[发明专利]一种基于元胞自动机的BGA锡铅焊球凝固过程模拟方法

说明书

一种基于元胞自动机的BGA锡铅焊球凝固过程模拟方法，属于金属凝固过程模拟领域，为了解决目前在使用元胞自动机方法模拟金属凝固过程时未考虑在非等温、非等溶质界面情况下需要使用非平衡界面系列模型来模拟过冷合金熔体快速凝固的过程，导致模拟过程不符合BGA锡铅焊球实际凝固过程。物理性质参数的获取；将固定的二维计算区域均匀划分为正方形网格；初始化单位元胞；建立枝晶生长模型；对液相胞进行捕获；根据建立的枝晶生长模型计算被捕获的临近界面胞的固相增长率、剩余的液相溶质浓度和单位元胞的温度；在每次计算得到的单位时间步长进行累加，计算模拟过程结束；利用本发明研究等轴晶的生长过程和不同过冷度对等轴晶生长的影响。

技术领域

本发明属于金属凝固过程模拟领域，具体涉及一种BGA锡铅焊球凝固过程模拟的方法。

背景技术

数值模拟在理论和实验研究间架起了一座桥梁，极大地促进了科技进步。元胞自动机模拟作为一种通用的模拟手段日益受到广泛关注。同时，随着集成电路特征尺寸的缩小，球栅阵列封装(BGA)的重要性日益凸显。而锡铅精密焊球的综合性能对BGA微互连的可靠性至关重要。本发明基于元胞自动机模拟对用于BGA的微米级锡铅精密焊球凝固过程进行模拟。

无容器凝固(containerless solidification)过程可以避免由于容器壁导致的异质形核，因而可以实现材料的过深过冷快速凝固使其具有组织更均匀、结构更细化以及强度更高等传统铸造过程难以实现的优异性能。利用无容器快速凝固方法制备高性能的合金材料已经引起了材料研究者的极大兴趣，并被认为是开发新材料的重要手段之一。均匀液滴喷射(UDS)法制备无铅精密焊球是典型的无容器快速凝固过程。该方法制备的锡铅焊球在尺寸均一性、表明光洁性以及内部微结构等方面具有优良特性。

获得高性能的材料是材料学科研究的主要目的。在材料制备过程中，几乎所有的金属材料都经历了一次或多次的凝固过程。在凝固时形成的显微组织会直接影响金属后续的热加工和最终性能。正确理解凝固过程中显微组织的演化是控制凝固组织和铸件性能的关键。枝晶是一种最常见的金属凝固显微组织。对于具有一定凝固区间的合金材料，在凝固过程中会形成一个液/固相共存的糊状区。在大多数中低速的凝固过程中，枝晶组织在糊状区发生粗化是不可避免的。枝晶粗化会对最终的凝固组织、微观偏析和产品性能产生重要影响。例如，大量实验数据表明，二次枝晶臂间距(SDAS)与材料的力学性能直接相关。

此外，凝固也是自然界中常见并且涉及范围很广的一类相变过程，作为凝固过程中最常被观察到的一种微观组织，枝晶则代表着自然界中一种典型的非线性、自组织模式。因此，对于凝固及其组织的研究不仅具有很强的工程应用背景，而且具有重要的理论研究价值。然而，凝固过程涉及到一系列复杂的物理化学变化。从宏观上看，凝固伴随着传热、传质、流动；从微观上看，凝固则体现为形核、生长的动力学过程，而宏微观之间又有着复杂的相互影响。这使得理论研究和数学解析遇到了很大的困难。而且，由于发生凝固的液态金属往往处于较高的温度下，金属本身又不透明，并处于流动状态，这使得实验研究也缺乏直接和有效的方法。

随着计算机硬件和数值计算技术的迅速发展，当今数值模拟已成为与实验技术和理论研究并行发展的第三种科学研究方法。它对材料科学和技术的发展起到了日益重要并且不可或缺的作用。显微组织的数值模拟可以将相变热力学、动力学、界面能、晶体生长的各向异性、温度场、浓度场、流场、应力-应变场等诸多因素有效地综合起来，能够可视化地再现合金在相变过程中显微组织和溶质偏析的演化。通过模拟研究，可以帮助人们深入理解凝固过程中显微组织形成的内在机制，为材料成分设计、改进现有工艺以及发展新工艺提供科学依据。

发明内容

本发明的目的是为解决目前在使用元胞自动机方法模拟金属凝固过程时多采用Kurz-Givoanola-Trivedi(KGT)等平衡条件解析模型来计算界面的生长速度和过冷度之间的关系，并未考虑在非等温、非等溶质界面情况下需要使用非平衡界面系列模型来模拟过冷合金熔体快速凝固的过程，导致模拟过程不符合BGA锡铅焊球实际凝固过程。