[发明专利]基于元胞自动机的BGA锡铅焊球快速凝固过程模拟方法

说明书

本发明涉及基于元胞自动机的BGA锡铅焊球快速凝固过程模拟方法。本发明充分考虑了锡铅焊球的球状边界形貌，溶质守恒条件，液滴表面的散热速率以及液滴内部固液界面处凝固潜热释放对锡铅液滴整体温度的影响。通过初始化模块、外围散热模块、生长模块、扩散模块、转变模块模块在每一时间步长内的循环，利用界面响应方程精确求解界面速度，考虑非常数的平衡分配系数和高过冷度的无容器凝固条件，给出更加精确的元胞自动机方法模拟BGA锡铅焊球快速凝固过程。

技术领域

本发明属于合金凝固过程模拟领域，具体涉及BGA锡铅焊球快速凝固过程模拟的方法。

背景技术

随着电子信息产业的快速发展和人民生活水平的提高，大家对电子产品产生了更多的需求，小型化、智能化、便捷化成为了电子产品发展的主流趋势，这对封装技术产生了更高的要求，球栅阵列封装(Ball Grid Array，以下简称BGA)技术是在微电子封装中使用最多的技术之一。BGA技术中起连接芯片与电路板之间起到桥梁作用的金属封装焊球的性能成为决定在使用BGA技术封装后的芯片性能好坏的关键，而BGA焊球的制备技术则成为决定BGA焊球性能优劣的重中之重。

均匀液滴喷射法(UDS)应用流体的瑞利不稳定性原理(Rayleigh instabilitytheory)，其现象的发生是由于液体射流不能自我维持，从喷孔流出后破碎成液滴。这种方法成为了目前BGA焊球制备的主要方式，这种制备方法可以实现无容器凝固(containerless solidification)避免了焊球凝固过程中因接触容器壁导致的异质形核，使得制备的组织具有更均匀、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。

在整个制备过程中我们基本无法看到金属小球状态变化，且焊球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，这使得即使实验研究也缺乏观察的直接和有效的方法。然而凝固时产生的组织的变化又往往会直接影响材料的性能，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。因此如何模拟组织演化，探寻小球下落形核枝晶形貌与相关物理变量的关系是我们需要解决的方向。

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。它对材料科学与技术的发展起到了日益重要并且不可或缺的作用。元胞自动机(CellularAutomaton，CA)模拟作为一种通用的模拟手段日益受到广泛关注。1993年Rappaz和Gandin率先将CA方法运用到枝晶生长的组织模拟中，近三十年来随着计算机计算能力的提升和CA模型的发展，CA模拟尺度范围大、模拟效果明显等优势越来越在枝晶模拟领域得到重视，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，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

本发明提供了基于元胞自动机的BGA锡铅焊球快速凝固过程模拟方法，适用于UDS工艺中的微米级Sn-5mass％Pb钎料合金液滴的数值模拟。引入了一种被广泛接受的界面响应函数来描述界面非平衡状态，给出界面温度、曲率半径和迁移速度之间的关系。通过求解热扩散方程和溶质扩散方程，可以直接确定温度场和成分场。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

提供基于元胞自动机的BGA锡铅焊球快速凝固过程模拟方法，该方法包括：初始化模块(1)、外围散热模块(2)、生长模块(3)、扩散模块(4)、转变模块(5)。

所述的初始化模块(1)用于初始化元胞自动机的各个元胞的初始固液相浓度、固相份数、初始温度和状态的赋值，同时画出对应的圆形计算区域。

所述的外围散热模块(2)用于每个时间步长内的小球与外围空气传热导致的散热计算。

所述的生长模块(3)用于每个时间步长内枝晶生长的计算。

所述的扩散模块(4)用于每个时间步长内的溶质场和温度场的扩散。