廢棄電路板SMD元件熱拆除工藝實驗研究

劉丹

（湖南商務職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410205）

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

制作電路板的材料比較復雜，電路板上的元件也種類繁多，如果跟基板一起進行回收處理將會對后續(xù)處理帶來很大的困難，并對環(huán)境產生一定的影響，帶來資源的浪費。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，是簡化后續(xù)工藝、減少處理成本、實現再資源化、促進可持續(xù)發(fā)展的重要手段。然而對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。通過建立有限元分析模型，對建立表面安裝元器件（SMD）的加熱拆除過程進行仿真模擬，分析焊點溫度變化，驗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

在進行廢棄電路板（PCB）元器件拆除的過程中，使焊錫達到熔化時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處焊錫的溫度變化顯得尤為重要，同時也是保證元器件被成功拆除的重要條件[1]。運用ANSYS有限元分析軟件，通過對表面安裝元器件（SMD）拆除工藝進行建模與仿真，分析得出在加熱過程中焊錫溫度隨著加熱介質溫度和加熱時間變化的規(guī)律，對廢棄電路板元器件拆除中加熱過程的溫度和時間控制提供參考。

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）元器件中的一種。在電子線路板生產的初級階段，過孔裝配完全由人工來完成。首批自動化機器推出后，它們可放置一些簡單的引腳元件，但是復雜的元件仍需要手工放置方可進行波峰焊。表面貼裝元件在大約20年前推出，并就此開創(chuàng)了一個新紀元[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）并可通過拾放設備進行裝配。在很長一段時間內人們都認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，FC，MCM 等。

為了更好地實現對PCB組件實際翹曲過程的整體仿真，在建模當中只選用了2個PLCC貼裝元件。此外，由于PLCC元器件的組成非常復雜，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行了簡化，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，為簡化仿真過程，模擬中采用單一的數值來表示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系數

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表面松香殘留相對較多，可用適當清洗劑清洗，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檢測；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檢測，不需要再次清洗，在保證焊接品質的同時縮短了生產流程，加快了生產進度；C、水溶性錫膏：早期生產的錫膏因技術上的原因，PCB板面殘留普遍過多，電氣性能不夠理想，嚴重影響了產品品質；當時多用CFC清洗劑來清洗，因CFC對環(huán)保不利，許多國家已禁用；為了適應市場的需求，應運產生了水溶性焊錫膏，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PLCC下方的一個片狀薄板，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，為了使問題得到簡化，而又不影響仿真的精度，在仿真中只考慮對溫度場影響較大的元器件。

對2個PLCC元器件進行仿真。在仿真過程中，使用了近似的方法，因為PLCC元件引腳眾多，而且相應的焊盤以及焊膏等也非常多，具體建立詳細的幾何模型非常困難，所以對PLCC以及焊膏做了簡化處理，如圖3所示。

圖3 SMD有限元模型

2 網絡劃分

建立的實體模型比較規(guī)則，可以采用映射網格劃分，同時發(fā)現采用映射劃分法，大大減少了單元及節(jié)點數，節(jié)約了計算時間。對模型劃分網格時，選用3D的六面體單元，取單元邊長為0.01 m。如圖4所示，共分為3 734個單元。

圖4 SMD網格劃分模型

3 熱分析求解計算

在開始進行求解分析之前，用戶必須根據載荷條件和要計算的響應制定一種分析類型，有限元分析的主要目的是檢查結構或構建對一定載荷條件的響應。因此，在分析中指定合適的載荷條件是關鍵的一步。由于在廢棄印刷電路板元器件加熱的過程中，焊點的溫度是隨時間發(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SMD進行加熱的為熱風槍，熱量由被加熱的氣體通過對流和熱傳導的方式傳遞給焊點處的焊錫，同時SMD和焊點內部進行著由表及里的熱傳導。印刷電路板、SMD及焊錫和周圍空氣進行熱交換主要是通過對流完成的，而其內部則是靠熱傳導來進行傳熱。以加熱溫度和加熱時間為因素，分別分析其焊點溫度的變化情況。

4 模擬仿真及結果分析

設空氣加熱的速度為20.62 m/s，加熱溫度在220～250℃之間，加熱時間從5 s開始記錄，到60 s，并分別以10℃，10 s為間隔進行實驗模擬分析。實驗結果如表2所示。

表2 實驗模擬分析結果

由表2的實驗模擬分析結果可以得到不同溫度下焊點溫度隨時間變化的影響曲線。

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

通過線性回歸分析模擬結果，得到焊點溫度變化的回歸方程[1]為：

該方程的判定系數達到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℃，所以在實際的拆除過程中，當T大于183℃時，才能保證元器件有拆除下來的可能。

圖5 不同溫度下SMD元器件焊點溫度隨時間變化情況

PLCC最佳工藝實驗研究的結果顯示，當熱風速度為20.62 m/s，溫度為245℃，拆除時間最短為35.38 s[4]。由 X1=245 ℃，X2=35.38 s，通過式（1）計算得出該條件下焊點的溫度為183.762℃，大于183℃，滿足元器件拆除的必要條件。

以該條件進行模擬分析，溫度場的變化如圖6所示。

圖6 245℃時溫度場分布

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

圖7 245℃時焊點溫度隨時間變化情況

5 小結

要拆廢棄PCB上的元件，必須先使焊點的錫膏熔化，在元件拆除工藝中，焊點的溫度變化是關鍵。因此研究加熱過程中焊點處焊錫溫度的變化，對于指導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，把內部結構較為復雜的電子元件簡化成簡單方塊來建模處理，在對PCB電路板及元件的建?？梢宰龀龊艽蟮暮喕?。實驗表明，該方法具有足夠的準確性，而且使用非常方便，能夠為廢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，2009.

[2] 劉成文，宋振宇.表面貼裝技術用焊膏及印刷技術[J].電子工藝技術，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，2006.

[4] 沈志剛.廢印刷電路板回收處理技術進展[J].新材料產業(yè)，2006，10(12)：43-46.