Electromigración: qué es y por qué este fenómeno es la mayor amenaza a la que se enfrentan todos nuestros dispositivos electrónicos

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.

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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Electromigración: qué es y por qué este fenómeno es la mayor amenaza a la que se enfrentan todos nuestros dispositivos electrónicos

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Xataka

por
Juan Carlos López

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