[发明专利]锡基二元共晶合金微观组织的模拟及有限元求解分析方法

说明书

本发明公开了一种锡基二元共晶合金微观组织的模拟及有限元求解分析方法，涉及计算材料科学领域。该方法模拟得到的共晶组织与实验仪器采集得到的共晶组织形状极为相似，并能在主流有限元CAE软件和平台(如ANSYS，MARC，ABAQUS，MSC/PATRAN，COMSOL等)实现共晶组织的加载、求解和分析；该方法可以弥补现有锡基二元共晶合金微观组织检测技术的不足，实现其微观组织物理和力学行为的表征。此方法将蒙特卡罗法与有限元方法结合，提高了共晶组织建模效率，实现共晶组织的加载求解和分析，为共晶组织特征分析和可靠性分析提供了一种新方法，很好的解决了共晶结构微观组织建模和性能表征的难题。

技术领域

本发明涉及计算材料科学领域，且特别涉及一种锡基二元共晶合 金微观组织的模拟及有限元求解分析方法。

背景技术

锡基二元共晶合金钎料被广泛应用于电子元器件和设备的微互 连焊点中。随着电子工业中高密度封装技术的不断发展，电子器件和 系统小型化的趋势越来越明显，导致焊点尺寸的持续减小，焊点钎料 基体呈现出明显的微观组织(二元共晶组织，两种固相机械的混合物) 不均匀性。国内外研究人员普遍认为，焊点是电子产品和设备中最为 薄弱的部分。研究发现二元共晶组织不均匀性会对焊点电迁移、热迁 移及力学可靠性等造成明显影响。然而，由于试验测试方法和仪器检 测精度的限制，微小区域电流密度、温度梯度及应力应变等的大小和 分布的测量和表征极其困难甚至无法实现，因此关于二元共晶组织微区电流密度、温度梯度或应力应变等的大小和分布的研究和报道十分 匮乏。

由于试验手段的局限性，有限元方法被用于微区电流密度、温度 梯度或应力应变等的大小和分布的评估。传统有限元建模方法是基于 点、线、面实体建模，用户利用软件界面操作或命令通过确定点、线、 面和体的坐标关系建立几何模型，然后通过划分网格得到有限元模 型。或者是在AUTOCAD、UG、SOLIDWORKS和PRO/E等计算机 辅助设计平台上建立好几何模型，然后导入有限元CAE软件，最后 划分网格得到有限元模型。但是，二元共晶组织形状和结构极其复杂， 传统有限元建模方法要花费大量时间和精力，甚至无法实现建模。因 此，先前绝大多数研究将焊点二元共晶组织匀质化处理，即不考虑两 种共晶相(共晶组织中的相)物理和力学性能的差异。已有报道指出， 相场法、元胞自动机法、蒙特卡罗法可以实现复杂形状和结构二元共 晶组织的数值建模。然而，这些方法并不能实现对其复杂物理和力学 载荷下的求解分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锡基二元共晶合金微观组织的模拟 及有限元求解分析方法，此方法将蒙特卡罗法与有限元方法结合，提 高了共晶组织建模效率，实现共晶组织的加载求解和分析，为共晶组 织特征分析和可靠性分析提供了一种新方法，很好的解决了共晶结构 微观组织建模和性能表征的难题。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种锡基二元共晶合金微观组织的模拟及有限元求 解分析方法，其包括：

S1：按照物相比例随机生成初始模型，认为系统的能量由界面能 决定，且在进行能量计算采用的是不超过局部5×5范围界面能；

S2：通过晶界迁移和长程扩散降低体系能量，通过位点及其随机 选择的相邻位点取向值符号判断发生晶界迁移还是长程扩散。

发生晶界迁移时的概率为：发生长程扩散的概 率为：其中η为区间[0,1]之间的一个预设值或随机 值；S3：消除噪点；使主相噪点和第二相噪点相互抵消，没有抵消掉 的噪点，继续发生长程扩散，且要求长程扩散不产生新的噪点；

S4：根据简单有限元模型的单元编号及排列方式，规定像素编号 和排列方式；

S5：生成有限元CAE软件可以识别的脚本文件，且脚本文件中 含有每个像素的编号以及所对应的物相信息；