Estabilidad de fases en aleaciones de Cu-In-Sn con alto y bajo contenido

S. TUMMINELLO; N. DEL NEGRO; P. R. ALONSO; S. SOMMADOSSI

Copiapó

Congreso; CONAMET-SAM-2017. 17° Congreso Internacional de Metalurgia y Materiales.; 2017

Departamento de Ingeniería en Metalurgia, Facultad de Ingeniería , Universidad de Atacama

El sistema Cu-In-Sn es una alternativa viable para reemplazar las tradicionales aleaciones de Pb-Sn por materiales ambientalmente compatibles [1]. Las características de este ternario permiten generar uniones aptas para aplicaciones a bajas y altas temperaturas [2], entre ellas un eutéctico ternario a 111°C con ~1,2 % at. Cu atractivo para uniones a baja temperatura. El diagrama de equilibrio es fundamental para interpretar la evolución microestructural del sistema bajo distintas condiciones de procesado y servicio. Abordamos el análisis de estabilidad termodinámica de fases mediante técnicas experimentales y de cálculo de diagramas de equilibrio. La combinación eficiente de ambas técnicas permite reducir costos de experimentación y/o validar modelos termodinámicos para predecir las propiedades termodinámicas de las fases individuales como el comportamiento del sistema. Realizamos cálculos de equilibrio con el software Thermo-Calc 2016b que utiliza bases de datos termodinámicas con energías libres de elementos puros, fases binarias y la extrapolación a sistemas de orden superior, según el método CALPHAD (Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry). Los modelos termodinámicos deben predecir correctamente las propiedades de las fases individuales y el diagrama de equilibrio; pues son además, la base para cálculos de cinética y evolución microestructural. Las bases de datos comerciales son costosas y se encuentran encriptadas limitando al usuario, por lo que en este trabajo armamos una base de datos para Cu-In-Sn a partir de los parámetros de Liu et al. [3], permitiendo la mejora continua de los modelos. La evaluación más reciente de este ternario [4] marca discrepancias entre [3] y los resultados experimentales de Köster et al. [5], lo que motivó a realizar experimentos en regiones no exploradas del sistema y en puntos específicos de comparación/validación. Para el estudio experimental realizamos determinaciones calorimétricas mediante calorimetría diferencial de barrido con flujo de calor (HF-DSC) combinada con ensayos de difracción de rayos X sobre polvos con luz sincrotrón (XRPD) y calentamiento in situ. El análisis químico-microestrucutral se realizó mediante microscopia electrónica de barrido con módulo de espectroscopia de energía (EDS-SEM). Los resultados obtenidos se presentan en la Figura 1 comparados con las isopletas de: Köster et al [4,5] en (a)-(b) y calculadas con parámetros de Liu et al [3] en (c)-(d). Una de las principales diferencias entre [3] y [5], a altas temperaturas, es la extensión ternaria de la fase -Cu10Sn3, nuestros resultados confirman que esta fase binaria disuelve In y se extiende al ternario e incluso existe como fase ternaria entre ~550-400°C, mostrando acuerdo con las mediciones de Köster et al [5]. En (a) y (b) observan discrepancias respecto a la cantidad de fases identificadas, en particular en los campos asociados con  y 1 de alta temperatura. La fase ternaria 1-Cu11In2Sn mostró gran estabilidad frente a distintas condiciones de enfriamiento y en composición. Verificamos que 2-Cu2In3Sn, fase ternaria de baja temperatura, se forma por reacción cuasi-peritectica y encontramos evidencia experimental de una transición a ~80°C en la isopleta 17%at. Cu. Los resultados obtenidos sugieren modificaciones en los modelos termodinámicos. Los experimentos de XRPD tienen una sensibilidad adecuada como también demostró ser muy adecuada para este sistema la técnica de difracción de neutrones; mientras que los barridos calorimétricos requieren velocidades extremadamente bajas para determinaciones de temperaturas de transición en este sistema. Figura 1. Pseudobinarios de Cu-In-Sn y resultados de HF-DSC a 5°C/min, XRPD con calentamiento in situ y caracterización química-microestructural mediante SEM/EDS-WDS. (a) 80% at.Cu y (b) 77% at.Cu diagramas de Velikanova et al.[4,5], (c) 44% at. Cu y (d) 17 % at. Cu diagrama calculado con la base de datos termodinámica tomada de literatura Liu et al [3].Palabras claves: transformaciones de fases, CALPHAD, DSC, XRD. Área de interés: Área 2, Materiales y Manufactura, Tratamientos térmicos y trasformaciones de fases. Referencias:[1] Dinsdale, A.T., Watson, A., Kroupa, A., Vrestal, J., Zemanova, A. y Vizdal, J.(2008). COST Action531?Atlas of Phase Diagrams for Lead-Free Soldering. Brussels: COST Office. [2] Sommadossi, S. y Fernandez-Guillermet, A.(2007). Interface reaction systematics in the Cu/In-48Sn/Cu system bonded by diffusion soldering. Intermetallics, 2007, 15, 912-7.[3] Liu, X.J. et al.(2001). Experimental Determination and Thermodynamic Calculation of the Phase Equilibria in the Cu-In-Sn System. J. Electron. Mater., 30, 1093-1103.[4] Velikanova, T. et al.(2007). Cu-In-Sn. Landolt- Börnstein. IV/11C3 MSIT 249, 273-249.[5] Köster, W., Goedecke, T. y Heine, D. (1972).Der Aufbau des Systems Cu-In-Sn im Bereich von 100 bis 50%at.Cu. Zeitschrift Fur Met., 63, 802-7.