特种三层线路板振动拆解模型

罗春雷 王建兵 叶锦华

摘 要： 特种三层线路板元器件（以下简称“PCB线路板”）具有较高的重用价值，而元器件的重用是基于合理的线路板拆解工艺的。目前相关研究多关注拆解力的分析和计算，然而由于拆解时元器件与线路板间存在熔融状态的焊料，即便提供足够大的拆解力也难以保证元器件被拆解。本文提出以拆解能图来比较元器件实际获得的拆解能与所需的最小拆解能，为拆解工艺参数的确定提供依据。最后在试验中验证拆解能模型的正确性。

关键词： 特种三层线路板；拆解准则；振动拆解

0 引言

印刷线路板报废后，作为一个整体丧失了应有的功能，但上面的元器件却仍然具有重用性，而线路板拆解是元器件重用的关键技术。目前拆解主要是手工拆解，拆解设备开发还处于实验室阶段，距离工业应用还有一定的距离，因此相关的拆解工艺及拆解设备仍然值得研究。拆解PCB 上的元器件一般需要施加拆解力，这方面国内外的学者做了一系列的研究。日本YOKOYAMA 等采用试验手段，测试了不同温度下拆解水平和竖直放置的线路板上元器件所需的拆解力大小，并计算垂直于PCB 方向单位面积上的拆解能，但他们并未建立拆解力或拆解能的理论模型。

由此可见，在线路板的拆解力及拆解方式都存在大量研究，但是在实际拆解时元器件与线路板间存在熔融状态的焊料，即便提供足够大的拆解力也难以保证元器件被拆解，这是因为现有的研究主要是将线路板及元器件作为整体来开展研究的，并未对元器件的拆解过程进行细致的建模、分析计算。因此，本文在课题组已经建立的拆解力模型前提下，分析线路板在振动拆解条件下THD 和SMD 能否被拆解，提出以拆解能和拆解能图作为线路板振动拆解的依据，指导面向元器件重用的线路板振动拆解设计。

1 拆解能模型

元器件的拆解，不仅需要足够大的拆解力，而且必须在此拆解力的作用下产生足够的位移，才能被拆解，因而衡量元器件能否拆解的准则应采用拆解能准则。拆解能是指在焊料熔化的条件下，作用在元器件上的外力使元器件引脚相对基板焊盘产生位移所做的功，下面分别讨论拆解力及分离位移。

1.1 拆解力

为了便于和拆解实际工况联系分析，将拆解力转化为拆解加速度，通过分析，可以得到部分直引脚THD 的最小拆解加速度在0～45 m/s2 范围内。而对于引脚弯曲的THD 则所需拆解力迅速增大，拆解难度大，实际拆解过程中需将待拆解元器件引脚人工导直后再拆解。对于SMD，若采用垂直方向拆解，所需的最小加速度范围分布广。对于BGA、QFP、SOP、PLCC等封装的元器件，最小加速度一般在20～200 m/s2之间，对于体积微小的片状元件和带安装面的SMD，最小加速度一般在140～530 m/s2 之间，如图2 所示。对于最小加速度小的SMD 可采用垂直拆解，而最小加速度大的SMD 则需要采取其他方式如扫刮等方式拆解。

1.2 分离位移

在分析元器件的分离位移时，由于实际工况十分复杂，为了便于分析，做出如下假设：忽略焊料熔化后的物理化学变化，认为焊料的表面张力系数和焊料与引脚表面、焊盘表面的接触角在整个拆解过程中不变。

元器件拆解时的分離位移与水平拆解和垂直拆解两种拆解方式有关。水平拆解主要针对SMD，其分离位移就是元器件引脚的几何尺寸；对于垂直拆解，THD 的分离位移为引脚顶端到线路板安装面的引脚长度与熔融焊料在引脚顶端断裂时的高度之和。

2 垂直拆解的振动分析

在振动拆解中，线路板在简谐振动的振动源下做强迫振动，其总体运动响应可视为这两部分的线性叠加，下面分别对这两种振动响应进行分析。

2.1 强迫振动分析

在强迫振动中，考虑阻尼条件下，强迫振动与外加激振力之间存在相位差。鉴于复数表示法在相位表示上的优势，采用复数阻尼理论描述线路板的强迫振动响应。

2.2 简谐运动规律

对于线路板振动源的施加，为了便于和整个拆解设备结合，采用曲柄滑块机构。元器件安装面朝下，将电路板装夹在卡槽上，卡槽所在的夹持机构上端通过铰链与连杆相接，并限制其只有竖直方向的运动。曲柄绕回转轴转动时，电路板获得竖直方向的运动。

2.3 简谐振动下线路板的运动方程

线路板上各点的响应就是强迫振动响应与曲柄滑块机构简谐运动的线性叠加。对于简谐振动与强迫响应中假设的简谐振动一致，并且曲柄长度m 就是振幅A，因此可得简谐振动下线路板上各点的位移响应为

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

3 元器件拆解分离过程分析

求得线路板在简谐振动的强迫振动响应的条件下，就可以对元器件在拆解过程中的具体拆解力、分离位移及拆解能进行分析。对于曲柄回转速度稳定后，选择线路板基板为参考系，竖直向下为Z 轴正向。设在t = t0时刻，元器件和基板的位移为 0，且在t = t0时刻后的 1/4 周期内不断正向增大，分析一个周期内元器件相对基板的位移与加速度变化。

3.1 前1/2 个振动周期

在前半周期开始阶段，随着基板沿z 轴正向位移的不断增大，基板和元器件受到沿Z 轴负向的加速度也越来越大。以基板作为参考系，元器件受到方向向下的惯性力Fi 作用，同时还受到熔融焊料的润湿力Fs 和重力 G 的作用，

随着Fi的增大，Fs也不断增大，以保证元器件受力平衡。当Fi增大到使Fs达到其最大值Fsmax后，惯性力进一步增大时，元器件相对于基板将产生相对加速度a′，它的方向与Fi的方向相同，其中临界状态的惯性力称为临界惯性力Fi0。在此过程中，假定润湿力始终保持最大值不变，因此只要 Fi 大于Fi0，就会产生相对加速度a′。

4结论

（1） 提出了拆解能模型，并建立完善的拆解准则，并基于该准则分析了振动拆解过程，确认了振动拆解的有效性。

（2） 提出了拆解能图方法，为元器件拆解脱落提供新的判别方法，并为振动拆解设备的参数设计提供支撑。