羅春雷 王建兵 葉錦華

摘 要： 特種三層線(xiàn)路板元器件（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“PCB線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)路板；拆解準(zhǔn)則；振動(dòng)拆解

0 引言

印刷線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)路板振動(dòng)拆解的依據(jù)，指導(dǎo)面向元器件重用的線(xiàn)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(pán)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(pán)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)路板的運(yùn)動(dòng)方程

線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(chēng)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。