劉丹

（湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410205）

隨著技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來越快，同時(shí)廢棄電子產(chǎn)品帶來的環(huán)境問題也日益突出。作為電子產(chǎn)品的主要載體，電路板的回收與利用可以很好地解決廢棄電子產(chǎn)品所帶來的環(huán)境問題。

制作電路板的材料比較復(fù)雜，電路板上的元件也種類繁多，如果跟基板一起進(jìn)行回收處理將會(huì)對(duì)后續(xù)處理帶來很大的困難，并對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，帶來資源的浪費(fèi)。因此，在廢棄電路板處理之前，將電子元器件拆除顯得尤為重要，是簡(jiǎn)化后續(xù)工藝、減少處理成本、實(shí)現(xiàn)再資源化、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。然而對(duì)元器件拆卸分離一直是廢棄電路板回收處理過程中的難點(diǎn)。通過建立有限元分析模型，對(duì)建立表面安裝元器件（SMD）的加熱拆除過程進(jìn)行仿真模擬，分析焊點(diǎn)溫度變化，驗(yàn)證說明元器件拆除的條件。

PCB用的基板材料一般有兩大類，包括剛性基板材料和撓性基板材料。覆銅箔層壓板（Copper Clad Laminate，CCL），簡(jiǎn)稱覆銅板，是剛性材料的典型代表。

圖1所示即為仿真建立的4層PCB板，它的尺寸為長(zhǎng)200 mm，寬180 mm，整塊板由FR4-7628與銅箔壓制而成，所用的銅箔，是經(jīng)鍍鋅或鍍黃銅處理的電解粗化銅箔。銅箔最后一層為1/2 OZ，其他二層銅箔1OZ，其中1/2OZ為0.035 mm，1OZ為0.070 mm，PCB總厚度為1.525 mm。

1 模型建立

在進(jìn)行廢棄電路板（PCB）元器件拆除的過程中，使焊錫達(dá)到熔化時(shí)的溫度是電子元器件可以被拆除的先決條件，因此無論采用何種加熱方式，研究加熱過程中焊點(diǎn)處焊錫的溫度變化顯得尤為重要，同時(shí)也是保證元器件被成功拆除的重要條件[1]。運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，通過對(duì)表面安裝元器件（SMD）拆除工藝進(jìn)行建模與仿真，分析得出在加熱過程中焊錫溫度隨著加熱介質(zhì)溫度和加熱時(shí)間變化的規(guī)律，對(duì)廢棄電路板元器件拆除中加熱過程的溫度和時(shí)間控制提供參考。

1.1 PCB材料組成及建模

圖14層PCB板

1.2 PCB板上元器件的材料組成及建模原理

SMD是Surface Mounted Devices的縮寫，意為：表面貼裝器件，它是 SMT（Surface Mount Technology，表面黏著技術(shù)）元器件中的一種。在電子線路板生產(chǎn)的初級(jí)階段，過孔裝配完全由人工來完成。首批自動(dòng)化機(jī)器推出后，它們可放置一些簡(jiǎn)單的引腳元件，但是復(fù)雜的元件仍需要手工放置方可進(jìn)行波峰焊。表面貼裝元件在大約20年前推出，并就此開創(chuàng)了一個(gè)新紀(jì)元[3]。從無源元件到有源元件和集成電路，最終都變成了表面貼裝器件（SMD）并可通過拾放設(shè)備進(jìn)行裝配。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)人們都認(rèn)為所有的引腳元件最終都可采用SMD封裝。除SMD外還有，SMC：表面組裝元件（Surface Mounted Components），主要有矩形片式元件、圓柱形片式元件、復(fù)合片式元件、異形片式元件。SMD元件主要有片式晶體管和集成電路，又包括SOP，SOJ，PLCC，LCCC，QFP，BGA，PGA，CSP，F(xiàn)C，MCM 等。

為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)PCB組件實(shí)際翹曲過程的整體仿真，在建模當(dāng)中只選用了2個(gè)PLCC貼裝元件。此外，由于PLCC元器件的組成非常復(fù)雜，組成材料有Si芯片、塑料基板及引腳等，因此在建模中將其進(jìn)行了簡(jiǎn)化，貼裝后的元器件模型及其在PCB板上的位置示意圖如圖2所示。

圖2 PCB組件示意圖

上面提到PLCC的組成材料很多，為簡(jiǎn)化仿真過程，模擬中采用單一的數(shù)值來表示PLCC元件的材料物理性能，如表1所示。

表1 PLCC元器件的密度和熱傳導(dǎo)系數(shù)

1.3 焊膏的材料組成及建模原理

目前，在印刷電路板焊接中使用的錫膏主要有三類：A、普通松香清洗型：此種類型錫膏在焊接過程中表現(xiàn)出較好“上錫速度”并能保證良好的“焊接效果”；在焊接工作完成后，PCB表面松香殘留相對(duì)較多，可用適當(dāng)清洗劑清洗，清洗后板面光潔無殘留，保證了清洗后的板面具有良好的絕緣阻抗，并能通過各種電氣性能的技術(shù)檢測(cè)；B、免清洗型焊錫膏：此種錫膏焊接完成后，PCB板面較為光潔、殘留少，可通過各種電氣性能技術(shù)檢測(cè)，不需要再次清洗，在保證焊接品質(zhì)的同時(shí)縮短了生產(chǎn)流程，加快了生產(chǎn)進(jìn)度；C、水溶性錫膏：早期生產(chǎn)的錫膏因技術(shù)上的原因，PCB板面殘留普遍過多，電氣性能不夠理想，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品品質(zhì)；當(dāng)時(shí)多用CFC清洗劑來清洗，因CFC對(duì)環(huán)保不利，許多國(guó)家已禁用；為了適應(yīng)市場(chǎng)的需求，應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生了水溶性焊錫膏，此種錫膏焊接工作完成后它的殘留物可用水清洗干凈，既降低了客戶的生產(chǎn)成本，又符合環(huán)保的要求[2]。

將連接PCB板與其上元器件的焊膏建模成了與PLCC元件尺寸相同的、位于每個(gè)PLCC下方的一個(gè)片狀薄板，選用的焊膏為63Sn/37Pb。

1.4 SMD元器件模型的建立

電路板上的元器件較多，為了使問題得到簡(jiǎn)化，而又不影響仿真的精度，在仿真中只考慮對(duì)溫度場(chǎng)影響較大的元器件。

對(duì)2個(gè)PLCC元器件進(jìn)行仿真。在仿真過程中，使用了近似的方法，因?yàn)镻LCC元件引腳眾多，而且相應(yīng)的焊盤以及焊膏等也非常多，具體建立詳細(xì)的幾何模型非常困難，所以對(duì)PLCC以及焊膏做了簡(jiǎn)化處理，如圖3所示。

圖3 SMD有限元模型

2 網(wǎng)絡(luò)劃分

建立的實(shí)體模型比較規(guī)則，可以采用映射網(wǎng)格劃分，同時(shí)發(fā)現(xiàn)采用映射劃分法，大大減少了單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)，節(jié)約了計(jì)算時(shí)間。對(duì)模型劃分網(wǎng)格時(shí)，選用3D的六面體單元，取單元邊長(zhǎng)為0.01 m。如圖4所示，共分為3 734個(gè)單元。

圖4 SMD網(wǎng)格劃分模型

3 熱分析求解計(jì)算

在開始進(jìn)行求解分析之前，用戶必須根據(jù)載荷條件和要計(jì)算的響應(yīng)制定一種分析類型，有限元分析的主要目的是檢查結(jié)構(gòu)或構(gòu)建對(duì)一定載荷條件的響應(yīng)。因此，在分析中指定合適的載荷條件是關(guān)鍵的一步。由于在廢棄印刷電路板元器件加熱的過程中，焊點(diǎn)的溫度是隨時(shí)間發(fā)生不斷變化的，因此在這里選擇分析類型中的瞬態(tài)熱分析[1]。

對(duì)SMD進(jìn)行加熱的為熱風(fēng)槍，熱量由被加熱的氣體通過對(duì)流和熱傳導(dǎo)的方式傳遞給焊點(diǎn)處的焊錫，同時(shí)SMD和焊點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行著由表及里的熱傳導(dǎo)。印刷電路板、SMD及焊錫和周圍空氣進(jìn)行熱交換主要是通過對(duì)流完成的，而其內(nèi)部則是靠熱傳導(dǎo)來進(jìn)行傳熱。以加熱溫度和加熱時(shí)間為因素，分別分析其焊點(diǎn)溫度的變化情況。

4 模擬仿真及結(jié)果分析

設(shè)空氣加熱的速度為20.62 m/s，加熱溫度在220～250℃之間，加熱時(shí)間從5 s開始記錄，到60 s，并分別以10℃，10 s為間隔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析結(jié)果

由表2的實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析結(jié)果可以得到不同溫度下焊點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的影響曲線。

圖5明顯表示出，不同溫度下SMD元器件焊點(diǎn)溫度隨著加熱時(shí)間的增加而不斷升高；同一加熱時(shí)間下，加熱溫度越高，焊點(diǎn)的溫度越高，而且這種增大并不是線性的。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)條件的范圍內(nèi)，溫度較低的情況下，即使時(shí)間達(dá)到50 s，焊點(diǎn)的溫度也無法達(dá)到熔點(diǎn)，從而無法實(shí)現(xiàn)元器件拆除的先決條件。

通過線性回歸分析模擬結(jié)果，得到焊點(diǎn)溫度變化的回歸方程[1]為：

該方程的判定系數(shù)達(dá)到98.7％，說明線性回歸的總體效果是很好的。PCB板上元件拆除的必要條件就是錫膏融化，焊接主要采用63Sn/37Pb焊料，共熔溫度為183℃，所以在實(shí)際的拆除過程中，當(dāng)T大于183℃時(shí)，才能保證元器件有拆除下來的可能。

圖5 不同溫度下SMD元器件焊點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化情況

PLCC最佳工藝實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果顯示，當(dāng)熱風(fēng)速度為20.62 m/s，溫度為245℃，拆除時(shí)間最短為35.38 s[4]。由 X1=245 ℃，X2=35.38 s，通過式（1）計(jì)算得出該條件下焊點(diǎn)的溫度為183.762℃，大于183℃，滿足元器件拆除的必要條件。

以該條件進(jìn)行模擬分析，溫度場(chǎng)的變化如圖6所示。

圖6 245℃時(shí)溫度場(chǎng)分布

模擬分析得出該條件下焊點(diǎn)的溫度為186.467℃，與計(jì)算出的結(jié)果較吻合，由圖7可以看出，在整個(gè)過程中焊點(diǎn)溫度逐漸升高，并且升高的速度較均衡。

圖7 245℃時(shí)焊點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化情況

5 小結(jié)

要拆廢棄PCB上的元件，必須先使焊點(diǎn)的錫膏熔化，在元件拆除工藝中，焊點(diǎn)的溫度變化是關(guān)鍵。因此研究加熱過程中焊點(diǎn)處焊錫溫度的變化，對(duì)于指導(dǎo)PCB元器件加熱過程及加熱溫度的選擇具有重要的意義。

如文中所述，把內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電子元件簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單方塊來建模處理，在對(duì)PCB電路板及元件的建?？梢宰龀龊艽蟮暮?jiǎn)化。實(shí)驗(yàn)表明，該方法具有足夠的準(zhǔn)確性，而且使用非常方便，能夠?yàn)閺U棄電路板回收利用中元件的拆除工藝提供參考。

[1] 聞城.電路板元器件拆除加熱工藝優(yōu)化及其熱分析研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[2] 劉成文，宋振宇.表面貼裝技術(shù)用焊膏及印刷技術(shù)[J].電子工藝技術(shù)，2003，30(7):147-151.

[3] 趙健.PCB組件熱-力分析的有限元模型及仿真[D].天津:天津大學(xué)，2006.

[4] 沈志剛.廢印刷電路板回收處理技術(shù)進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2006，10(12)：43-46.