分段加熱對(duì)廢舊線路板熔焊影響的數(shù)值模擬

張秋霞 張承龍 王景偉 符永高

(1.上海第二工業(yè)大學(xué)a.資源與環(huán)境工程學(xué)院;b.上海電子廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心,上海201209;2.中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司,廣州510663)

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展,手機(jī)的報(bào)廢量也隨之增長(zhǎng),因此如何處理廢舊手機(jī)已經(jīng)是個(gè)不容忽視的問(wèn)題。對(duì)廢棄手機(jī)進(jìn)行有效地回收與循環(huán)利用有利于節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境[1]。廢舊手機(jī)中的塑料外殼、顯示屏、線路板、鋰電池等都具有較高的回收價(jià)值,其中線路板不僅含有豐富的貴金屬還有許多可以再利用的元器件。

脫焊是拆解廢舊線路板的關(guān)鍵步驟之一,主要方式[2]有:熱拆解、化學(xué)腐蝕、溶解焊錫和電鍍[3]等。熱拆解[4]的工藝簡(jiǎn)單,對(duì)環(huán)境的危害較小,在無(wú)損拆解和節(jié)約成本方面具有良好的效果,是目前主要的拆解手段之一。

吳國(guó)清等[5]設(shè)計(jì)了一種無(wú)損拆解裝置,具有拆解效率高和自動(dòng)化程度較高等優(yōu)點(diǎn),但是工作溫度較高,易對(duì)環(huán)境造成污染。高鵬等[6]通過(guò)正交試驗(yàn)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)降低工作溫度,但加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)容易對(duì)線路板上的元器件造成損害。Chen等[7]設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)分解設(shè)備,利用空氣加熱來(lái)拆解線路板縮短了加熱時(shí)長(zhǎng)。本文進(jìn)一步優(yōu)化了加熱參數(shù),降低加熱溫度并減少加熱時(shí)長(zhǎng),減少拆卸過(guò)程對(duì)芯片的損害。

分段加熱法是指在廢舊電路板拆解過(guò)程中使用不同的溫度條件進(jìn)行芯片的拆除,將熔錫過(guò)程中對(duì)芯片的不利影響降至最低。因此如何進(jìn)行不同溫度段的選取就成了芯片拆除過(guò)程的關(guān)鍵?，F(xiàn)如今針對(duì)分段加熱方式對(duì)線路板進(jìn)行拆解的研究較少。計(jì)算機(jī)流體力學(xué)(CFD)能模擬較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過(guò)程,且成本較低。因此本文采用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)于線路板拆解過(guò)程進(jìn)行了研究,通過(guò)細(xì)化不同的預(yù)熱溫度及時(shí)間,探究了分段加熱法對(duì)于廢舊電路板芯片拆除的影響,并利用實(shí)驗(yàn)加以佐證。

1 分段加熱拆解線路板的數(shù)值模擬方法

1.1 物理模型的建立

本文以廢舊手機(jī)的線路板為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,利用球柵陣列封裝(ball grid array package,BGA)返修臺(tái)進(jìn)行熱風(fēng)脫焊以拆除線路板上的元器件。如圖1所示,將線路板固定在BGA返修臺(tái)上,上下部風(fēng)嘴噴出細(xì)致熱氣流聚集在元器件表面,熱量以熱傳導(dǎo)的方式從元器件、基板傳遞到焊球表面,焊球受熱熔化達(dá)到脫焊的效果。

圖1 BGA返修臺(tái)工作示意圖Fig.1 Working diagram of BGA repair table

手機(jī)線路板上的元器件主要是以貼裝元件為主,其集成電路的封裝方式中較為常見(jiàn)的有BGA、方形扁平無(wú)引腳封裝(quad flat no-lead package,QFN)和柵格陣列封裝(land grid package,LGA)[8]。本文僅針對(duì)BGA封裝方式進(jìn)行研究,建立的二維幾何模型如圖2所示。

圖2 幾何模型Fig.2 Geometric model

幾何模型的外部框架是一個(gè)尺寸為40 mm×12 mm的虛擬加熱環(huán)境,基板的尺寸為30 mm×1.5 mm。在基板上放置了3塊大小不同的芯片。根據(jù)手機(jī)型號(hào)華為P9拆卸下來(lái)的芯片尺寸建立模型。第1塊芯片覆蓋10個(gè)焊點(diǎn),其尺寸大小為6.75 mm×0.15 mm;第2塊芯片覆蓋15個(gè)焊點(diǎn),其尺寸大小為9.75 mm×0.15 mm;第3塊芯片覆蓋5個(gè)焊點(diǎn),尺寸是3.75 mm×0.15 mm。焊球的形狀設(shè)置為橢圓形,焦點(diǎn)間距為0.15 mm,長(zhǎng)0.45 mm,寬0.3 mm,相鄰焊點(diǎn)間距設(shè)置為0.15 mm。3塊芯片分別命名為h1、h2和h3。

1.2 控制方程

焊球熔化過(guò)程存在相變,本文采用“焓-多孔度(enthalpy-porosity)”的計(jì)算方式,這是模擬相變材料熔化和凝固的有效方法。物質(zhì)的焓是顯焓h與潛熱H之和[9]:

式中:href為參考焓,J/kg;Tref為參考溫度,K;c p為比定壓熱容,J/(kg·K)。

可用相變材料的潛熱來(lái)表示潛熱值:

式中:L為相變潛熱,J/mol;β為液相分?jǐn)?shù),可定義為

式中:Ts為相變材料的固相溫度,K;Tl為相變材料的液相溫度,K;T為材料溫度,K。潛熱值在固相和液相之間變化。

凝固/熔化模型中的能量方程可以寫(xiě)成

式中:H為焓,J;ρ為密度,kg/m3;v為流速,m/s;k為湍流動(dòng)能,J;T為材料溫度,K;S為源項(xiàng)。

流體在流動(dòng)過(guò)程中視為不可壓縮的湍流運(yùn)動(dòng),還應(yīng)滿足以下控制方程(連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流方程):

式中:u、v、w為速度矢量在x、y、z方向上的分量。

式中:p為微元流體上的壓力,N;τxx、τxv、τxz為作用在微元體表面上的黏性力τ的分量,N;F x,F y,F z為微元體在各方向上的力,N。

式中:G k為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能,J;G b為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能,J;Y M為可壓縮湍流中過(guò)度擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng),J;C1、C2、C3為常量;σk和σ?為湍流動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù);S k和Sε由用戶自定義。

1.3 邊界條件

幾何模型的上下邊界出熱風(fēng)設(shè)置為速度進(jìn)口。加熱環(huán)境為非封閉空間,因此將左右邊界設(shè)置為壓力出口,作為虛擬邊界。根據(jù)文獻(xiàn)[10]中取流體速度為6 m/s,流速均勻分布,初始溫度為環(huán)境溫度300 K。

1.4 物性參數(shù)

空氣作為加熱介質(zhì),將熱量傳遞到線路板表面,再通過(guò)熱傳導(dǎo)使焊點(diǎn)受熱熔化?？諝飧鲄?shù)隨著溫度變化情況如表1所示。

表1 空氣各參數(shù)隨溫度變化關(guān)系[11]Tab.1 Relationship between air parameters and temperature[11]

芯片的密度為2 330 kg/m3,c p為810 J/(kg·K),λ為150 W/(m·K);基板材料的密度[11]設(shè)置為1 859 kg/m3,c p為1 050 J/(kg·K),λ為0.3 W/(m·K)。焊點(diǎn)采用的材料為Sn63Pb37的共晶焊錫[13],其熔點(diǎn)為456 K,ρ為8 218 kg/m3,c p和λ隨溫度變化情況如表2所示。

表2 焊點(diǎn)參數(shù)隨溫度變化關(guān)系[11]Tab.2 Relationship between solder joint parameters and temperature[11]

2 結(jié)果分析

2.1 直接加熱結(jié)果分析

在處理廢舊線路板的過(guò)程中,溫度是影響污染物排放的重要因素。當(dāng)工作溫度超過(guò)523 K時(shí),易產(chǎn)生有利于合成二噁英的成分和有毒有害氣體[14],造成環(huán)境污染,因此加熱溫度不宜過(guò)高。實(shí)驗(yàn)中直接加熱溫度低于503 K時(shí),利用BGA返修臺(tái)難以拆卸線路板上元器件。因此為了便于對(duì)照,將線路板直接用高溫加熱,加熱溫度分別為503、508、513、518和523 K。

由圖3可知,在456 K之前焊點(diǎn)處于升溫狀態(tài),達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)處于平臺(tái)區(qū),熔化后焊點(diǎn)繼續(xù)升溫。焊點(diǎn)整體的升溫趨勢(shì)符合典型焊點(diǎn)熔化曲線。圖4為線路板在加熱70 s時(shí)的溫度場(chǎng)情況,此時(shí)芯片h1下的焊點(diǎn)溫度即將達(dá)到熔點(diǎn)溫度;芯片h2下的焊點(diǎn)尚未達(dá)到熔點(diǎn)溫度,需要繼續(xù)加熱;而芯片h3下的焊點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到熔點(diǎn)溫度,即此時(shí)可以進(jìn)行芯片拆卸。

圖3 加熱溫度為523 K時(shí)h1覆蓋焊點(diǎn)的升溫情況Fig.3 Temperature rise of h1 covered solder joints at heating temperature of 523 K

圖4 加熱70 s時(shí)的溫度場(chǎng)Fig.4 Temperature field of heating for 70 s

由圖5可見(jiàn),在每塊芯片覆蓋的焊點(diǎn)中均勻設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),拆卸芯片所需的時(shí)間為其覆蓋焊點(diǎn)熔化所需要的時(shí)間,為了準(zhǔn)確表示結(jié)果,取值為5個(gè)焊點(diǎn)所監(jiān)測(cè)到的平均值。由圖6可見(jiàn),隨著加熱溫度的升高,焊點(diǎn)熔化所需的時(shí)間越少,但呈非線性趨勢(shì),加熱初始設(shè)置溫度越高,各芯片下焊點(diǎn)熔化所需時(shí)間越接近。當(dāng)加熱溫度高于518 K時(shí),曲線斜率減小,說(shuō)明溫度再升高對(duì)加熱效率的影響很有限。小尺寸芯片比大尺寸芯片熔焊時(shí)間短,但3條曲線的趨勢(shì)相同。

圖5 焊點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.5 Position of solder joint monitoring point

圖6 直接加熱對(duì)焊點(diǎn)熔化時(shí)間的影響Fig.6 Effect of direct heating on melting time of solder joint

2.2 分段加熱結(jié)果分析

分段加熱分為低溫預(yù)熱和高溫加熱兩部分。低溫預(yù)熱溫度過(guò)低或超過(guò)焊點(diǎn)熔點(diǎn)456 K時(shí)難以比較預(yù)熱效果,因此根據(jù)實(shí)際拆卸芯片情況將低溫預(yù)熱的溫度劃為393、403、413、423、433、443、453和463 K。以523 K高溫直接加熱拆卸芯片時(shí)需要70 s,因此保溫時(shí)間不能太長(zhǎng),否則無(wú)法體現(xiàn)分段加熱縮短加熱時(shí)長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì),所以將保溫時(shí)間設(shè)為20、30、40、50和60 s。高溫加熱溫度與直接加熱部分一致。

由于線路板和元器件的熱容值不同,設(shè)置的預(yù)熱溫度不宜過(guò)高,否則升溫過(guò)快產(chǎn)生的熱沖擊會(huì)造成損傷,導(dǎo)致芯片內(nèi)部出現(xiàn)擠壓拉扯甚至裂紋。設(shè)置保溫時(shí)間可以減少各部分的溫差,去除焊錫表面部分的氧化物質(zhì),降低焊點(diǎn)的表面張力,同時(shí)使芯片下的各焊點(diǎn)受熱均勻,避免受熱不平衡導(dǎo)致拆卸時(shí)間延長(zhǎng)[15-16]。

本文模擬了各參數(shù)下廢舊線路板熔焊需要的時(shí)間,當(dāng)芯片覆蓋的焊點(diǎn)達(dá)到熔點(diǎn)溫度時(shí)視為可以將芯片拆卸。當(dāng)預(yù)熱溫度為393 K,保溫時(shí)間為20 s、60 s時(shí),通過(guò)比較3塊尺寸不同的芯片在各高溫加熱溫度下的熔焊時(shí)間,發(fā)現(xiàn)芯片尺寸越大,熔焊需要的時(shí)間越長(zhǎng)(見(jiàn)圖7)。圖7中的保溫時(shí)間跨度較大,但是3塊芯片的熔焊趨勢(shì)是類似的,因此在后續(xù)的分析中僅以h1為例,探究不同加熱參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)熔化情況的影響。

圖7 分段加熱熔焊過(guò)程中芯片高溫受熱情況Fig.7 High temperature heating of chip during segmented heating fusion welding

2.3 不同預(yù)熱溫度對(duì)于焊點(diǎn)熔化情況的影響

將h1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行細(xì)化分析,從圖8可以看出預(yù)熱溫度越高,芯片在拆卸過(guò)程中受高溫加熱的時(shí)間越少。當(dāng)保溫時(shí)間較短且高溫加熱溫度較低時(shí),預(yù)熱溫度在分段加熱方式中作用有限,改善效果并不明顯。當(dāng)保溫時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),預(yù)熱溫度越高,拆卸芯片時(shí)高溫受熱的時(shí)間越接近。從圖8(e)可以看出,當(dāng)預(yù)熱溫度超過(guò)433 K時(shí),提高預(yù)熱溫度對(duì)于芯片高溫受熱時(shí)間的減小變得不明顯。此時(shí)再升高預(yù)熱溫度,能耗較大改善效果較小,因此可以認(rèn)為433 K是效果最好的預(yù)熱溫度。

圖8 各保溫時(shí)間下不同預(yù)熱溫度對(duì)于焊點(diǎn)熔化時(shí)間的影響Fig.8 Influence of different preheating temperature on desoldering under different holding time

2.4 不同保溫時(shí)間對(duì)于焊點(diǎn)熔化情況的影響

為了更加詳細(xì)地比較各參數(shù)之間的變化,將預(yù)熱溫度為433 K時(shí)的加熱數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。從圖9可以看出隨著保溫時(shí)間的增加,高溫受熱的時(shí)間減少,總加熱時(shí)長(zhǎng)增加。當(dāng)保溫時(shí)間小于40 s時(shí),保溫時(shí)間越長(zhǎng),芯片在拆卸過(guò)程中高溫受熱的時(shí)間幾乎呈線性減少,同時(shí)總拆卸時(shí)長(zhǎng)隨之增加。當(dāng)保溫時(shí)間大于40 s時(shí),保溫時(shí)間越長(zhǎng),芯片高溫受熱時(shí)間減少趨勢(shì)減緩,總拆卸時(shí)間上升趨勢(shì)增長(zhǎng)。且隨著高溫加熱溫度的升高,保溫時(shí)間在拆卸過(guò)程中的作用不再明顯,此時(shí)高溫加熱的溫度對(duì)于焊點(diǎn)熔化情況的影響更大。

圖9 預(yù)熱溫度為433 K時(shí)不同保溫時(shí)間對(duì)于焊點(diǎn)熔化情況的影響Fig.9 Effect of different holding time on melting of solder joint at 433 K preheating temperature

2.5 不同高溫加熱溫度對(duì)于焊點(diǎn)熔化情況的影響

將預(yù)熱溫度為433 K、保溫時(shí)間為40 s作為加熱參數(shù),以不同的高溫加熱溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。為了減小實(shí)驗(yàn)與模擬的誤差,將模擬中的分段溫度到高溫加熱溫度的升溫過(guò)程進(jìn)行了細(xì)化。

如圖10所示,通過(guò)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比,可以得到當(dāng)溫度低于513 K時(shí)芯片拆解過(guò)程中受高溫加熱的時(shí)間影響較長(zhǎng);當(dāng)溫度大于513 K時(shí),隨著溫度的升高,拆解時(shí)間降低的并不明顯,且預(yù)熱溫度與高溫加熱溫度的溫差越大,對(duì)芯片的損害也越大,因此最佳拆解溫度為513 K,拆解時(shí)間為67 s。

圖10 不同高溫加熱溫度下模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.10 Comparison of simulation and experimental results at different heating temperatures

圖11為不同高溫加熱溫度下拆卸后芯片的外觀情況,經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn):拆卸溫度在503 K和508 K時(shí)有缺失焊點(diǎn)現(xiàn)象;拆解溫度在518 K和523 K時(shí)出現(xiàn)連焊現(xiàn)象較多,黏連小元器件;拆卸溫度在513 K時(shí)芯片和焊點(diǎn)的外觀完整。

圖11 不同高溫加熱溫度拆卸后芯片外觀Fig.11 Chip appearance after disassembly at different high temperature heating temperatures

模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差,最大偏差為18.22%,其原因在于利用BGA返修臺(tái)拆卸時(shí),人為不能準(zhǔn)確判斷焊點(diǎn)熔化的狀態(tài),只能以拆卸芯片需要的時(shí)間來(lái)確定,其中存在人為操作引起的時(shí)間差。在預(yù)熱溫度上升到高溫加熱溫度的過(guò)程中芯片也在持續(xù)受熱,因此高溫加熱溫度越高,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果越接近。當(dāng)高溫加熱溫度超過(guò)513 K時(shí)溫度模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)十分接近,偏差僅為6.26%,因此本模擬實(shí)驗(yàn)具有參考性。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法研究了分段加熱用于拆卸廢舊線路板時(shí)的影響,通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以對(duì)比分析出以下結(jié)論:

(1)通過(guò)分段加熱拆卸廢舊線路板上的芯片,可以使焊點(diǎn)和芯片受熱更加均勻,拆卸效果明顯優(yōu)于直接高溫加熱。解決了短時(shí)間迅速升溫產(chǎn)生的熱沖擊對(duì)芯片造成的損傷,降低熱疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)。分段加熱可以解決由于材料熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致的芯片內(nèi)部斷裂問(wèn)題以及拆卸對(duì)芯片的損害,有利于提高舊芯片的再利用率。

(2)當(dāng)預(yù)熱溫度為433 K、保溫時(shí)間為40 s、高溫加熱溫度為513 K時(shí)拆解效果最好。在此加熱參數(shù)下,拆卸后的芯片和焊點(diǎn)外觀完整,同時(shí)減少了芯片高溫受熱的時(shí)間,也降低了拆卸過(guò)程中的能源損耗。

(3)CFD有助于焊點(diǎn)在不同參數(shù)下熔焊情況的研究,節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差為6.26%,具有較高的工程研究意義。