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Modelado computacional de intermetálicos binarios de los sistemas Cu-In-Sn y Ni-In-Sn para aplicaciones en tecnologías de unión libres de Pb
Computational modeling of binary intermetallics of Ni-In-Sn and Cu-In-Sn systems for lead free soldering technologies
Los requerimientos medioambientales para el desarrollo de soldaduras libres de Pb han motivado la búsqueda de reemplazos de las tradicionales aleaciones de Pb-Sn. En particular, las aleaciones de In-Sn son atractivas para tal fin por su baja temperatura de fusión y por hacer 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 [usualmente Cu ó Ni] y la aleación de soldadura, son importantes pues influyen sobre la respuesta final de la unión. En esta tesis se realizó una caracterización de las propiedades estructurales, cohesivas y electrónicas de FIs de los subsistemas binarios: [Cu,Ni]-In y [Cu,Ni]-Sn vinculados a los sistemas ternarios Cu-In-Sn y Ni-In-Sn, utilizando métodos de cálculo ab initio. Se desarrolló una base de datos termofísicos que aporta nueva información y permite establecer tendencias en las propiedades estudiadas y en la estabilidad de las diferentes FIs estables y metaestables de los mencionados binarios. Se caracterizaron también compuestos hipotéticos involucrados en modelados termodinámicos de los diagramas de fases reportados para el sistema ternario Cu-In-Sn y los sistemas binarios Ni-In y Ni-Sn. Específicamente se determinaron los valores a 0 K de propiedades tales como volumen molar, módulo de compresión y su derivada con respecto a la presión, densidad de estados electrónicos, momentos magnéticos y energías de formación de diversos compuestos estables de [Cu,Ni]-In y [Cu,Ni]-Sn. Los cálculos se efectuaron en el marco de la teoría de la funcional densidad [DFT], mediante los códigos VASP y WIEN2k, utilizando el método del proyector de ondas aumentadas [PAW] y de potencial total con ondas planas aumentadas y linealizadas, [FP-LAPW], respectivamente. Se utilizaron las aproximaciones de gradiente generalizado y de densidad local para evaluar las energías de correlación e intercambio. Se realizó además un estudio sobre la difusión y propiedades de defectos en In, Sn y la fase Cu3Sn, a través del desarrollo y aplicación de potenciales de interacción empíricos y técnicas de dinámica molecular. Se diseñó un nuevo ajuste de potencial interatómico del tipo de átomo embebido modificado [MEAM] para el sistema Cu-Sn, el cual involucra información ab initio producida en esta tesis sobre propiedades de defectos puntuales en Cu3Sn. Este modelo se aplicó al estudio de las propiedades de vacancias y antisitios en equilibrio, y sus posibles mecanismos de migración, determinándose los coeficientes de difusión de Cu y Sn en Cu3Sn.
Current environmental requirements for the development of Pb-free solders have led to the systematic search for replacements of the traditional Pb-Sn alloys. The In-Sn alloys are attractive for this purpose because of its low melting temperature and because they make possible the formation of several intermetallic phases [Ifs] in the interface region. The properties of these IFs, which are formed between the contact material [usually Cu or Ni] and the solder alloy are important as they influence the join final response. In this thesis a comprehensive characterization of structural, cohesive and electronic properties of IFs of the binary subsystems: [Cu,Ni]-In and [Cu,Ni]-Sn in connection to the ternaries Cu-In-Sn and Ni-In-Sn systems, was performed using ab initio calculation methods. A database including thermophysical properties was developed, providing new theoretical information and allowing to stablish theoretical trends in the properties and the stability of the different stable and metastable stoichiometric IFs of the mentioned binary systems. Several hypothetical compounds involved in thermodynamic modeling of the phase diagrams reported in the literature for the ternary system Cu-In-Sn and the binaries Ni-In and Ni-Sn systems were also characterized. Specifically, the values at 0 K of properties such as molar volume, bulk modulus and its pressure derivative, the electronic density of states, magnetic moments and the energy of formation from the elements of several stable compounds of [Cu,Ni]-In and [Cu,Ni]-Sn, were determined. The calculations were made in the framework of the density functional theory [DFT], using the VASP code and the Projected Augmented Waves [PAW] method; and the Wien2k code based on the Full Potential Linearized Augmented Plane Wave method [FP-LAPW: Full Potential Linearized Augmented Plane Waves]. The generalized gradient and the local density approximations were used to evaluate exchange and correlation energies. The work includes a study of the diffusion properties of defects in In, Sn and Cu3Sn, through the development of an empirical interaction potential and the application of molecular dynamic techniques. Specifically, a new modified embedded atom type [MEAM] setting for the Cu-Sn system was developed, in which ab initio information produced in this work was also considered in the fitting process. This model was applied to study the equilibrium properties of vacancies and antisites, and possible migration mechanism of these defects, determining the diffusion coefficients of Cu and Sn for the compound Cu3Sn.
Tesis para optar al título de Doctor en Ciencia y Tecnología, mención materiales. Director/es: Ramos, Susana; Fernández, Julián