特種三層線路板振動拆解模型

羅春雷 王建兵 葉錦華

摘 要： 特種三層線路板元器件（以下簡稱“PCB線路板”）具有較高的重用價值，而元器件的重用是基于合理的線路板拆解工藝的。目前相關研究多關注拆解力的分析和計算，然而由于拆解時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比較元器件實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)。最后在試驗中驗證拆解能模型的正確性。

關鍵詞： 特種三層線路板；拆解準則；振動拆解

0 引言

印刷線路板報廢后，作為一個整體喪失了應有的功能，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鍵技術。目前拆解主要是手工拆解，拆解設備開發(fā)還處于實驗室階段，距離工業(yè)應用還有一定的距離，因此相關的拆解工藝及拆解設備仍然值得研究。拆解PCB 上的元器件一般需要施加拆解力，這方面國內外的學者做了一系列的研究。日本YOKOYAMA 等采用試驗手段，測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，在線路板的拆解力及拆解方式都存在大量研究，但是在實際拆解時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，這是因為現(xiàn)有的研究主要是將線路板及元器件作為整體來開展研究的，并未對元器件的拆解過程進行細致的建模、分析計算。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拆解的依據(jù)，指導面向元器件重用的線路板振動拆解設計。

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則應采用拆解能準則。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

為了便于和拆解實際工況聯(lián)系分析，將拆解力轉化為拆解加速度，通過分析，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。而對于引腳彎曲的THD 則所需拆解力迅速增大，拆解難度大，實際拆解過程中需將待拆解元器件引腳人工導直后再拆解。對于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，由于實際工況十分復雜，為了便于分析，做出如下假設：忽略焊料熔化后的物理化學變化，認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拆解過程中不變。

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

2 垂直拆解的振動分析

在振動拆解中，線路板在簡諧振動的振動源下做強迫振動，其總體運動響應可視為這兩部分的線性疊加，下面分別對這兩種振動響應進行分析。

2.1 強迫振動分析

在強迫振動中，考慮阻尼條件下，強迫振動與外加激振力之間存在相位差。鑒于復數(shù)表示法在相位表示上的優(yōu)勢，采用復數(shù)阻尼理論描述線路板的強迫振動響應。

2.2 簡諧運動規(guī)律

對于線路板振動源的施加，為了便于和整個拆解設備結合，采用曲柄滑塊機構。元器件安裝面朝下，將電路板裝夾在卡槽上，卡槽所在的夾持機構上端通過鉸鏈與連桿相接，并限制其只有豎直方向的運動。曲柄繞回轉軸轉動時，電路板獲得豎直方向的運動。

2.3 簡諧振動下線路板的運動方程

線路板上各點的響應就是強迫振動響應與曲柄滑塊機構簡諧運動的線性疊加。對于簡諧振動與強迫響應中假設的簡諧振動一致，并且曲柄長度m 就是振幅A，因此可得簡諧振動下線路板上各點的位移響應為

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

3 元器件拆解分離過程分析

求得線路板在簡諧振動的強迫振動響應的條件下，就可以對元器件在拆解過程中的具體拆解力、分離位移及拆解能進行分析。對于曲柄回轉速度穩(wěn)定后，選擇線路板基板為參考系，豎直向下為Z 軸正向。設在t = t0時刻，元器件和基板的位移為 0，且在t = t0時刻后的 1/4 周期內不斷正向增大，分析一個周期內元器件相對基板的位移與加速度變化。

3.1 前1/2 個振動周期

在前半周期開始階段，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 軸負向的加速度也越來越大。以基板作為參考系，元器件受到方向向下的慣性力Fi 作用，同時還受到熔融焊料的潤濕力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Fi增大到使Fs達到其最大值Fsmax后，慣性力進一步增大時，元器件相對于基板將產(chǎn)生相對加速度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。在此過程中，假定潤濕力始終保持最大值不變，因此只要 Fi 大于Fi0，就會產(chǎn)生相對加速度a′。

4結論

（1） 提出了拆解能模型，并建立完善的拆解準則，并基于該準則分析了振動拆解過程，確認了振動拆解的有效性。

（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，并為振動拆解設備的參數(shù)設計提供支撐。