废弃电路板SMD元件热拆除工艺实验研究

刘丹

（湖南商务职业技术学院，湖南 长沙 410205）

随着技术的发展，电子产品更新换代的速度越来越快，同时废弃电子产品带来的环境问题也日益突出。作为电子产品的主要载体，电路板的回收与利用可以很好地解决废弃电子产品所带来的环境问题。

制作电路板的材料比较复杂，电路板上的元件也种类繁多，如果跟基板一起进行回收处理将会对后续处理带来很大的困难，并对环境产生一定的影响，带来资源的浪费。因此，在废弃电路板处理之前，将电子元器件拆除显得尤为重要，是简化后续工艺、减少处理成本、实现再资源化、促进可持续发展的重要手段。然而对元器件拆卸分离一直是废弃电路板回收处理过程中的难点。通过建立有限元分析模型，对建立表面安装元器件（SMD）的加热拆除过程进行仿真模拟，分析焊点温度变化，验证说明元器件拆除的条件。

PCB用的基板材料一般有两大类，包括刚性基板材料和挠性基板材料。覆铜箔层压板（Copper Clad Laminate，CCL），简称覆铜板，是刚性材料的典型代表。

图1所示即为仿真建立的4层PCB板，它的尺寸为长200 mm，宽180 mm，整块板由FR4-7628与铜箔压制而成，所用的铜箔，是经镀锌或镀黄铜处理的电解粗化铜箔。铜箔最后一层为1/2 OZ，其他二层铜箔1OZ，其中1/2OZ为0.035 mm，1OZ为0.070 mm，PCB总厚度为1.525 mm。

1 模型建立

在进行废弃电路板（PCB）元器件拆除的过程中，使焊锡达到熔化时的温度是电子元器件可以被拆除的先决条件，因此无论采用何种加热方式，研究加热过程中焊点处焊锡的温度变化显得尤为重要，同时也是保证元器件被成功拆除的重要条件[1]。运用ANSYS有限元分析软件，通过对表面安装元器件（SMD）拆除工艺进行建模与仿真，分析得出在加热过程中焊锡温度随着加热介质温度和加热时间变化的规律，对废弃电路板元器件拆除中加热过程的温度和时间控制提供参考。

1.1 PCB材料组成及建模

图14层PCB板

1.2 PCB板上元器件的材料组成及建模原理

SMD是Surface Mounted Devices的缩写，意为：表面贴装器件，它是 SMT（Surface Mount Technology，表面黏著技术）元器件中的一种。在电子线路板生产的初级阶段，过孔装配完全由人工来完成。首批自动化机器推出后，它们可放置一些简单的引脚元件，但是复杂的元件仍需要手工放置方可进行波峰焊。表面贴装元件在大约20年前推出，并就此开创了一个新纪元[3]。从无源元件到有源元件和集成电路，最终都变成了表面贴装器件（SMD）并可通过拾放设备进行装配。在很长一段时间内人们都认为所有的引脚元件最终都可采用SMD封装。除SMD外还有，SMC：表面组装元件（Surface Mounted Components），主要有矩形片式元件、圆柱形片式元件、复合片式元件、异形片式元件。SMD元件主要有片式晶体管和集成电路，又包括SOP，SOJ，PLCC，LCCC，QFP，BGA，PGA，CSP，FC，MCM 等。

为了更好地实现对PCB组件实际翘曲过程的整体仿真，在建模当中只选用了2个PLCC贴装元件。此外，由于PLCC元器件的组成非常复杂，组成材料有Si芯片、塑料基板及引脚等，因此在建模中将其进行了简化，贴装后的元器件模型及其在PCB板上的位置示意图如图2所示。

图2 PCB组件示意图

上面提到PLCC的组成材料很多，为简化仿真过程，模拟中采用单一的数值来表示PLCC元件的材料物理性能，如表1所示。

表1 PLCC元器件的密度和热传导系数

1.3 焊膏的材料组成及建模原理

目前，在印刷电路板焊接中使用的锡膏主要有三类：A、普通松香清洗型：此种类型锡膏在焊接过程中表现出较好“上锡速度”并能保证良好的“焊接效果”；在焊接工作完成后，PCB表面松香残留相对较多，可用适当清洗剂清洗，清洗后板面光洁无残留，保证了清洗后的板面具有良好的绝缘阻抗，并能通过各种电气性能的技术检测；B、免清洗型焊锡膏：此种锡膏焊接完成后，PCB板面较为光洁、残留少，可通过各种电气性能技术检测，不需要再次清洗，在保证焊接品质的同时缩短了生产流程，加快了生产进度；C、水溶性锡膏：早期生产的锡膏因技术上的原因，PCB板面残留普遍过多，电气性能不够理想，严重影响了产品品质；当时多用CFC清洗剂来清洗，因CFC对环保不利，许多国家已禁用；为了适应市场的需求，应运产生了水溶性焊锡膏，此种锡膏焊接工作完成后它的残留物可用水清洗干净，既降低了客户的生产成本，又符合环保的要求[2]。

将连接PCB板与其上元器件的焊膏建模成了与PLCC元件尺寸相同的、位于每个PLCC下方的一个片状薄板，选用的焊膏为63Sn/37Pb。

1.4 SMD元器件模型的建立

电路板上的元器件较多，为了使问题得到简化，而又不影响仿真的精度，在仿真中只考虑对温度场影响较大的元器件。

对2个PLCC元器件进行仿真。在仿真过程中，使用了近似的方法，因为PLCC元件引脚众多，而且相应的焊盘以及焊膏等也非常多，具体建立详细的几何模型非常困难，所以对PLCC以及焊膏做了简化处理，如图3所示。

图3 SMD有限元模型

2 网络划分

建立的实体模型比较规则，可以采用映射网格划分，同时发现采用映射划分法，大大减少了单元及节点数，节约了计算时间。对模型划分网格时，选用3D的六面体单元，取单元边长为0.01 m。如图4所示，共分为3 734个单元。

图4 SMD网格划分模型

3 热分析求解计算

在开始进行求解分析之前，用户必须根据载荷条件和要计算的响应制定一种分析类型，有限元分析的主要目的是检查结构或构建对一定载荷条件的响应。因此，在分析中指定合适的载荷条件是关键的一步。由于在废弃印刷电路板元器件加热的过程中，焊点的温度是随时间发生不断变化的，因此在这里选择分析类型中的瞬态热分析[1]。

对SMD进行加热的为热风枪，热量由被加热的气体通过对流和热传导的方式传递给焊点处的焊锡，同时SMD和焊点内部进行着由表及里的热传导。印刷电路板、SMD及焊锡和周围空气进行热交换主要是通过对流完成的，而其内部则是靠热传导来进行传热。以加热温度和加热时间为因素，分别分析其焊点温度的变化情况。

4 模拟仿真及结果分析

设空气加热的速度为20.62 m/s，加热温度在220～250℃之间，加热时间从5 s开始记录，到60 s，并分别以10℃，10 s为间隔进行实验模拟分析。实验结果如表2所示。

表2 实验模拟分析结果

由表2的实验模拟分析结果可以得到不同温度下焊点温度随时间变化的影响曲线。

图5明显表示出，不同温度下SMD元器件焊点温度随着加热时间的增加而不断升高；同一加热时间下，加热温度越高，焊点的温度越高，而且这种增大并不是线性的。同时，在实验条件的范围内，温度较低的情况下，即使时间达到50 s，焊点的温度也无法达到熔点，从而无法实现元器件拆除的先决条件。

通过线性回归分析模拟结果，得到焊点温度变化的回归方程[1]为：

该方程的判定系数达到98.7％，说明线性回归的总体效果是很好的。PCB板上元件拆除的必要条件就是锡膏融化，焊接主要采用63Sn/37Pb焊料，共熔温度为183℃，所以在实际的拆除过程中，当T大于183℃时，才能保证元器件有拆除下来的可能。

图5 不同温度下SMD元器件焊点温度随时间变化情况

PLCC最佳工艺实验研究的结果显示，当热风速度为20.62 m/s，温度为245℃，拆除时间最短为35.38 s[4]。由 X1=245 ℃，X2=35.38 s，通过式（1）计算得出该条件下焊点的温度为183.762℃，大于183℃，满足元器件拆除的必要条件。

以该条件进行模拟分析，温度场的变化如图6所示。

图6 245℃时温度场分布

模拟分析得出该条件下焊点的温度为186.467℃，与计算出的结果较吻合，由图7可以看出，在整个过程中焊点温度逐渐升高，并且升高的速度较均衡。

图7 245℃时焊点温度随时间变化情况

5 小结

要拆废弃PCB上的元件，必须先使焊点的锡膏熔化，在元件拆除工艺中，焊点的温度变化是关键。因此研究加热过程中焊点处焊锡温度的变化，对于指导PCB元器件加热过程及加热温度的选择具有重要的意义。

如文中所述，把内部结构较为复杂的电子元件简化成简单方块来建模处理，在对PCB电路板及元件的建模可以做出很大的简化。实验表明，该方法具有足够的准确性，而且使用非常方便，能够为废弃电路板回收利用中元件的拆除工艺提供参考。

[1] 闻城.电路板元器件拆除加热工艺优化及其热分析研究[D].合肥:合肥工业大学，2009.

[2] 刘成文，宋振宇.表面贴装技术用焊膏及印刷技术[J].电子工艺技术，2003，30(7):147-151.

[3] 赵健.PCB组件热-力分析的有限元模型及仿真[D].天津:天津大学，2006.

[4] 沈志刚.废印刷电路板回收处理技术进展[J].新材料产业，2006，10(12)：43-46.