一种金属多孔结构的建模方法和性能预测方法技术

本发明专利技术涉及一种金属多孔结构的建模方法和性能预测方法，建模方法包括：获取用户指定的金属多孔结构的三维模型参数，其中，所述用户指定的金属多孔结构的三维模型参数包括金属多孔结构的三维模型的孔隙率、单个孔洞的尺寸范围、不同尺寸孔洞在三维模型上的分布情况；设置金属多孔结构的三维模型的体积，并根据所述用户指定的金属多孔结构的三维模型参数设置金属多孔结构的三维模型的孔洞类型和孔洞数量，完成对金属多孔结构的建模，并对构建好的模型进行性能预测。本发明专利技术构建的三维建模能够对金属烧结连接接头的物理性能进行有效评估。效评估。效评估。

【技术实现步骤摘要】
一种金属多孔结构的建模方法和性能预测方法


[0001]本专利技术涉及多孔结构建模分析
，尤其是指一种金属多孔结构的建模方法和性能预测方法。

技术介绍

[0002]第三代宽禁带半导体(如SiC和GaN)电子器件具有高频率、高功率密度和高结温的特征，其满负荷运行温度预计超过200度。这个温度远远超过传统Si基封装技术所能承受的最高温度(150度)因此急需开发出满足第三代宽禁带半导体稳定运行的新型耐热封装技术。
[0003]金属烧结连接技术是软钎焊后的新一代互连技术，可大幅提高封装的导热性、耐热性及可靠性，在先进封装中的占比不断扩大。软钎焊的热导率、强度、长期可靠性主要与材料成分有关，与工艺相关性不大，而金属烧结互连层的热导率、强度及长期可靠性具有很强工艺关联性。这是因为金属烧结连接接头具有单一组分和多孔特征，金属焊膏组分、烧结工艺、烧结设备等都会影响金属烧结连接接头空隙的含量、尺寸和分布从而影响接头的等效热导率及互连强度。精确评估金属烧结连接接头的物理性能，无论是通过物理实验、解析模型还是数值仿真，均需要大量的人力、时间以及专业背景。建立金属多孔结构(即金属烧结连接接头)及其物理性能的关系的数字化模型成为了金属烧结连接技术及产品迭代所面临的重大挑战。
[0004]目前已有的对于金属多孔结构(即金属烧结连接接头)的数值仿真是基于二维模型进行模拟的，其模型是基于金属接头横截面照片的图像处理技术构建。但是，二维仿真模型与实际物体三维结构存在巨大差距，无法精确描述三维空隙结构对金属烧结连接接头物理性能的影响，也无法应用于三维互连接头的热力学仿真与评价。

技术实现思路

[0005]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中关于金属烧结连接接头的二维仿真模型无法精确描述实际物体的物理性能的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种金属多孔结构的建模方法，包括：
[0007]步骤S1：获取用户指定的金属多孔结构的三维模型参数，其中，所述用户指定的金属多孔结构的三维模型参数包括金属多孔结构的三维模型的孔隙率、单个孔洞的尺寸范围、不同尺寸孔洞在三维模型上的分布情况；
[0008]步骤S2：设置金属多孔结构的三维模型的体积，并根据所述用户指定的金属多孔结构的三维模型参数设置金属多孔结构的三维模型的孔洞类型和孔洞数量，完成对金属多孔结构的建模。
[0009]在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S2中的孔洞类型为基于规则立体图的三维结构元素，所述三维结构元素包括三维球面结构元素和三维立方体结构元素。
[0010]在本专利技术的一个实施例中，所述三维结构元素为三维球面结构元素时，还包括：进
一步确定所述三维球面结构元素的半径尺寸r，所述半径尺寸r大小满足：
[0011]αR1≤r≤R2[0012]其中，α为常数，R1和R2分别为单个孔洞的最小尺寸和最大尺寸。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S2中根据所述用户指定的金属多孔结构的三维模型参数设置金属多孔结构的三维模型的孔洞类型和孔洞数量，完成对金属多孔结构的建模，方法包括：
[0014]根据所述用户指定的金属多孔结构的三维模型参数设置金属多孔结构的三维模型的孔洞类型和孔洞数量N；
[0015]通过梅森旋转算法在所述金属多孔结构的三维模型上随机生成N个坐标，并将所述N个坐标作为N个孔洞的中心；
[0016]结合所述金属多孔结构的三维模型和单个孔洞的尺寸范围，通过闭运算对N个孔洞进行处理，生成金属多孔结构的三维模型的不规则孔洞并进行处理，完成对金属多孔结构的建模。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，所述通过闭运算对N个孔洞进行处理，生成金属多孔结构的三维模型的不规则孔洞并进行处理，方法包括：
[0018]通过闭运算对N个孔洞进行处理，生成关于孔洞的连通域，其中，所述连通域为不规则孔洞；
[0019]通过分水岭算法将金属多孔结构的三维模型中所有连通域的边界划分出来；
[0020]在所述金属多孔结构的三维模型中，构建关于每个所述连通域等效后的球体，其中，所述连通域等效后的球体为金属多孔结构的三维模型的最终孔洞。
[0021]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种金属多孔结构的性能预测方法，对上述金属多孔结构的建模方法构建的金属多孔结构的三维模型进行性能预测，包括：
[0022]步骤S1：建立静力学模型对金属多孔结构的三维模型的弹性模量进行分析；
[0023]步骤S2：建立稳态热力学模型对金属多孔结构的三维模型的有效热导率进行分析。
[0024]在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S1中建立静力学模型对金属多孔结构的三维模型的弹性模量进行分析，方法包括：
[0025]在所述金属多孔结构的三维模型的两端各添加一块薄板，同时赋予薄板实际的材料属性，并在金属多孔结构的三维模型的一端薄板添加固定支撑、另一端薄板添加水平拉力，并计算金属多孔结构的三维模型的弹性模量；
[0026]所述弹性模量的公式为：
[0027][0028]其中，F为水平拉力，S为薄板材料横截面积，dL为薄板材料的水平伸长量，L为薄板材料的原长。
[0029]在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S2中建立稳态热力学模型对金属多孔结构的三维模型的有效热导率进行模拟和计算，方法包括：
[0030]在所述金属多孔结构的三维模型的两端各添加一块薄板，同时赋予薄板实际的材料属性，给金属多孔结构的三维模型的一端薄板外表面施加预设高温、另一端薄板外表面
施加室温，并计算金属多孔结构的三维模型的有效热导率；
[0031]所述有效热导率的公式为：
[0032][0033]其中，λ表示有效热导率，L表示三维模型的长度，Q表示三维模型的热通量，ΔT表示温度梯度，A表示三维模型在热量传递方向上的截面面积。
[0034]在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S2还包括：通过第一系数a
*
和第二系数b
*
来修正所述有效热导率，公式为：
[0035][0036]其中，所述第一系数a
*
用于修正孔隙率变化对有效热导率带来的影响，所述第二系数b
*
用于修正实验误差且b
*
取值范围为0.4
‑
0.6。
[0037]在本专利技术的一个实施例中，所述第一系数a
*
的公式为：
[0038]a
*
＝0.95
×
(1
‑
P2)
[0039]其中，P表示三维模型的孔隙率。
[0040]本专利技术的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0041]本专利技术能够通过简单调节控制参数来模拟所需的三维模型，进一步去探究所需的孔洞模型的有效特性，在一定程度上提高了后续分析的准确率；本专利技术能够有效特节省人力、时间及成本，并且能满足所需的准确度；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属多孔结构的建模方法，其特征在于：包括：步骤S1：获取用户指定的金属多孔结构的三维模型参数，其中，所述用户指定的金属多孔结构的三维模型参数包括金属多孔结构的三维模型的孔隙率、单个孔洞的尺寸范围、不同尺寸孔洞在三维模型上的分布情况；步骤S2：设置金属多孔结构的三维模型的体积，并根据所述用户指定的金属多孔结构的三维模型参数设置金属多孔结构的三维模型的孔洞类型和孔洞数量，完成对金属多孔结构的建模。2.根据权利要求1所述的金属多孔结构的建模方法，其特征在于：所述步骤S2中的孔洞类型为基于规则立体图的三维结构元素，所述三维结构元素包括三维球面结构元素和三维立方体结构元素。3.根据权利要求2所述的金属多孔结构的建模方法，其特征在于：所述三维结构元素为三维球面结构元素时，还包括：进一步确定所述三维球面结构元素的半径尺寸r，所述半径尺寸r大小满足：αR1≤r≤R2其中，α为常数，R1和R2分别为单个孔洞的最小尺寸和最大尺寸。4.根据权利要求1所述的金属多孔结构的建模方法，其特征在于：所述步骤S2中根据所述用户指定的金属多孔结构的三维模型参数设置金属多孔结构的三维模型的孔洞类型和孔洞数量，完成对金属多孔结构的建模，方法包括：根据所述用户指定的金属多孔结构的三维模型参数设置金属多孔结构的三维模型的孔洞类型和孔洞数量N；通过梅森旋转算法在所述金属多孔结构的三维模型上随机生成N个坐标，并将所述N个坐标作为N个孔洞的中心；结合所述金属多孔结构的三维模型和单个孔洞的尺寸范围，通过闭运算对N个孔洞进行处理，生成金属多孔结构的三维模型的不规则孔洞并进行处理，完成对金属多孔结构的建模。5.根据权利要求4所述的金属多孔结构的建模方法，其特征在于：所述通过闭运算对N个孔洞进行处理，生成金属多孔结构的三维模型的不规则孔洞并进行处理，方法包括：通过闭运算对N个孔洞进行处理，生成关于孔洞的连通域，其中，所述连通域为不规则孔洞；通过分水岭算法将金属多孔结构的三维模型中所有连通域的边界划分出来；在所述金属多孔结构的三维模型中，构建关于每个所述连通域等效后的球体，其中，所述连通域等效后的球体为金属多孔结构的三维模型的最终孔洞。6.一种金属多孔结构的性能预测方法，其特征在于：对如权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：李万里，罗子涵，朱志宏，缪钧唯，张婕，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：