錐形結構孔的形成方法

專利名稱：：錐形結構孔的形成方法
技術領域：
：本發明涉及一種錐形結構孔的形成方法，所述錐形結構孔可用于線路板元器件回流焊接設備中的熱風出口部分，或用于線路板元器件拆解設備中的熱風加熱出口部分，或用于其他通過流體噴射進行熱交換的裝置等。
背景技術：
：就線路板而言，涉及到了例如線路板元器件回流焊焊接過程和線路板元器件拆解過程。1.回流焊接過程據中國環氧樹脂行業協會統計，2003年中國成為世界第二大印刷電路板(PCB)生產國，2006年中國成功取代日本，成為全球第一大環氧樹脂PCB生產國。2008年全球PCB產值達到460億美元，中國約占全球總產值的28%，而產量則超過了50%。PCB之后的生產工序是元器件表面貼裝(SMT)、回流焊、波峰焊、檢測、出廠。其中，在回流焊接過程中，首先用加熱絲加熱空氣，再讓空氣穿過一系列孔之后把熱量傳遞給PCB表面貼裝的元器件，熔化焊膏后完成回流焊的過程。這個熱風加熱及傳遞過程中的能耗是很大的，但可以通過改變熱風出孔的結構來提高熱交換的效率，從而實現節能效果。然而，現有的加熱孔結構和尺寸往往是根據經驗或設備的結構尺寸而確定的，設備的制造方法或使用方法也不清楚是否就是最優的結構形式和尺寸。2.線路板元件拆解過程PCB是電子電器產品的控制中心，廣泛應用于計算機和各類機電設備中。隨著電子產品的大量生產和愈來愈快的報廢周期，廢舊PCB的數量也在急劇增加。從2003年起，我國每年將至少有500萬臺電視機、400萬臺電冰箱、600萬臺洗衣機，以及超過2000萬臺電腦達到報廢年限。在PCB表面上裝配了各種電子元器件，PCB及這些元器件中含有多種金屬(金、銀、鈀、鈮、銅、鐵、鋁等)，金屬類材料的含量約為40%，丹麥技術大學的研究結果顯示，It隨意搜集的PCB中就含有大約272.4kg塑料、129.84kg銅、0.45kg黃金、40.86kg鐵、29.5lkg鉛、19.97kg鎳、9.99kg銻，除了塑料和銅主要存在于PCB中，其它的貴重金屬主要存在于電子元器件中。但當前國內外處理廢舊PCB的方法主要有焚燒處理、化學法處理、機械破碎處理、微生物剝離金屬、超臨界流體技術以及超聲波技術等。在處理過程中存在著一個問題，那就是貴重金屬含量相對較高的電子元器件經過破碎后與PCB的顆粒完全混合，從而稀釋了貴重金屬顆粒，使得后續的提煉過程更復雜，成本也更高了。如果對這些電子元器件進行分類回收再利用，將會產生良好的環境和經濟效益。在對這些電子垃圾實現資源化再利用的同時，提高了處理過程的經濟效益，減少了對環境的危害，更有利于發展該領域的循環經濟。從2005年開始國內的一些高校和研究機構逐步開展了拆解線路板元器件的研究，作者于2005年提交了申請號為200510103506.6、名為“一種線路板元器件熱拆解設備以及方法”的專利申請。此后，類似的元器件拆解工藝相關專利文件也不斷出現。但這些專利文件都是專門針對單塊線路板上元器件拆解工藝的，均未詳細涉及到提高能源利用效率的問題。
發明內容本發明的目的在于，提供一種錐形結構孔的形成方法，采用該形成方法能夠易于得到最優的錐形結構孔的結構形式和尺寸。為了實現上述目的，根據本發明的一個具體實施方式，提供如下一種錐形結構孔的形成方法，包括A、確定最佳焊點熔化溫度Tjb范圍；B、確定出符合最佳焊點熔化溫度Tjb范圍的入口溫度Ta；C、根據不同入口速度對應的不同焊點溫度的曲線確定入口速度VA；D、計算出單孔初定入口上底直徑火范圍；E、優化計算單孔的入口綜合因素，所述綜合因素包括最佳入口高度hb、最佳入口上底直徑drt以及最佳入口角度arb的確定；F、確定孔之間的間距Lb。本發明結合數值模擬優點，在大范圍的可選參數范圍內可代替實驗過程，以高效和低成本得到需解決問題的優化參數組合，從而能夠以確定的方法形成一種加熱效率高的結構尺寸較佳的錐形結構孔。根據上述錐形結構孔的形成方法，其中所述步驟B包括數值模擬仿真的方式，建立錐形孔結構的三維模型，設定入口速度，計算出由不同入口溫度得到的不同焊點溫度，選取符合最佳焊點熔化溫度Tjb范圍的焊點溫度；從所選取的焊點溫度中選取出最大值的焊點溫度，其對應的入口溫度作為所確定的入口溫度。根據上述錐形結構孔的形成方法，其中所述步驟C包括數值模擬仿真的方式，計算出由不同入口速度對應不同焊點溫度的曲線；選取曲線斜率開始下降時的入口速度值所為所確定的值。根據上述的錐形結構孔的形成方法，其中所述步驟D包括數值模擬仿真的方式，計算出不同入口上底直徑對應不同焊點溫度的曲線；選取最高焊點溫度處一定范圍所對應的入口上底直徑范圍作為初定入口上底直徑范圍。根據上述錐形結構孔的形成方法，其中所述步驟E包括數值模擬仿真的方式，計算出由多組入口綜合因素做因素水平正交試驗得到的多組包含不同加熱數值的參數，根據所需加熱數值參數選擇。不同加熱數值具有不同的重要程度，設置不同的權重參數；依據權重計算總加熱值結果，選擇結果值大的作為所選。根據上述錐形結構孔的形成方法，其特征在于，所述步驟F包括根據數值模擬仿真方法計算出由多個入口間距得出的多個焊點溫度；將處于最佳焊點熔化溫度Tjb的下限值所對應的入口間距作為最佳入口間距。圖1是本發明的錐形結構孔的形成方法的流程圖。圖2是錐形結構孔的入口結構圖。圖3是錐形結構孔的多孔之間的結構圖。圖4是根據不同入口速度模擬得出的焊點溫度分布圖。圖5是根據不同入口上底直徑模擬得出的焊點溫度分布圖。圖6是圖3中兩入口的模型示意圖。圖7是根據不同入口間距模擬得出的焊點溫度的分布圖。圖8是入口間距分別為50mm、56mm和60mm時的速度場云圖，其中(a)為入口間距L=50mm時的對稱面速度場云圖、(b)為入口間距L=56mm時的對稱面速度場云圖，(c)為入口間距L=60mm時的對稱面速度場云圖。具體實施例方式圖1示出了本發明的錐形結構孔的形成方法的流程圖。下面結合附圖以一個具體結果實例的優化過程為例，對本發明的線路板元器件回流焊接或拆解設備的熱風出口的錐形結構孔的形成方法進行詳細說明。采用本方法形成的可提高加熱效率的錐形結構孔及其排列形式分別如圖2和圖3所示，其具體數據如下(1)基礎數據以空氣為加熱介質，采用熱對流的傳熱方式，最佳焊點熔化溫度Tjb=200°C230°C；(2)影響因素數據入口與基板距離H=50mm時，最佳入口溫度Trb=235°C(508k)，最佳入口速度Vrb=8m/s；(3)單孔尺寸入口與基板距離H=50mm時，最佳入口形式包括最佳入口高度、=6mm，最佳入口上底直徑drt=16mm，最佳入口角度art=20°(最佳入口下底直徑Drt=20.36mm)；(4)多孔之間尺寸入口與基板距離H=50mm時，兩入口中心線最佳間距Lb在50mm至56mm之間，艮口50mm^Lb^56mm。下面，根據圖1所示本發明的錐形結構孔的形成方法，對得到上述結果數據的具體計算過程進行詳細說明。步驟101根據已有的經驗和參考數據，如拆解所需溫度、熔化時間等，確定出用于焊點熔化所要達到的最佳焊點熔化溫度的范圍。對于2006年以前錫鉛焊料的線路板而言，元器件表面的加熱溫度一般控制在210°C230°C之間；對于2006年RoHS指令實施之后使用無鉛焊料的線路板而言，溫度一般控制在240°C260°C之間。另一方面考慮如果加熱溫度太低，元器件也無法拆卸。進而綜合之后，確定出最佳焊點熔化溫度Tjb=200°C230°C。不難理解，對于所要拆解線路板或元器件的不同，焊點熔化所要達到的最佳焊點熔化溫度范圍也不同，均可以根據實際經驗和參考數據進行確定。步驟102，確定出符合最佳焊點熔化溫度Tjb范圍的最佳入口溫度Trt。建立入口上底直徑屯=14mm，入口角度、=20°，入口高度=4mm的錐形孔結構的三維模型，并設定入口速度A=8m/s。根據該模型，利用數值模擬仿真(本實施例中采用是美國ANSYS公司開發的Fluent)計算出由多個入口溫度得到的多個焊點溫度，選取符合最佳焊點熔化溫度范圍的焊點溫度，然后基于拆解效率的原因從所選取的焊點溫度中選取出最高值，其對應的入口溫度即為最佳入口溫度。在本具體實施例中，模擬仿真計算出當入口溫度I；分別為第一初始入口溫度=225V(498k)時和第二初始入口溫度=235°C(508k)時，以焊點為圓心、10mm為半徑的范圍內的平均溫度和最高溫度Th，然后從中選取出符合最佳焊點熔化溫度Tjb=200°C230°C的平均溫度I；及最高溫度Th，然后在從所選取的結果中選取最高值，所選取較佳的值所對應的初始入口溫度I；作為最佳入口溫度Trt。模擬仿真結果顯示，在焊點周圍由于存在焊點與氣流的熱交換，所以焊點周圍的溫度稍低。當入口溫度為第一初始入口溫度Tri=225°C時，以焊點為中心，半徑為10mm范圍內的第一焊點平均溫度Tel=215.64°C，第一焊點最高溫度Thl=222.7°C；當入口溫度為第二初始入口溫度T,2=235°C時，以焊點為中心，半徑為10mm范圍內的第二焊點平均溫度Te2=224.48°C，第二焊點最高溫度Th2=232.88°C。經判斷，兩種情況均符合上述確定的最佳焊點熔化溫度Tjb=200°C230°C，均作為選取對象。然后按照下述原則選取較佳的平均溫度T6及最高溫度Th考慮到溫度高時可以縮短加熱時間，利于焊點快速熔化，故取其中溫度高的作為選取的對象。故，取入口溫度為第二初始入口溫度=235°C作為所選取的最佳入口溫度Trbo此外，由于入口的最高溫度不宜超過235°C，由此可確定出最佳入口溫度Trt=235°C。步驟103，根據不同入口速度對應的不同焊點溫度的曲線確定入口速度Vrt。首先，根據數值模擬仿真計算出由不同入口速度得到不同焊點溫度的曲線，該曲線具體參見圖4所示。分析該曲線可知，入口熱風速度越大，焊點溫度處的溫度越高，隨著入口風速的增大，焊點溫度快速增高，體現為斜率很大。但是隨著入口速度的不斷增加，空氣消耗量是呈直線上升的，因此當風速達到一定值后，焊點溫度增高較慢，體現為斜率變小。即過了這個值后，再提高速度對加熱效率的影響就不明顯了，即到達某值時，曲線斜率明顯下降。也就是說，與加熱溫度增加的效率相比，為了提高速度所消耗的能量卻更多了，這顯然不是所期望達到的。因此，選取加熱溫度雖高但空氣消耗量相對較低的那一點，即選取曲線斜率開始下降時的入口速度選作為最佳入口速度。具體地說，設定入口與基板距離H=50mm，入口溫度為上述計算出的最佳入口溫度！^=235°C，加熱時間t=15s，通過模擬仿真方式計算出入口速度t分別為4m/s、6m/s、8m/s、10m/s、12m/s時，所達到的焊點溫度Tm。結果趨勢圖如圖4所示，該圖中橫坐標表示入口速度\，縱坐標表示焊點溫度Tm。從該圖中可以看出，從入口速度\=8mm/s開始，曲線的斜率開始下降。根據上述選取原則，選取8mm/s為最佳入口速度，即Vrt=8mm/s。步驟104、利用數值模擬仿真的方法進行單孔初定入口上底直徑4的計算。入口上底直徑4需要能夠使焊點附近達到有效的加熱溫度。本步驟中，根據數值模擬仿真方法計算出由多個入口上底直徑得到的多個焊點溫度，將焊點溫度處于最佳范圍內所對應的入口上底直徑范圍作為初定入口上底直徑范圍。6具體地說，設定入口高度h=4mm、入口角度a:=20°、入口溫度為上述最佳入口溫度Ta=235°C、入口速度為上述最佳入口速=8m/s、加熱時間t=10s，采用數值模擬仿真的方法計算出當入口上底直徑4分別為12mm、14mm、16mm、18mm、20mm和22mm六種不同情況下單孔的焊點溫度Tm，其結果趨勢如圖5所示。圖5中橫坐標表示入口上底直徑4，縱坐標表示所達到的焊點溫度Tm。從圖5中可以看出，當入口上底直徑4小于14mm時，入口越大，加熱10s后達到的焊點溫度越高，而當入口上底直徑4大于14mm后，再增加入口上底直徑，加熱10s后達到的溫度有所降低，這是因為入口過大，在入口正下方空氣不能順暢流通，從而影響加熱效率。根據該結果，選取加熱溫度在最高值139°C-140°C所對應的入口上底直徑為單孔初定入口上底直徑，即4=14mm至16_。此外，還要確定入口高度、以及入口角度a^的范圍。在進行入口高度、的選取時，設定流體空間為直徑30mm、高度30mm的圓柱型空間，入口直徑為10mm，入口角度a為0°，根據模型的對稱性，建立三維模型，設置入口溫度為503k(230°C)，入口速度8m/s，初始溫度25°C。分別建立入口高度h為0謹、2謹、4謹、6謹、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm的模型，計算焊點熔化時間，計算結果表明，入口高度對加熱時將沒有明顯的影響，因此可按照設備安裝的情況將入口高度、選定在4mm至6mm之間。在確定入口角度時，需要考慮入口角度對加熱效率的影響。分別設定入口a角為0°、10°、20°、30°、40°、50°模擬計算其溫度場分布，根據一般線路板的特征，焊點的高度一般在1mm2mm之間，因此取距基板1.5mm處面上溫度分布作為考察對象，由于溫度分布呈對稱分布，以沿X軸方向通過平面中心的線上溫度分布反映整個平面的溫度分布，計算結果表明，a角度在20°30°之間時有效加熱區域最大(以200°C為界限劃分有效區域)，即選取入口角度ar為20°至30°。步驟105、采用數值模擬仿真的方法進行單孔的入口綜合因素的優化計算，其中包括最佳入口高度hb、最佳入口上底直徑dA以及最佳入口角度aA的確定。在該模塊中，根據數值模擬仿真方法計算出由多組入口綜合因素做因素水平正交試驗得到的多組加熱數值參數，將加熱數值參數最佳值所對應的一組入口綜合因素作為最佳入口綜合因素。具體地說，設定入口溫度為最佳入口溫度Trt=235°C(508k)，入口速度為最佳入口速度=8m/s，初始溫度25°C，并以距基板高H’=1.5mm的面作為考察面，即為特征面(參見圖1中的“特征線”，由于整個溫度分布呈對稱分布，因此以特征線上的溫度分布來反映整個特征面上的溫度分布)，建立模型，做三因素三水平正交試驗分析，并根據模擬出的確定最佳的單孔入口形式。因素水平表見表1，正交表見表2，模擬仿真計算后的各組的實驗數據結果見表3。7<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表1因素水平表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2正交表L9(33)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表3正交試驗結果根據計算，以最佳焊點熔化溫度Tjb=200°C230°C的下限值473k(200°C)作為分界線，將特征面上分為有效加熱區域和無效加熱區域兩部分。為了統一化各考察量，進行以下定義T’=25.06/焊點熔化所需時間；S，=有效加熱面積/336.06統一后的正交試驗結果見表4。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表4統一各考察量后結果實驗結果分析，以上各項考察量中，焊點熔化所需時間的重要程度大于有效加熱面積的重要程度，因此，設定權重分別為0.6和0.4。計算各實驗得分，以獲得加權平均值，結果見表5。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表5各組實驗分析結果由表5可知，第7組的數值最大，即入口最佳形式為第7組，即，最佳入口高度hA=6mm，最佳入口上底直徑dA=8mm，最佳入口角度αΑ=20°，從而也可以得出最佳入口下底直徑為Da=20.36mm。此時入口正下方焊點熔化所需時間為23.08s，空氣消耗量為37.12X10_3m，單入口的有效加熱面積467.51mm2，有效加熱區域溫度平均值為492.56k(219.56°C)，有效區域溫度方差為80.27。步驟106、確定多孔之間的尺寸，即兩入口中心線最佳間距Lb。本步驟中，根據數值模擬仿真方法計算出由多個入口間距得出的多個焊點溫度，將處于最佳焊點熔化溫度Tjb的下限值所對應的入口間距作為最佳入口間距。兩入口模型如圖6所示，設定入口與基板間距H=50mm、最佳入口高度hA=6mm、最佳入口上底直徑dA=16mm、最佳入口下底直徑Da=20.36mm、最佳入口溫度Ta=235°C、最佳入口速度Va=8m/s，并取距離基板1.5mm處作為特征面(以圖7中特征線上溫度分布來反映兩入口之間的溫度分布)，分別計算出當兩入口間距L為40mm、50mm、60mm時的溫度分布。特征線上溫度分布如圖7所示。圖7中橫坐標X表示圖6中特征線上的點到左側入口A的中心線0-0’的距離，即，在L/2的范圍內特征線上的點到中心線0-0’的距罔。同樣以最佳焊點熔化溫度Tjb=200°C230°C的下限值473k(200°C)作為分界線，由圖7可以看出兩入口的最大間距L在50_到60mm之間，即50mm彡L彡60_。此外，圖8(a)、圖8(b)和圖8(c)分別示出了當入口間距L=50mm，L=56mm和L=60mm時對稱面速度場云圖，從該圖可知，當兩入口間距過大(L=60mm)時，間距的中間區域達不到加熱溫度值，因此兩入口間距不宜過大。綜上所述，兩入口中心間距應該在50mm56mm之間，即50mm彡Lb彡56_。至此，該具體實施例中的各個結果數據的推導過程完畢。值得注意的是，本具體實施方式中的數值參數只是為了說明本發明的錐形結構孔形成方法所舉的一個具體實例，并不能限制本發明。權利要求一種錐形結構孔的形成方法，其特征在于，包括A、確定最佳焊點熔化溫度Tjb范圍；B、確定出符合最佳焊點熔化溫度Tjb范圍的入口溫度Trb；C、根據不同入口速度對應的不同焊點溫度的曲線確定入口速度Vrb；D、計算出單孔初定入口上底直徑dr范圍；E、優化計算單孔的入口綜合因素，所述綜合因素包括最佳入口高度hb、最佳入口上底直徑drb以及最佳入口角度αrb的確定；F、確定孔之間的間距Lb。2.根據權利要求1所述的錐形結構孔的形成方法，其特征在于，所述步驟B包括數值模擬仿真的方式，建立錐形孔結構的三維模型，設定入口速度，計算出由不同入口溫度得到的不同焊點溫度，選取符合最佳焊點熔化溫度Tjb范圍的焊點溫度；從所選取的焊點溫度中選取出最大值的焊點溫度，其對應的入口溫度作為所確定的入口溫度。3.根據權利要求1所述的錐形結構孔的形成方法，其特征在于，所述步驟C包括數值模擬仿真的方式，計算出由不同入口速度對應不同焊點溫度的曲線；選取曲線斜率開始下降時的入口速度值所為所確定的值。4.根據權利要求1所述的錐形結構孔的形成方法，其特征在于，所述步驟D包括數值模擬仿真的方式，計算出不同入口上底直徑對應不同焊點溫度的曲線；選取最高焊點溫度處一定范圍所對應的入口上底直徑范圍作為初定入口上底直徑范圍。5.根據權利要求1所述的錐形結構孔的形成方法，其特征在于，所述步驟E包括數值模擬仿真的方式，計算出由多組入口綜合因素做因素水平正交試驗得到的多組包含不同加熱數值的參數；不同加熱數值具有不同的重要程度，設置不同的權重參數；依據權重計算總加熱值結果，選擇結果值大的對應的入口綜合因素作為所選。6.根據權利要求1所述的錐形結構孔的形成方法，其特征在于，所述步驟F包括根據數值模擬仿真方法計算出由多個入口間距得出的多個焊點溫度；將處于最佳焊點熔化溫度Tjb的下限值所對應的入口間距作為最佳入口間距。全文摘要本發明提供一種能夠提高加熱效率的錐形結構孔的形成方法，其特征在于，包括A、確定最佳焊點熔化溫度Tjb范圍；B、確定出符合最佳焊點熔化溫度Tjb范圍的入口溫度Trb；C、根據不同入口速度對應的不同焊點溫度的曲線確定入口速度Vrb；D、計算出單孔初定入口上底直徑dr范圍；E、優化計算單孔的入口綜合因素，所述綜合因素包括最佳入口高度hb、最佳入口上底直徑drb以及最佳入口角度αrb的確定；F、確定孔之間的間距Lb。本發明結合數值模擬優點，在大范圍的可選參數范圍內可代替實驗過程，以高效和低成本得到需解決問題的優化參數組合，從而能夠以確定的方法形成一種加熱效率高的結構尺寸較佳的錐形結構孔。文檔編號H05K3/34GK101827500SQ20101014714公開日2010年9月8日申請日期2010年4月15日優先權日2010年4月15日發明者劉振宇,周曉東,尹鳳福,張西華,杜寶亮申請人:海爾集團公司;海爾集團技術研發中心