Todos los dispositivos electrónicos que utilizamos de forma cotidiana pueden verse afectados por ella. Nuestros ordenadores portátiles y de sobremesa, nuestros smartphones, nuestras tablets y cualquier otro dispositivo que incorpore semiconductores en su interior puede ser víctima de la electromigración.
Este fenómeno fue descubierto por el físico francés M. Gerardin en 1861, pero no tuvo relevancia más allá del ámbito teórico hasta que se fabricaron los primeros circuitos integrados en la década de los 60 del siglo pasado. La característica más sorprendente de este mecanismo, y lo que a los usuarios nos interesa conocer, es que puede provocar la degradación física de los semiconductores llegando, incluso, a dejarlos inservibles. Afortunadamente, tenemos cierto margen para combatirlo.
Electromigración: qué es y por qué se produce
Todos sabemos de una forma más o menos intuitiva qué es la corriente eléctrica, pero para entender qué es y cómo funciona la electromigración nos interesa repasar que la electricidad es posible debido a que un flujo de electrones se desplaza a través de un material conductor gracias a la diferencia de potencial que existe entre sus dos extremos. Los electrones se mueven en un sentido determinado a lo largo del conductor, desde el electrodo negativo hacia el electrodo positivo (la corriente eléctrica por convenio va en sentido contrario).
Los electrones pueden chocar con los núcleos de los átomos que conforman el conductor, tranfiriéndoles una cantidad de movimiento y desplazándolos
Lo curioso, y este es el origen de la electromigración, es que durante su desplazamiento los electrones pueden chocar con los núcleos de los átomos que conforman el conductor. Cuando se produce este choque los electrones transfieren una cantidad de movimiento a los núcleos atómicos, y, si es suficiente, pueden desplazarlos. De alguna forma el efecto que tiene lugar cuando se produce el choque es similar al de un empujón que si es lo suficientemente intenso puede desplazar al núcleo atómico que ha recibido el impacto.
Esta imagen ha sido tomada con un microscopio electrónico, y muestra la degradación física que ha sufrido un conductor de cobre a causa de la electromigración.
La consecuencia directa de este comportamiento es que una región del conductor puede tener un defecto de núcleos atómicos (menos de los que tenía inicialmente), y otra región puede tener un exceso de núcleos atómicos (más de los que tenía inicialmente). Se ha producido una migración real de material entre dos puntos, provocando que en uno de ellos queden huecos libres que inicialmente no estaban ahí. Este fenómeno es la electromigración, y, como acabamos de ver, describe la migración de material de un conductor ocasionada por la corriente eléctrica que lo atraviesa.
La probabilidad de que los electrones de la corriente eléctrica choquen con los núcleos atómicos del conductor depende de varios factores. Uno de ellos es la densidad de la corriente, que, dejando a un lado las fórmulas y los conceptos más complicados, está condicionada por la intensidad de la corriente y la sección del conductor. La intensidad de la corriente eléctrica refleja la cantidad de carga que se desplaza por unidad de tiempo, de manera que una misma cantidad de carga generará una mayor densidad de corriente en un conductor con menos sección que en otro conductor con una sección mayor.
Entender cómo funciona este mecanismo es sencillo si imaginamos que los electrones son coches y que el material conductor es una autopista llena de obstáculos. Si la carretera es muy ancha y salen desde el punto de partida a la vez cuatro coches es probable que todos ellos tengan espacio suficiente para llegar a la meta sin chocar con ningún obstáculo. Sin embargo, si colocamos esos mismos cuatro coches en una autopista mucho más estrecha y con el mismo número de obstáculos es probable que alguno de los coches acabe llevándose por delante alguno de los obstáculos, desplazándolo y alterando su ubicación como consecuencia del impacto.
El segundo factor crucial que determina que se produzca o no la electromigración es la temperatura. Si el conductor está sometido a una mayor temperatura sus núcleos atómicos vibran más debido a que adquieren una mayor energía cinética, y esta mayor vibración incrementa la probabilidad de que los electrones de la corriente eléctrica choquen contra ellos y les transfieran una cantidad de movimiento, desplazándolos.
Cómo podemos combatir este fenómeno
Como acabamos de ver, la electromigración está condicionada por dos factores muy importantes: la densidad de la corriente eléctrica que circula por el conductor y su temperatura. Si uno de estos parámetros, o ambos, son lo suficientemente altos es más probable que ocurra este fenómeno, lo que nos permite intuir fácilmente que una forma de mantener la degradación del material del conductor bajo control consiste en minimizar tanto la densidad de la corriente como la temperatura, en la medida de lo posible.
Mantener correctamente refrigerados nuestros dispositivos electrónicos es la forma más eficaz de prevenir la electromigración. De igual modo, si nos gusta practicar overclocking y no queremos que la vida útil de los componentes que estamos forzando se vea reducida a causa de esta degradación lo ideal es que no nos excedamos con el voltaje y recurramos a un sistema de refrigeración que sea lo más eficaz posible.
La electromigración provoca el transporte de material físico del conductor entre dos puntos, como hemos visto unas líneas más arriba, de manera que el punto que pierde núcleos atómicos puede ocasionar que la corriente eléctrica quede interrumpida si la degradación es lo suficientemente intensa. Y el punto en el que se acumulan más núcleos atómicos de la cuenta puede provocar que dos pistas de material conductor que están físicamente muy cerca acaben tocándose y ocasionando un cortocircuito. En ambos casos nuestro dispositivo electrónico fallará, de manera que todo lo que podamos hacer para evitarlo será bienvenido.
Imágenes | Enrique Jiménez | Patrick-Emil Zörner
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brightspark
Buen articulo, gracias por hacerlo accesible. Perdón por mi ignorancia y si digo alguna barbaridad, pero tendría varias preguntas:
-Entonces, con las cargas ultra rápidas de 65 y más aún de 120w, ¿es la degradación mayor al enviar a esa carretera (por seguir con la analogía) muchos más coches en un menor tiempo? Con cargas tan potentes lo doy por supuesto en el tema de la temperatura.
-¿Que medidas podrían implementar los fabricantes para reducir este efecto? ¿Cables de un mayor grosor? ¿Algún tipo de recubrimiento para evitar estos choques?
Muchas gracias :D
zero3fx
Precisamente este es el problema porque fallan muchos macbook sobretodo modelos de 2010, algunos modelos de HP, etc. Sin ir más lejos yo tengo 2 modelos afectados que se tuvo que hacer un reballing y apenas duraron unos meses.
Además, me aventuraría a decir, que gracias a la moda de los ultrabooks y debido a su diseño por ahorrar espacio soldando en placa cpu, gpu y ram, y debido a las temperaturas que alcanzan estos componentes, se degradan antes las soldaduras por el motivo expuesto en este artículo.
Así que yo si veo el problema, y mayor que el fallo de la batería, puesto que si falla la batería se cambia y punto, si fallan las soldaduras en placa, por mi experiencia, te quedas sin portátil.
acheronviperidaecrotalinae
No. Los que achacáis que vuestro dispositivo (como uno de los usuarios a afirmado) a fallado por electromigración, no es así.
Primero, porque no tenéis forma de saber que ha fallado por este motivo, para verificarlo tendríais que usar microscopios electrónicos de barrido, cosa que no esta al alcance de casi nadie...
Segundo, los nodos se diseñan teniendo en cuenta la electromigración (y otros muchos procesos de degradación, tal como la "hot carrier injection", la "negative bias temperature instability" o la degradación del dieléctrico del transistor (aplicable tanto a MOSFETs como a celdas NAND)), entre otros. Estos modos de fallo se modelan matemáticamente y forman parte de la validación y la fiabilidad (Reliability) del producto.
Los tiempos necesarios para que apareciesen estos fenómenos, se traducen en décadas de funcionamiento bajo condiciones normales, si que es cierto que el overclocking, el overvoltage y el funcionamiento a altas temperaturas, acortaría este tiempo medio de fallos, pero aún así siguen siendo muchos años.
Otro usuario a comentado, que este era el problema por el que fallaban los macbook de 2010 (y de otros muchos fabricantes, GPUs de Nvidia, XBOX 360, PS3...fue una plaga en verdad). No. Estas confundiendo otro modo de fallo.
En estos casos, lo que fallaba eran las "bolitas" de soldadura que unían el package del chip con la placa base del dispositivo, por ejemplo la GPU del Macbook a la placa base de este. Este es un modo de fallo particular de los BGAs (Ball Grid Array) que es el tipo de packaging que se utilizan en todos estos dispositivos de hardware fijo por decirlo de alguna manera (consolas, portatiles, smartphones...).
Este, principalmente se producía por los diferentes coeficientes de dilatación de los materiales y que con el tiempo y después de varios ciclos térmicos de encendido/apagado se acababan fracturando, por eso un reballing podía funcionar temporalmente, si el dispositivo hubiese fallado por electromigración de las interconexiones de cobre del chip, no hubiese habido reballing que lo solucionase : )
Hubo una historia precisamente con la electromigración y con el uso que hizo Nvidia en sus GPUs, de bolitas con Alta cantidad en Plomo, en vez de las eutecticas, pero era el uso de las primeras, que supuestamente eran más resistentes a la electromigración, la que causaba más fallos por ciclado térmico.
Otro usuario, si que iba bien encaminado y es que Intel en sus infames 10nm ha empezado a usar Cobalto y Rutenio en sus interconexiones, que tienen mayor resistencia a la electromigración por una misma sección de cobre, pero estos nuevos materiales (y que parece ser que la integración de estos materiales, ha sido uno de los motivos, entre otros, de los retrasos del nodo de 10nm de Intel) son solo usados en las 2 o 3 primeras capas de metal (las que estan más cercanas a los transistores y tienen la sección más pequeña) en el resto de capas, más de diez en los 10nm, se sigue usando Cobre, así que habra Cu para rato : )
imf017
Estáis equivocados: la mayor amenaza es la obsolescencia programada.
sanamarcar
Es como el lobo siempre a venir pero nunca pasa... xD. Pero si es un fenómeno que ocurrirá pero está controlado, no como otros...
mussgo182
Sabía que las memorias NAND (y por ende los SSD de los portátiles) tienen un número limitado de escrituras por sector que al ser superado, muere, pero no tenía idea de la electromigración....
Veo que son muchos los factores en conjunto los que deciden cuanto van a vivir nuestros cacharros, aunque siempre lo primero en morir es la batería.
amfortas
Ahora ya termino de entender por qué a mí me dura los móviles más que a la gente:
Los apago por las noches y dejo "descansar" a la electrónica. Por eso yo termino cambiándolos no porque me empiecen a fallar y hacer cosas raras, sino porque la batería ya no carga como debiera o sen han quedado demasiado anticuados.
Ahí está la cosa de cómo hacer uso a los aparatos, si los usas y "explotas" lo más posible y cuando va no pueden más, pues los cambias y punto... o los tratas con más cuidado y "mimo" para que duren lo más posible.
JuanAnt
Llevo 6 años y 2 meses con el mismo móvil y sin apagarlo jamás; también uso, además de otros más nuevos, algunos ordenadores de 2012-2014 con OC para render 3D y de VFX, y para control de acceso remoto un portátil de 2006.
También uso un Nokia 5800 Xpressmusic de 2009 para escuchar música en gimnasio y otros sitios y hasta la batería sigue funcionando bastante bien (la pantalla está destrozada por un mordisco de mi perro!)
Creo que la mayoría aun no hemos tenido, por suerte, electromigración letal.
Saludos.
Ariasdelhoyo
De esto se lleva hablando cuando empezaba a hablarse de microprocesadores a 50 MHz.
Felipe_fotografo
Desconocía el verdadero nombre, pero le comentaba a mis amigos que los dispositivos electrónicos se morían de "Alzheimer", porque es lo mismo que sucede en el cerebro con los que padecen este mal. Es una degradación que finalmente repercute en las funciones de los equipos.
german.lopez.5209
Y entonces respecto del factor INTENSIDAD de la corriente ¿Cómo podemos protegernos?¿Haciendo qué?
klkcontigomanin
La electromigración no está relacionada con los nanómetros?
rogeralejandro1798
Si bien es cierto que puede haber un desgaste debido al esfuerzo normal o el sobre esfuerzo de los componentes de nuestros dispositivos; ante una sociedad de consumo en crecimiento un punto sobre el cual hay que reflexionar es el siguiente: ¿Qué tanto influye la obsolescencia programada ante estas "fallas"?
ramoncio
Madre mia, que terror, desde hoy no podré dormir tranquilo por miedo a que se me electromigren todos mis cacharros electronicos
kekiosan
Titular sensacionalista donde los haya. Madre mía, la mayor amenaza a la que se enfrentan nuestros dispositivos electrónicos y sin embargo no conozco a nadie a quien se le haya "muerto" un dispositivo debido a este fenómeno. Por degradación de la vida de la batería, por una caída accidental, por salpicaduras de líquidos... Así que definitivamente hay muchas más amenazas más plausibles y cotidianas y por lo tanto el titular es un CLICKBAIT.