ESTUDIO Y DEFINICIÓN DE ISOTERMAS ENTRE 240 °C Y 270 °C PARA EL DIAGRAMA TERNARIO Sn-Cu-Ni EN LA ZONA RICA EN Sn

Abstract

El rápido incremento de equipos y productos electrónicos desechados que acompaña a la alta tecnología está influyendo significativamente el medio ambiente. A medida que estos materiales se disponen en vertederos, es posible un aumento de Pb en las aguas subterráneas debido a la lixiviación de las soldaduras. Esta contaminación con Pb ha sido el estímulo de la comunidad internacional para emitir una directiva prohibiendo el uso de soldaduras que contengan Pb en dispositivos eléctricos y la prohibición de dichos productos en el mercado. Con respecto a las investigaciones disponibles, los mayores obstáculos para predecir/controlar la microestructura y el desarrollo de la próxima generación de soldaduras libres de Pb es la falta de datos termodinámicos y cinéticos fiables que se requiere en las bases de datos de software termodinámicos disponibles. Aunque el equilibrio de fases y las propiedades termo-físicas del sistema Sn-Cu-Ni son poco conocidos, este sistema es de gran importancia para la soldadura libre de plomo porque la mayoría de las soldaduras contienen sobre 95 %p/p de Sn más adiciones de Cu y Ni como sustratos más comunes en la microelectrónica. El presente trabajo aporta nuevos datos de equilibrio de fases en la esquina rica en Sn del sistema Sn-Cu-Ni en los rangos de temperaturas de 240 °C a 270 °C.Como propuesta técnica, se desarrollaron metodologías de trabajo que comprenden el encapsulamiento de muestras en ampollas de sílice, las cuales son fundidas utilizando un horno tubular vertical por sobre la temperatura de estudio, para lograr una solubilidad completa y mantenida. Posterior a esto la muestra es llevada a la temperatura de estudio requerida y se mantiene ahí para alcanzar el equilibrio de fases y obtener una separación física entre las fases líquidas y sólidas, donde la fase solida es sedimentada en el fondo de la ampolla. Luego de esto se da paso a una preparación metalográfica y a la separación de una sección liquida de la muestra. La fase liquida fue disuelta en medio ácido y analizada por técnicas de absorción atómica. La composición de las fases solidas es obtenida por técnicas de microscopía electrónica, SEM (“Scanning Electron Microscopy”), usando un detector EDS (“Energy Dispersive Spectroscopy”).Los resultados obtenidos mediante dichas técnicas fueron satisfactorios, los que en conjunto con información experimental previa permitieron la construcción precisa del diagrama de fases ternario para el sistema Sn-Cu-Ni en los rangos de estudio.Los resultados evidencian 3 zonas de equilibrio, en donde la de mayor relevancia corresponde a la zona de triple equilibrio entre la fase líquida y las dos fases sólidas de (Ni,Cu)3Sn4 y (Cu,Ni)6Sn5 , información que actualmente era necesaria para completar las lagunas de datos existentes. Las otras dos zonas de equilibrio corresponden a las de equilibrio entre la fase (Ni,Cu)3Sn4 y líquido Sna y la de equilibrio entre la fase (Cu,Ni)6Sn5 y líquido Sna.Es posible señalar que la disminución de las discrepancias originadas por una serie de estudios gracias a la complementación con la información termodinámica generada en el presente trabajo, sugiere la necesidad de una actualización en los paquetes de datos termodinámicos del sistema ternario Sn-Cu-Ni, lo que promoverá nuevas investigaciones y el desarrollo de la nueva generación de aleaciones para soldaduras electrónicas, las que gracias a la determinación de las zonas de equilibrio ya mencionadas, consistirán de materiales heterogéneos que poseerán mayor versatilidad según las propiedades eléctricas, térmicas y físicas de las fases presentes.The rapid increase of electronic equipment and scrapped electrical products that accompany the high technology nowadays is significantly influencing the environment. As the products are disposed into landfill sites, a concern has arisen that there is a possible increase of Pb in the solders leaching into the groundwater. These contaminants have been the stimulus for the international community to issue a directive to prohibiting the use of Pb-containing solders in electronic devices and effectively banning such products on the market. With respect to the available research, the biggest barriers to predicting/controlling microstructure and developing the next-generation of Pb-free solder alloys is the lack of reliable thermodynamic and kinetic data which is required in the databases of existing thermodynamic packages. Although the phase equilibria and thermophysical properties of the Sn-Cu-Ni system are poorly understood, this system is of great importance to Pb-free soldering because most solders contain 95 wt% Sn and Cu and Ni are the most common substrates in microelectronics. The present work contributes by filling the phase equilibria data gaps in the Sn-rich corner of the Sn-Cu-Ni system at the temperatures ranges of 240 °C to 270 °C.As a technical proposal, implemented laboratory methodologies aiming to obtain a complete and maintained solubility were developed. These methodologies included the encapsulation of samples in silica ampoules and melting of metals in a vertical tubular furnace over the study temperature. Subsequently, the sample is brought to the required study temperature and held there to achieve phase equilibrium and obtain a physical separation between the liquid and solid phases, where the solid phase is settled at the bottom of the ampoule. After this, a metallographic preparation is given and a liquid section is removed from the sample. The liquid phase is dissolved in acid medium and analyzed by atomic absorption techniques. The composition of the solid phases is obtained by SEM techniques (Scanning Electron Microscopy), using an EDS detector (Energy Dispersive Spectroscopy).The results obtained with these techniques were satisfactory, which together with previous experimental information allowed the precise construction of the ternary phase diagram for the Sn-Cu-Ni system in the study ranges.The results show three equilibrium zones, where the most relevant correspond to the triple equilibrium zone between the liquid phase and the two solid phases of (Ni,Cu)3Sn4 and (Cu,Ni)6Sn5, information that was currently required to fill in existing data gaps. The other two equilibrium zones correspond to the equilibrium between the phase (Ni,Cu)3Sn4 and liquid Sna and the equilibrium between the phase (Cu,Ni)6Sn5 and liquid Sna.It is possible to point out that the reduction of the discrepancies caused by a series of studies due to the complementation with the thermodynamic information generated in the present work suggests the need for an update in the thermodynamic data packets of the Sn-Cu-Ni ternary system, which will promote new research and the development of the new generation of alloys for electronic welding, which, thanks to the determination of the areas of equilibrium already mentioned, will consist of heterogeneous materials that will have greater versatility according to the electrical, thermal and physical properties of the phases present.