羅春雷 王建兵 葉錦華

摘 要： 特種三層線路板元器件（以下簡(jiǎn)稱“PCB線路板”）具有較高的重用價(jià)值，而元器件的重用是基于合理的線路板拆解工藝的。目前相關(guān)研究多關(guān)注拆解力的分析和計(jì)算，然而由于拆解時(shí)元器件與線路板間存在熔融狀態(tài)的焊料，即便提供足夠大的拆解力也難以保證元器件被拆解。本文提出以拆解能圖來(lái)比較元器件實(shí)際獲得的拆解能與所需的最小拆解能，為拆解工藝參數(shù)的確定提供依據(jù)。最后在試驗(yàn)中驗(yàn)證拆解能模型的正確性。

關(guān)鍵詞： 特種三層線路板；拆解準(zhǔn)則；振動(dòng)拆解

0 引言

印刷線路板報(bào)廢后，作為一個(gè)整體喪失了應(yīng)有的功能，但上面的元器件卻仍然具有重用性，而線路板拆解是元器件重用的關(guān)鍵技術(shù)。目前拆解主要是手工拆解，拆解設(shè)備開(kāi)發(fā)還處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離工業(yè)應(yīng)用還有一定的距離，因此相關(guān)的拆解工藝及拆解設(shè)備仍然值得研究。拆解PCB 上的元器件一般需要施加拆解力，這方面國(guó)內(nèi)外的學(xué)者做了一系列的研究。日本YOKOYAMA 等采用試驗(yàn)手段，測(cè)試了不同溫度下拆解水平和豎直放置的線路板上元器件所需的拆解力大小，并計(jì)算垂直于PCB 方向單位面積上的拆解能，但他們并未建立拆解力或拆解能的理論模型。

由此可見(jiàn)，在線路板的拆解力及拆解方式都存在大量研究，但是在實(shí)際拆解時(shí)元器件與線路板間存在熔融狀態(tài)的焊料，即便提供足夠大的拆解力也難以保證元器件被拆解，這是因?yàn)楝F(xiàn)有的研究主要是將線路板及元器件作為整體來(lái)開(kāi)展研究的，并未對(duì)元器件的拆解過(guò)程進(jìn)行細(xì)致的建模、分析計(jì)算。因此，本文在課題組已經(jīng)建立的拆解力模型前提下，分析線路板在振動(dòng)拆解條件下THD 和SMD 能否被拆解，提出以拆解能和拆解能圖作為線路板振動(dòng)拆解的依據(jù)，指導(dǎo)面向元器件重用的線路板振動(dòng)拆解設(shè)計(jì)。

1 拆解能模型

元器件的拆解，不僅需要足夠大的拆解力，而且必須在此拆解力的作用下產(chǎn)生足夠的位移，才能被拆解，因而衡量元器件能否拆解的準(zhǔn)則應(yīng)采用拆解能準(zhǔn)則。拆解能是指在焊料熔化的條件下，作用在元器件上的外力使元器件引腳相對(duì)基板焊盤產(chǎn)生位移所做的功，下面分別討論拆解力及分離位移。

1.1 拆解力

為了便于和拆解實(shí)際工況聯(lián)系分析，將拆解力轉(zhuǎn)化為拆解加速度，通過(guò)分析，可以得到部分直引腳THD 的最小拆解加速度在0～45 m/s2 范圍內(nèi)。而對(duì)于引腳彎曲的THD 則所需拆解力迅速增大，拆解難度大，實(shí)際拆解過(guò)程中需將待拆解元器件引腳人工導(dǎo)直后再拆解。對(duì)于SMD，若采用垂直方向拆解，所需的最小加速度范圍分布廣。對(duì)于BGA、QFP、SOP、PLCC等封裝的元器件，最小加速度一般在20～200 m/s2之間，對(duì)于體積微小的片狀元件和帶安裝面的SMD，最小加速度一般在140～530 m/s2 之間，如圖2 所示。對(duì)于最小加速度小的SMD 可采用垂直拆解，而最小加速度大的SMD 則需要采取其他方式如掃刮等方式拆解。

1.2 分離位移

在分析元器件的分離位移時(shí)，由于實(shí)際工況十分復(fù)雜，為了便于分析，做出如下假設(shè)：忽略焊料熔化后的物理化學(xué)變化，認(rèn)為焊料的表面張力系數(shù)和焊料與引腳表面、焊盤表面的接觸角在整個(gè)拆解過(guò)程中不變。

元器件拆解時(shí)的分離位移與水平拆解和垂直拆解兩種拆解方式有關(guān)。水平拆解主要針對(duì)SMD，其分離位移就是元器件引腳的幾何尺寸；對(duì)于垂直拆解，THD 的分離位移為引腳頂端到線路板安裝面的引腳長(zhǎng)度與熔融焊料在引腳頂端斷裂時(shí)的高度之和。

2 垂直拆解的振動(dòng)分析

在振動(dòng)拆解中，線路板在簡(jiǎn)諧振動(dòng)的振動(dòng)源下做強(qiáng)迫振動(dòng)，其總體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)可視為這兩部分的線性疊加，下面分別對(duì)這兩種振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析。

2.1 強(qiáng)迫振動(dòng)分析

在強(qiáng)迫振動(dòng)中，考慮阻尼條件下，強(qiáng)迫振動(dòng)與外加激振力之間存在相位差。鑒于復(fù)數(shù)表示法在相位表示上的優(yōu)勢(shì)，采用復(fù)數(shù)阻尼理論描述線路板的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)。

2.2 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律

對(duì)于線路板振動(dòng)源的施加，為了便于和整個(gè)拆解設(shè)備結(jié)合，采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。元器件安裝面朝下，將電路板裝夾在卡槽上，卡槽所在的夾持機(jī)構(gòu)上端通過(guò)鉸鏈與連桿相接，并限制其只有豎直方向的運(yùn)動(dòng)。曲柄繞回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電路板獲得豎直方向的運(yùn)動(dòng)。

2.3 簡(jiǎn)諧振動(dòng)下線路板的運(yùn)動(dòng)方程

線路板上各點(diǎn)的響應(yīng)就是強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的線性疊加。對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)與強(qiáng)迫響應(yīng)中假設(shè)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)一致，并且曲柄長(zhǎng)度m 就是振幅A，因此可得簡(jiǎn)諧振動(dòng)下線路板上各點(diǎn)的位移響應(yīng)為

z（x， y，t） = m 1+ β 2 + 2β cosΦ · exp（i（ωt-ψ ））

3 元器件拆解分離過(guò)程分析

求得線路板在簡(jiǎn)諧振動(dòng)的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)的條件下，就可以對(duì)元器件在拆解過(guò)程中的具體拆解力、分離位移及拆解能進(jìn)行分析。對(duì)于曲柄回轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定后，選擇線路板基板為參考系，豎直向下為Z 軸正向。設(shè)在t = t0時(shí)刻，元器件和基板的位移為 0，且在t = t0時(shí)刻后的 1/4 周期內(nèi)不斷正向增大，分析一個(gè)周期內(nèi)元器件相對(duì)基板的位移與加速度變化。

3.1 前1/2 個(gè)振動(dòng)周期

在前半周期開(kāi)始階段，隨著基板沿z 軸正向位移的不斷增大，基板和元器件受到沿Z 軸負(fù)向的加速度也越來(lái)越大。以基板作為參考系，元器件受到方向向下的慣性力Fi 作用，同時(shí)還受到熔融焊料的潤(rùn)濕力Fs 和重力 G 的作用，

隨著Fi的增大，F(xiàn)s也不斷增大，以保證元器件受力平衡。當(dāng)Fi增大到使Fs達(dá)到其最大值Fsmax后，慣性力進(jìn)一步增大時(shí)，元器件相對(duì)于基板將產(chǎn)生相對(duì)加速度a′，它的方向與Fi的方向相同，其中臨界狀態(tài)的慣性力稱為臨界慣性力Fi0。在此過(guò)程中，假定潤(rùn)濕力始終保持最大值不變，因此只要 Fi 大于Fi0，就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)加速度a′。

4結(jié)論

（1） 提出了拆解能模型，并建立完善的拆解準(zhǔn)則，并基于該準(zhǔn)則分析了振動(dòng)拆解過(guò)程，確認(rèn)了振動(dòng)拆解的有效性。

（2） 提出了拆解能圖方法，為元器件拆解脫落提供新的判別方法，并為振動(dòng)拆解設(shè)備的參數(shù)設(shè)計(jì)提供支撐。