La tasa de crecimiento de intermetálicos depende sólidamente de la temperatura

Amigos,

En nuestra última publicación, discutí que, al contrario de la creencia popular, los compuestos intermetálicos (IMC) formados en los procesos de soldadura no son necesariamente frágiles. Revise un poco la literatura que indicaba que los modos de falla se presentan usualmente en las interfaces entre los IMC mismos, entre los IMC y el cobre o la soldadura, y con frecuencia en la misma protuberancia de soldadura. La perspectiva de que el crecimiento de los IMC pueda no afectar significativamente la confiabilidad también es apoyada por el trabajo realizado por Lee, et al. La Figura 1 del artículo de Lee muestra que el envejecimiento durante 250 horas a 150ºC, no afecta de manera significativa la vida característica durante las pruebas de ciclo térmico.

Figura 1. El envejecimiento durante hasta 250 horas a 150ºC no afectó de manera significativa la vida característica durante las pruebas de clico térmico en el artículo de Lee referenciado.

Sin embargo, sería prudente minimizar el grosor de los IMC. Así pues, esto plantea el interrogante de qué tan rápidamente crecen los IMC a cualquier temperatura dada.El trabajo realizado por Siewert, et al [i] plantea la respuesta. En este artículo, Siewert apoyó el trabajo anterior que plantea que el grosor de los IMC crece según la ecuación X=(kt)^0.5 y agregó datos nuevos para apoyar el modelado mediante el uso de dicha ecuación. En esta ecuación, X representa la distancia de crecimiento de los IMC, k es una constante que depende de la temperatura y t representa el tiempo. Se podría esperar que X dependa fuertemente de la temperatura (T) y así lo es. Al usar los datos del artículo de Siewert, pude generar valores de k como una función de T y graficarlos en una gráfica de Arrhenius. Consulte la figura 2.

Figura 2. Gráfica de Arrhenius para k.

A continuación, utilicé la Figura 2 para obtener un valor de k a 70ºC y grafiqué el crecimiento de IMC X en micras como una función del tiempo en horas. El resultado se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Crecimiento de IMC como función del tiempo a 70º C.

Tenga en cuenta que se requieren aproximadamente 40 años para obtener un poco más de 10 micras de crecimiento. La Figura 4 muestra los resultados para el crecimiento de IMC a 200ºC. En este caso, solo se necesitaron 100 horas para obtener aproximadamente 10 micras de crecimiento. Así pues, pasar de 70 a 200ºC produce un factor de aceleración de más de 30.000 en la tasa efectiva de crecimiento de IMC a 10 micras.

Figura 4. Crecimiento de IMC como función del tiempo a 200ºC.

Estos son cálculos teóricos a partir de los datos recolectados a distintas temperaturas. Veamos si las fórmulas funcionan en la vida real. En otro artículo [ii] escrito por Ma, et al, su equipo envejeció ciertas uniones de soldadura a 125ºC durante 120 horas. Las ecuaciones utilizadas podrían predecir un crecimiento de IMC de 2,2 micras bajo tales condiciones. En la Figura 5, podemos observar aproximadamente 2 micras de crecimiento consistente con el cálculo estimado.

Figura 5. Imágenes del artículo de Ma sobre crecimiento de los IMC a 125ºC durante 120 horas.

Así que, aunque los IMC no son tan frágiles, es aconsejable limitar su crecimiento. Por lo tanto, es aconsejable limitar la exposición a un envejecimiento a temperaturas muy altas, pero ciertamente también es aconsejable minimizar las reparaciones en la soldadura, puesto que la soldadura fundida promueve un crecimiento de IMC muy rápido.

Saludos,

Dr. Ron