Estudio ab initio de las propiedades cohesivas, la estructura electrónica y estabilidad termodinámica de fases intermetálicas en los sistemas Ni-In y Ni-Sn

S. RAMOS DE DEBIAGGI; C. DELUQUE TORO; G. F. CABEZA; A. FERNÁNDEZ GUILLERMET

Bahía Blanca

Jornada; VII Jornadas Abiertas de Física; 2012

Depto. Física - UNS

Los actuales requerimientos ambientales de soldaduras libres de Pb han motivado la búsqueda sistemática de reemplazos de las tradicionales aleaciones Pb-Sn. En ese contexto se ha prestado considerable atención a las aleaciones basadas en In-Sn.  En particular, la aleación eutéctica In-48 at%Sn es considerada muy atractiva para tales fines por su baja temperatura de fusión, buena mojabilidad y porque hace posible la formación de varias fases intermetálicas (FIs) en la zona de interconexión. Las propiedades de estas FIs, que se forman entre el material de contacto y la aleación de soldadura, son importantes porque determinan las propiedades finales de la unión.    Aunque el Cu es el material de contacto más común en dispositivos electrónicos, el Ni también es usado como sustrato, ya que en comparación con el Cu presenta una cinética de reacción más lenta con la aleación de soldadura. Con esto se evitan los efectos indeseados que tienen sobre la respuesta mecánica de las uniones el excesivo crecimiento de las FIs. Esta interesante combinación de propiedades, ha motivado diversos estudios de las FIs que se forman en aleaciones Ni-In-Sn. Sin embargo, existen razones de carácter teórico y también práctico para la búsqueda de información adicional sobre este sistema y los subsistemas Ni-In y Ni-Sn. En primer lugar, la información experimental disponible no permite un estudio comparativo de las propiedades de las FIs estables, ni establecer tendencias en el efecto de la composición y la estructura sobre los parámetros de celda, el volumen molar y otros parámetros involucrados en la ecuación de estado. En segundo lugar, también se necesita mayor información sobre el diagrama de fases y sobre aquellas propiedades termodinámicas utilizadas para describir la estabilidad relativa de las FIs. La estabilidad de fases en aleaciones ternarias y de orden superior suele abordarse mediante las técnicas de modelado y extrapolación termodinámica conocidos como el método CALPHAD (Calculation of Phase Diagrams). Tales técnicas permiten calcular los límites de las regiones de estabilidad utilizando modelos fenomenológicos de la función de Gibbs (Gm) de las fases en estudio, los cuales involucran, en general, información sobre las Gm de los subsistemas binarios. Usualmente las Gm binarias se establecen mediante un proceso de ?optimización? en que los parámetros ajustables del modelo se evalúan  por ajuste a los datos termodinámicos disponibles. Sin embargo, el tratamiento de las FIs binarias y ternarias que se forman, en particular, en el sistema Ni-In-Sn, utilizando el formalismo CEF (Compound-Energy Formalism) que es considerado estándar en el trabajo CALPHAD, involucra parámetros que representan las propiedades de ciertas FIs que no son estables en los subsistemas binarios. Por lo antes expuesto, una base de datos apropiada para abordar el diseño de aleaciones basadas en Ni-In-Sn debería incluir información estructural, valores de los parámetros de la ecuación de estado y de  las propiedades termodinámicas de fases no estables (sean éstas metaestables o hipotéticas) involucradas en el modelado estándar de Gm para las FIs.   El propósito general del presente trabajo es desarrollar con métodos ab initio una base de datos para los sistemas Ni-In y Ni-Sn con las características planteadas y utilizar los resultados para establecer tendencias en las propiedades clave de las FIs. A tal fin, se realizaron cálculos basados en la teoría de la funcional densidad (DFT) para determinar los valores a 0 K del volumen molar, módulo de compresión y su derivada con respecto a  la presión, la densidad de estados electrónicos, momentos magnéticos y la energía de formación a partir de los elementos de diversos compuestos Ni-In y Ni-Sn. Los cálculos se efectuaron con el código VASP, utilizando potenciales de ondas planas proyectadas aumentadas y las aproximaciones de gradiente generalizado (GGA) y de densidad local (LDA) para las funciones de correlación e intercambio. Además de tratar las FIs estables en ambos sistemas binarios, se estudiaron teóricamente las propiedades de diversos compuestos involucradas en el modelado CALPHAD de los intermetálicos estequiométricos y no-estequiométricos que aparecen en los sistemas binarios mencionados. Específicamente, se calculó la energía de formación de los compuestos estables o hipotéticos involucrados en el modelado CEF más reciente del sistema Ni-In [P.Waldner and H.Ipser, Z. Metallkd. 93 (2002) 825-832] y del sistema Ni-Sn. El presente estudio incluye una comparación crítica de tales resultados con los valores determinados mediante análisis termodinámico del  diagrama de fases y los datos termoquímicos. Sobre esta base se discute el posible uso de métodos ab initio para producir información de directa aplicación en las ?optimizaciones? CALPHAD.