Estudio ab initio de propiedades cohesivas, 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

Villa Carlos Paz, Córdoba

Congreso; 97ª Reunión Nacional de Física de la Asociación Física Argentina; 2012

Asociación Física Argentina

Los actuales requerimientos ambientales de soldaduras libres de Pb han motivado la búsqueda sistemática de reemplazos de las tradicionales aleaciones Pb-Sn. En particular, la aleación eutéctica In-48 at%Sn es considerada 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 pues determinan las propiedades finales de la unión. Aunque el Cu es el material de contacto más común en dispositivos electrónicos, el Ni también se usa como sustrato, ya que comparado con el Cu presenta una cinética de reacción más lenta con la aleación de soldadura. Si bien se han desarrollado diversos estudios de las FIs que se forman en aleaciones Ni-In-Sn, existen razones de carácter teórico y práctico para la búsqueda de información adicional sobre este sistema. 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 termodinámico conocidas 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) [M. Hillert, J.Alloys Compd. 320 (2001) 161], involucra parámetros que representan las propiedades de ciertas FIs que no son estables en los subsistemas binarios. Por ello, una base de datos apropiada para abordar el diseño de aleaciones basadas en Ni-In-Sn debería incluir información estructural y de las propiedades termodinámicas de fases 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 para determinar los valores a 0 K del volumen molar, módulo de compresión y su derivada con respecto a la presión, densidad de estados electrónicos, momentos magnéticos y energía de formación a partir de los elementos de diversas compuestos de 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 y de densidad local 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. 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 et al., Z. Metallkd. 93 (2002) 825] y del sistema Ni-Sn [H.S.Liu et al., CALPHAD 28 (2004) 363]. Este estudio incluye una comparación crítica de tales resultados con los valores determinados mediante análisis termodinámico del diagrama de fases y los datos termoquímicos. Se discute el posible uso de métodos ab initio para producir información de directa aplicación en las "optimizaciones" CALPHAD.