CN113579546B - 一种增强相的临界上浮时间的预测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增强相的临界上浮时间的预测方法及相应的系统。该方法根据增强相颗粒的初始粒径、增强相颗粒的密度、复合钎料的增强相的质量分数和复合钎料的密度，利用颗粒浓度处理模型得到增强相颗粒的初始浓度；根据增强相颗粒的初始浓度和复合钎料的粘度系数，利用半衰期处理模型得到增强相颗粒的半衰期；根据增强相颗粒的半衰期和增强相颗粒的初始粒径，利用团聚动力学模型得到增强相团聚颗粒的粒径；根据增强相团聚颗粒的粒径、复合钎料的粘度系数、复合钎料的密度和增强相颗粒的密度，利用上浮时间处理模型得到增强相的临界上浮时间。本发明以准确预测增强相颗粒的临界上浮时间，为抑制强化相的团聚与上浮提供理论支撑，为增强复合钎料的推广应用奠定基础。

Description

一种增强相的临界上浮时间的预测方法及系统

技术领域

本发明涉及钎焊领域，特别是涉及一种增强相的临界上浮时间的预测方法及系统。

背景技术

随着电子器件向微型化和高密度化方向发展，对重要连接部件钎料焊点的可靠性要求也越来越高。在普通钎料合金中添加强化相是提高焊点可靠性的有效路径，但添加的强化相往往存在质量轻、与钎料合金之间的的润湿性差等问题。钎料合金在焊接或液态加工过程中因受表面张力及浮力的作用被排挤出，大大削弱了复合钎料的强化效果，甚至由于颗粒团聚恶化钎料性能。

现有的研究往往通过减少增强相的添加量或者对增强相进行表面改性来抑制其团聚及上浮，但这些方法因缺乏对增强相团聚与上浮行为的理论认识，无法从热力学及动力学角度提出根本的解决途径而收效甚微。

发明内容

本发明的目的是提供一种增强相的临界上浮时间的预测方法及系统，可以准确预测增强相的临界上浮时间。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种增强相的临界上浮时间的预测方法，其特征在于，所述预测方法包括：

获取增强相颗粒的初始密度、增强相颗粒的初始粒径、复合钎料的增强相的质量分数、复合钎料的密度、复合钎料的粘度系数和增强相颗粒的密度；

根据所述增强相颗粒的初始粒径、所述增强相颗粒的密度、复合钎料的增强相的质量分数和所述复合钎料的密度，利用颗粒浓度处理模型得到增强相颗粒的初始浓度；

根据所述增强相颗粒的初始浓度和所述复合钎料的粘度系数，利用半衰期处理模型得到增强相颗粒的半衰期；

根据所述增强相颗粒的半衰期和所述增强相颗粒的初始粒径，利用团聚动力学模型得到增强相团聚颗粒的粒径；

根据所述增强相团聚颗粒的粒径、所述复合钎料的粘度系数、复合钎料的密度和所述增强相颗粒的密度，利用上浮时间处理模型得到增强相的临界上浮时间。

可选择，所述颗粒浓度处理模型为：

其中n₀为增强相颗粒的初始浓度，ω为复合钎料的增强相的质量分数，δ为复合钎料的密度，ρ为增强相颗粒的密度，d₀为增强相颗粒的初始密度。

可选择，所述半衰期处理模型为：

其中，τ为增强相颗粒的半衰期，μ为复合钎料的粘度系数，k为玻尔兹曼常数，T为液态加工温度。

可选择，所述团聚动力学模型为：d＝d₀×[1+(t/τ)]¹³，其中，d为增强相团聚颗粒的粒径，t为时间。

可选择，所述上浮时间处理模型为：

其中，t_c为临界上浮时间，R为摩尔气体常数，g为重力加速度，N_A为阿伏伽德罗常数。

一种增强相的临界上浮时间的预测系统，所述预测系统包括：

获取单元，用于获取增强相颗粒的初始密度、增强相颗粒的初始粒径、复合钎料的增强相的质量分数、复合钎料的密度、复合钎料的粘度系数和增强相颗粒的密度；

初始浓度处理单元，用于根据所述增强相颗粒的初始粒径、所述增强相颗粒的密度、复合钎料的增强相的质量分数和所述复合钎料的密度，利用颗粒浓度处理模型得到增强相颗粒的初始浓度；

半衰期处理单元，用于根据所述增强相颗粒的初始浓度和所述复合钎料的粘度系数，利用半衰期处理模型得到增强相颗粒的半衰期；

粒径处理单元，用于根据所述增强相颗粒的半衰期和所述增强相颗粒的初始粒径，利用团聚动力学模型得到增强相团聚颗粒的粒径；

临界上浮时间处理单元，用于根据所述增强相团聚颗粒的粒径、所述复合钎料的粘度系数、复合钎料的密度和所述增强相颗粒的密度，利用上浮时间处理模型得到增强相的临界上浮时间。

可选择，所述颗粒浓度处理模型为：

其中n₀为增强相颗粒的初始浓度，ω为复合钎料的增强相的质量分数，δ为复合钎料的密度，ρ为增强相颗粒的密度，d₀为增强相颗粒的初始密度。

可选择，所述半衰期处理模型为：

其中，τ为增强相颗粒的半衰期，μ为复合钎料的粘度系数，k为玻尔兹曼常数，T为液态加工温度。

可选择，所述团聚动力学模型为：d＝d₀×[1+(t/τ)]¹³，其中，d为增强相团聚颗粒的粒径，t为时间。

可选择，所述上浮时间处理模型为：

其中，t_c为临界上浮时间，R为摩尔气体常数，g为重力加速度，N_A为阿伏伽德罗常数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种复合钎料中增强相的临界上浮时间的预测方法及系统，该技术方案充分考虑增强相团聚与上浮行为对钎焊的影响，可以准确预测增强相颗粒的临界上浮时间，为抑制强化相的团聚与上浮提供理论支撑，对增强复合钎料的推广应用具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明建立的纳米颗粒在熔融钎料中上浮与布朗运动的物理模型示意图；

图2为不同初始粒径下的增强相的上浮速度与布朗速度对比曲线图；

图3为本发明提供的增强相的临界上浮时间的预测方法流程图；

图4为本发明提供的增强相的临界上浮时间的预测系统示意图；

图5为考虑石墨烯团聚的临界上浮时间动力学模型曲线图；

图6为X-ray表征石墨烯在熔融复合钎料中的团聚与上浮的示意图；

图7(a)为定量表征石墨烯上浮的X-ray验证临界上浮时间模型示意图；

图7(b)X-ray验证临界上浮时间模型中临界上浮时间验证的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本专利文档中，下文论述的附图以及用来描述本发明公开的原理的各实施例仅用于说明，而不应解释为限制本发明公开的范围。所属领域的技术人员将理解，本发明的原理可在任何适当布置的系统中实施。将详细说明示例性实施方式，在附图中示出了这些实施方式的实例。本发明说明书中使用的术语仅用来描述特定实施方式，而并不意图显示本发明的概念。

本发明的目的是提供一种增强相的临界上浮时间的预测方法及系统，以准确预测增强相颗粒的临界上浮时间，为抑制强化相的团聚与上浮提供理论支撑，为增强复合钎料的推广应用奠定基础。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明首先建立了如图1所示的纳米颗粒在熔融钎料中上浮与布朗运动的物理模型示意图，将熔融的纳米颗粒看作胶体或悬浮体系，熔融钎料中的纳米颗粒在分子热运动的作用下，作无规则的布朗运动，发生碰撞，在范德华势的作用下发生团聚，颗粒尺寸变大；此时需要分析纳米颗粒增强相在熔融钎料中的受力情况：在竖直方向受到重力和浮力，一旦发生运动，还受到与速度方向相反的黏滞阻力，达到平衡时，会产生一个稳态的上浮速度v_f；而一旦纳米颗粒偏离平衡位置上浮，就会在局部区域产生一个浓度差，即化学势，化学势的方向指向原平衡位置，等浓度差达到一定程度，就会发生向原平衡位置的扩散，扩散的本质就是颗粒在外力作用下呈定向的布朗运动，产生一个布朗速度v_B。

上浮速度可表示为

布朗速度可表示为

其中，g为重力加速度，d₀为增强相颗粒的初始密度，δ为复合钎料的密度，ρ为增强相颗粒的密度，μ为复合钎料的粘度系数，λ为布朗运动平均位移，R为摩尔气体常数，T为液态加工温度，t为时间，N_A为阿伏伽德罗常数。

根据上浮速度和布朗速度分别与时间的关系作出图图2所示的不同初始粒径下的增强相的上浮速度与布朗速度对比曲线图，图中700nm的颗粒的上浮速度和布朗速度存在交点，451nm的颗粒的上浮速度和布朗速度存在交点，该交点即为临界上浮时间。

图3所示本发明提供的增强相的临界上浮时间的预测方法具体包括：

S101：获取增强相颗粒的初始密度、增强相颗粒的初始粒径、复合钎料的增强相的质量分数、复合钎料的密度、复合钎料的粘度系数和增强相颗粒的密度。

S102：根据增强相颗粒的初始粒径、增强相颗粒的密度、复合钎料的增强相的质量分数和复合钎料的密度，利用颗粒浓度处理模型得到增强相颗粒的初始浓度。

S103：根据增强相颗粒的初始浓度和复合钎料的粘度系数，利用半衰期处理模型得到增强相颗粒的半衰期。

S104：根据增强相颗粒的半衰期和增强相颗粒的初始粒径，利用团聚动力学模型得到增强相团聚颗粒的粒径。

S105：根据增强相团聚颗粒的粒径、复合钎料的粘度系数、复合钎料的密度和增强相颗粒的密度，利用上浮时间处理模型得到增强相的临界上浮时间。

通过上述步骤可以看出，本发明考虑了上浮过程中增强相的团聚对上浮行为的影响，为抑制强化相的团聚与上浮提供理论支撑，为增强复合钎料的推广应用奠定基础

具体的，颗粒浓度处理模型为：

其中n₀为增强相颗粒的初始浓度，ω为复合钎料的增强相的质量分数，δ为复合钎料的密度，ρ为增强相颗粒的密度，d₀为增强相颗粒的初始密度。半衰期处理模型为：

其中，τ为增强相颗粒的半衰期，μ为复合钎料的粘度系数，k为玻尔兹曼常数，T为液态加工温度。团聚动力学模型为：d＝d₀×[1+(t/τ)]¹³，其中，d为增强相团聚颗粒的粒径，t为时间。上浮时间处理模型为：

其中，t_c为临界上浮时间，R为摩尔气体常数，g为重力加速度，N_A为阿伏伽德罗常数。

通过上述多个模型进行处理可以得到考虑增强相团聚的上浮动力学模型为：

利用该模型，可以快速准确地预测临界上浮时间。

本发明还提供的一种增强相的临界上浮时间的预测方法相应的预测系统，如图4所示，预测系统包括：获取单元201、初始浓度处理单元202、半衰期处理单元203、粒径处理单元204和临界上浮时间处理单元。

获取单元201用于获取增强相颗粒的初始密度、增强相颗粒的初始粒径、复合钎料的增强相的质量分数、复合钎料的密度、复合钎料的粘度系数和增强相颗粒的密度；

初始浓度处理单元202用于根据增强相颗粒的初始粒径、增强相颗粒的密度、复合钎料的增强相的质量分数和复合钎料的密度，利用颗粒浓度处理模型得到增强相颗粒的初始浓度；

半衰期处理单元203用于根据增强相颗粒的初始浓度和复合钎料的粘度系数，利用半衰期处理模型得到增强相颗粒的半衰期；

粒径处理单元204用于根据增强相颗粒的半衰期和增强相颗粒的初始粒径，利用团聚动力学模型得到增强相团聚颗粒的粒径；

临界上浮时间处理单元205用于根据增强相团聚颗粒的粒径、复合钎料的粘度系数、复合钎料的密度和增强相颗粒的密度，利用上浮时间处理模型得到增强相的临界上浮时间。

具体的，颗粒浓度处理模型为：

其中n₀为增强相颗粒的初始浓度，ω为复合钎料的增强相的质量分数，δ为复合钎料的密度，ρ为增强相颗粒的密度，d₀为增强相颗粒的初始密度。半衰期处理模型为：

其中，τ为增强相颗粒的半衰期，μ为复合钎料的粘度系数，k为玻尔兹曼常数，T为液态加工温度。团聚动力学模型为：d＝d₀×[1+(t/τ)]¹³，其中，d为增强相团聚颗粒的粒径，t为时间。上浮时间处理模型为：

其中，t_c为临界上浮时间，R为摩尔气体常数，g为重力加速度，N_A为阿伏伽德罗常数。该系统同样最终能够得到考虑增强相团聚的上浮动力学模型为：

便于预测临界上浮时间。

为了验证本技术方案的可实施性，本发明以初始粒径为为163-451nm的石墨烯为增强相，预测在质量分数ω为0.05％的石墨烯(GNSs)强化锡银铜(SAC)基复合钎料(GNSs/SAC)中的临界上浮时间。

利用本发明的考虑增强相团聚的上浮动力学模型模型处理表1中的相关参数，得到图5示出了考虑石墨烯团聚的临界上浮时间动力学模型曲线图。

表1临界上浮时间动力学模型所需参数

将GNSs/SAC合金钎料通过线切割、研磨至15*7*0.18mm³薄片，并将其在190至250℃加热，加热速率为3℃/min，其间进行原位的X-ray二维成像试验，以定量分析石墨烯的上浮行为，验证临界上浮时间模型。

图6示出了X-ray表征石墨烯在熔融复合钎料中的团聚与上浮的示意图，从图中可看到基底为黑色衬度，石墨烯的密度小，呈亮白色衬度。其中随着温度的升高，均匀的黑色基体中开始出现浅色的突起与褶皱，这被认为是完全熔融的标识，如图中白色虚线所示，而随时间的延长有一条亮白色的线从底部逐渐升高，此即为石墨烯的上浮线，对二维图像进行处理，就可以得到图7(a)的定量表征石墨烯上浮位移-时间曲线，从图中可看到熔化与上浮之间有一个明显的时间差，大概为8-12s左右，对比图7(b)中0.05ωt.％GNSs/SAC的临界上浮时间可看到正好落入本申请的临界上浮时间动力学模型中计算的5.5-17s的时间范围内，从而验证了熔融纳米复合钎料中增强相的上浮动力学模型的正确性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种增强相的临界上浮时间的预测方法，其特征在于，所述预测方法包括：

获取增强相颗粒的初始密度、增强相颗粒的初始粒径、复合钎料的增强相的质量分数、复合钎料的密度、复合钎料的粘度系数和增强相颗粒的密度；

根据所述增强相颗粒的初始粒径、所述增强相颗粒的密度、复合钎料的增强相的质量分数和所述复合钎料的密度，利用颗粒浓度处理模型得到增强相颗粒的初始浓度；所述颗粒浓度处理模型为：

其中n₀为增强相颗粒的初始浓度，ω为复合钎料的增强相的质量分数，δ为复合钎料的密度，ρ为增强相颗粒的密度，d₀为增强相颗粒的初始密度；

根据所述增强相颗粒的初始浓度和所述复合钎料的粘度系数，利用半衰期处理模型得到增强相颗粒的半衰期；所述半衰期处理模型为：

其中，τ为增强相颗粒的半衰期，μ为复合钎料的粘度系数，k为玻尔兹曼常数，T为液态加工温度；

根据所述增强相颗粒的半衰期和所述增强相颗粒的初始粒径，利用团聚动力学模型得到增强相团聚颗粒的粒径；所述团聚动力学模型为：d＝d₀×[1+(t/τ)]^1/3，其中，d为增强相团聚颗粒的粒径，t为时间；

根据所述增强相团聚颗粒的粒径、所述复合钎料的粘度系数、复合钎料的密度和所述增强相颗粒的密度，利用上浮时间处理模型得到增强相的临界上浮时间；所述上浮时间处理模型为：

其中，t_c为临界上浮时间，R为摩尔气体常数，g为重力加速度，N_A为阿伏伽德罗常数。

2.一种增强相的临界上浮时间的预测系统，其特征在于，所述预测系统包括：

获取单元，用于获取增强相颗粒的初始密度、增强相颗粒的初始粒径、复合钎料的增强相的质量分数、复合钎料的密度、复合钎料的粘度系数和增强相颗粒的密度；

初始浓度处理单元，用于根据所述增强相颗粒的初始粒径、所述增强相颗粒的密度、复合钎料的增强相的质量分数和所述复合钎料的密度，利用颗粒浓度处理模型得到增强相颗粒的初始浓度；所述颗粒浓度处理模型为：

其中n₀为增强相颗粒的初始浓度，ω为复合钎料的增强相的质量分数，δ为复合钎料的密度，ρ为增强相颗粒的密度，d₀为增强相颗粒的初始密度；

半衰期处理单元，用于根据所述增强相颗粒的初始浓度和所述复合钎料的粘度系数，利用半衰期处理模型得到增强相颗粒的半衰期；所述半衰期处理模型为：

其中，τ为增强相颗粒的半衰期，μ为复合钎料的粘度系数，k为玻尔兹曼常数，T为液态加工温度；

粒径处理单元，用于根据所述增强相颗粒的半衰期和所述增强相颗粒的初始粒径，利用团聚动力学模型得到增强相团聚颗粒的粒径；所述团聚动力学模型为：d＝d₀×[1+(t/τ)]^1/3，其中，d为增强相团聚颗粒的粒径，t为时间；

临界上浮时间处理单元，用于根据所述增强相团聚颗粒的粒径、所述复合钎料的粘度系数、复合钎料的密度和所述增强相颗粒的密度，利用上浮时间处理模型得到增强相的临界上浮时间；所述上浮时间处理模型为：

其中，t_c为临界上浮时间，R为摩尔气体常数，g为重力加速度，N_A为阿伏伽德罗常数。

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