sostenibilidad del sistema. Sin embargo, es importante considerar que la degradación química de los fluidos dieléctricos, ocasionada por la exposición a calor, oxidación y contaminantes, puede inducir corrosión, disminuir la transferencia térmica y provocar fallos en el sistema. Asimismo, las preocupaciones sobre costos iniciales, mantenimiento, limitaciones de espacio, toxicidad de los fluidos y riesgo de fugas o corrosión aún representan retos significativos a superar.

La demanda energética global de los centros de datos sigue aumentando, representando aproximadamente el 2% del consumo eléctrico mundial en 2025, con previsiones que apuntan a un 4% en 2030. En este contexto, la sostenibilidad y la reducción de la huella de carbono se convierten en prioridades esenciales. Para responder a estos desafíos, se impulsa la implementación de hardware eficiente, sistemas de refrigeración optimizados, materiales de bajo impacto ambiental y fuentes de energía renovables. Una de las soluciones emergentes más prometedoras es la incorporación de la energía del hidrógeno, que ha ganado atención como alternativa limpia a los combustibles fósiles. La producción de hidrógeno puede realizarse mediante diversos procesos, incluyendo reformado de hidrocarburos, gasificación de biomasa y, especialmente, electrólisis del agua, que utiliza energía eléctrica para descomponer moléculas en hidrógeno y oxígeno.

La electrólisis basada en membranas de intercambio protónico (PEM) destaca por ser una tecnología eficiente y ecológica, generando hidrógeno puro con emisiones solo de oxígeno como subproducto, sin producir carbono. Aunque la electrólisis de óxido sólido es otra alternativa reconocida por sus costos potencialmente menores, la PEM se considera más avanzada para la producción sostenible. En el proceso PEM, el agua en el ánodo se descompone en protones, electrones y oxígeno; los protones atraviesan la membrana hacia el cátodo, donde se recombinan con los electrones para formar hidrógeno. Este hidrógeno puede posteriormente reconvertirse en electricidad mediante pilas de combustible, facilitando centros de datos libres de carbono.

Modelos recientes desarrollados por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) y Power Innovations exploran la integración de energías renovables con infraestructuras de hidrógeno para evaluar la viabilidad económica y la sostenibilidad de centros de datos alimentados por pilas de combustible. El almacenamiento de hidrógeno en sitio se plantea como una solución para mitigar la intermitencia de fuentes renovables como solar y eólica. Además, sistemas de refrigeración líquida se utilizan para disipar el calor residual tanto de las pilas de combustible como de los racks de TI, permitiendo la operación autónoma de microredes energéticas.

Más allá de lo descrito, es crucial comprender que la transición hacia centros de datos sostenibles no solo requiere avances tecnológicos, sino también un enfoque integrado que considere la gestión del ciclo de vida de los materiales y fluidos utilizados, la implementación de sistemas de monitoreo para prevenir fugas o degradaciones, y políticas de mantenimiento preventivo que aseguren la longevidad y seguridad operativa. Asimismo, la elección del fluido refrigerante debe balancear eficiencia térmica con impacto ambiental, dado que algunos refrigerantes con alta capacidad de enfriamiento poseen también elevado potencial de calentamiento global, lo que puede contradecir los objetivos de sostenibilidad a largo plazo. Finalmente, la innovación en sistemas híbridos que combinen diversas tecnologías de refrigeración y generación energética renovable puede ofrecer rutas flexibles y adaptables a diferentes escalas y condiciones locales, contribuyendo a la resiliencia y eficiencia del ecosistema energético de los centros de datos del futuro.

¿Qué factores afectan la fiabilidad de los sustratos y PCBs en el empaquetado de memoria?

La evolución tecnológica en el empaquetado de semiconductores ha redefinido los materiales y procesos asociados al diseño de dispositivos de memoria y unidades de estado sólido (SSD). Lo que antes consistía en estructuras básicas de cerámica o plástico, hoy representa una disciplina altamente especializada que integra funciones múltiples en formatos cada vez más compactos y robustos. Los materiales de sustrato y las placas de circuito impreso (PCB, por sus siglas en inglés) no son solamente plataformas físicas: son determinantes claves en el rendimiento, densidad y fiabilidad del sistema de memoria en su conjunto.

En el contexto actual, donde las exigencias tecnológicas son impulsadas por la proliferación de centros de datos, el crecimiento exponencial de la computación en la nube, la infraestructura 5G y la adopción acelerada de inteligencia artificial y aprendizaje profundo, los desafíos de ingeniería de hardware se intensifican. Los sustratos y PCBs utilizados en módulos de memoria y SSD deben soportar estas condiciones sin comprometer integridad, eficiencia ni durabilidad.

Uno de los enfoques más importantes en el diseño de estos componentes radica en los materiales utilizados. El sustrato de Bismaleimida Triazina (BT) es uno de los más empleados por sus cualidades de aislamiento, integridad de señal y resistencia térmica. Su estructura termofija, producto de la reacción entre la bismaleimida y la resina de cianato de éster, permite una buena resistencia a la delaminación y a la absorción de humedad cuando es correctamente curado. Sin embargo, la presencia de volumen libre en la resina sólida y la interfaz entre fibra de vidrio y resina puede favorecer la difusión de humedad. El tratamiento de las fibras con agentes de acoplamiento mejora esta adhesión, aumentando la resistencia global del sistema.

Los mecanismos de fallo más recurrentes en estos sustratos orgánicos incluyen el cortocircuito por electromigración en las trazas, microgrietas inducidas por ciclos térmicos, deformaciones por diferencias de expansión térmica (CTE), y delaminaciones en microvías. Cada uno de estos fallos está ligado a múltiples factores, desde el diseño físico de la traza hasta el coeficiente de contracción de los materiales usados.

Para mitigar estos riesgos, se han propuesto y probado diversas estrategias. Por ejemplo, el control del proceso de grabado durante la fabricación del sustrato es esencial para evitar defectos geométricos en las trazas. Del mismo modo, el uso de núcleos con bajo contenido de halógenos en combinación con resinas de soldadura apropiadas reduce el riesgo de migración electroquímica. En cuanto a las deformaciones, la elección de materiales con bajo CTE y perfiles de retracción adecuados puede minimizar los efectos de warpage tanto a nivel del sustrato como del paquete completo.

Otra fuente crítica de falla se localiza en las vías pasantes y microvías, donde el diseño subóptimo o las condiciones térmicas del proceso pueden inducir delaminaciones internas. La compatibilidad entre el módulo de elasticidad del sustrato y el del compuesto de encapsulado (epoxy molding compound) es determinante en la prevención de microgrietas inducidas por ciclos térmicos.

El futuro inmediato del desarrollo de estos sistemas se centra en la integración de análisis por elementos finitos (FEA) que permitan cuantificar tensiones y deformaciones en zonas críticas como las uniones de cobre y soldadura. La modelización de fatiga a partir de estos datos permitirá prever la propagación de fisuras y definir constantes específicas para cada configuración de diseño. Este enfoque posibilita no solo una validación predictiva de la fiabilidad, sino también una optimización más precisa del diseño estructural.

Además, la tendencia de la industria exige materiales más delgados, con núcleos dieléctricos de baja pérdida, resistencias a la soldadura con baja emisividad alfa y núcleos altamente resistentes a la fractura. Estos factores adquieren aún más relevancia en aplicaciones emergentes como la refrigeración por inmersión y los sistemas de computación cuántica e inteligencia artificial, donde el entorno operativo impone condiciones extremas de temperatura, humedad y radiación.

La complejidad inherente a estas plataformas no permite soluciones unilaterales. La interacción entre múltiples propiedades —mecánicas, térmicas, químicas y eléctricas— requiere un enfoque holístico y profundamente interdisciplinario. La ingeniería de materiales debe avanzar en paralelo con la validación mecánica, la simulación térmica y la caracterización eléctrica para sostener los niveles de fiabilidad que demanda el mercado de computación avanzada.

Es imprescindible considerar también las implicaciones de la corrosión galvánica y del crecimiento de filamentos metálicos como los “zinc whiskers”, que representan amenazas latentes para la integridad de la señal y pueden desencadenar fallos catastróficos. Estos fenómenos, a menudo subestimados, deben incluirse en las evaluaciones de fiabilidad, especialmente en entornos de alta densidad y condiciones de operación agresivas.

En este contexto, se vuelve esencial la implementación de normativas de especificación para fluidos de inmersión, como las propuestas por el Open Compute Project, que definen los criterios químicos y físicos que deben cumplir los fluidos para evitar la degradación de materiales y prevenir mecanismos de falla acelerados. Estos criterios deben ser estrictamente validados en etapas tempranas del diseño del sistema.

La resistencia mecánica del sustra

¿Cómo influye el nuevo compuesto epóxico moldeado (EMC) de mayor módulo de rigidez en la minimización de la deformación de paquetes electrónicos en condiciones criogénicas?

El avance en los materiales utilizados para el empaquetado de dispositivos electrónicos, especialmente en aplicaciones que requieren alta fiabilidad bajo condiciones extremas, ha puesto especial atención en la evolución del compuesto epóxico moldeado (EMC). Un EMC con un módulo de rigidez elevado representa una innovación significativa, ya que puede influir decisivamente en la reducción de la deformación o warpage de los paquetes a temperaturas criogénicas. Esta propiedad es crucial para mantener la integridad mecánica y funcionalidad de los sistemas electrónicos en ambientes donde las variaciones térmicas son severas y los ciclos térmicos frecuentes.

La deformación del paquete durante la refrigeración a temperaturas muy bajas provoca tensiones internas que pueden afectar tanto las soldaduras como las interconexiones. El uso de un EMC con un módulo de rigidez mayor ayuda a distribuir y limitar estas tensiones, reduciendo el riesgo de fallo mecánico. En esencia, la resistencia mecánica mejorada del EMC actúa como una barrera estructural contra la contracción diferencial entre los materiales componentes del paquete, lo que se traduce en una mejora significativa de la fiabilidad del ensamblaje.

Diversos estudios han demostrado que las propiedades microestructurales y mecánicas de los materiales de soldadura juegan un papel determinante en la respuesta termo-mecánica de los dispositivos empaquetados. En particular, la evolución de las aleaciones sin plomo basadas en Sn-Ag-Cu (SAC) ha sido ampliamente investigada debido a su impacto en la resistencia a la fatiga térmica y la fiabilidad bajo envejecimiento. La interacción entre estas aleaciones y el EMC modificado puede potenciar la durabilidad del conjunto, especialmente cuando se considera la coalescencia y el crecimiento de compuestos intermetálicos como Ag3Sn, cuyo comportamiento afecta la rigidez y la ductilidad de la unión soldada.

Además, la conformación y optimización de las juntas de soldadura bajo estos nuevos parámetros materiales requiere un análisis detallado de las condiciones de fabricación y post-procesado. La selección del EMC adecuado, junto con una correcta gestión del perfil térmico de reflujo, incide en la minimización de defectos como grietas o deformaciones inducidas, garantizando un desempeño estable en ciclos térmicos extendidos. El diseño de experimentos y modelos predictivos actuales permite evaluar con mayor precisión el impacto de estas variables, facilitando el desarrollo de soluciones robustas para el empaquetado avanzado.

Es relevante también considerar la interacción de estos materiales con las superficies de los pads en las placas de circuito impreso (PCB), ya que el acabado superficial influye directamente en la adherencia y en la distribución de tensiones en la unión soldada. La combinación del EMC reforzado con un acabado óptimo puede ser un factor decisivo para extender la vida útil del dispositivo en aplicaciones exigentes.

Además, el contexto de la normativa ambiental, como la Directiva Europea 2002/95/EC, ha impulsado la investigación y desarrollo de soldaduras sin plomo, lo que añade un componente adicional en la selección de materiales que deben balancear propiedades mecánicas, térmicas y de fiabilidad a largo plazo, sin comprometer los estándares de sostenibilidad.

Para una comprensión más profunda es fundamental analizar cómo la microestructura del EMC, en combinación con la de las soldaduras y otros componentes, evoluciona durante el envejecimiento térmico y la exposición a ciclos criogénicos. Este enfoque integral proporciona una visión completa de las fuerzas internas y los mecanismos de degradación, permitiendo anticipar fallos y diseñar estrategias de mitigación efectivas.

Asimismo, es crucial tener presente que la simulación computacional avanzada y el modelado del pathfinding en el EMC pueden ser herramientas poderosas para optimizar el diseño del paquete electrónico, reduciendo la deformación sin necesidad de recurrir a costosos prototipos físicos. Estos modelos integran las propiedades mecánicas actualizadas de los materiales y las condiciones ambientales específicas, logrando una predicción más exacta del comportamiento durante la vida útil del producto.

La integración de estos conocimientos técnicos con la práctica industrial posibilita el desarrollo de empaquetados más fiables, resistentes a los rigores térmicos y mecánicos que presentan los sistemas modernos, especialmente en sectores donde la precisión y la durabilidad a temperaturas extremas son indispensables.

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